圆明园舍卫城遗址夯土崩解试验研究及保护建议

周 华， 陈晓鹏， 张中俭， 周双林

(1.北京联合大学应用文理学院， 北京 100191; 2.中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100083； 3.北京大学考古文博学院， 北京 100871)

以石灰、黄土及砂石按不同配合比构成的二元或三元灰土材料是中国古建筑材料的重要组成部分，灰土材料在中国古建筑上的使用主要包括用作建筑地面和墙体的防水防潮材料、胶结材料、或直接用来夯筑墙体等，它在中国古代墓葬、城墙、房屋、壁画、炮台、桥梁、长城等遗址的建造中发挥了相当重要的作用。中国古代各个历史时期的建筑遗址中均有灰土材料的使用。

圆明园舍卫城是圆明园中一处重要的佛教相关的建筑群，仿照古印度桥萨罗国首都的城池布局而建，城墙用灰土夯筑而成，自下而上共夯筑14层，夯土墙内部夹杂石块与瓦片等[1]。鸦片战争后，圆明园历经数次劫难，舍卫城也仅残存东西夯土墙。

课题组于2017年对舍卫城遗址夯土城墙病害进行了系统调查，掏蚀及残缺病害为舍卫城夯土城墙最为严重的病害之一(图1)，面积达439.68 m2，占城墙表面积的44%[2]，通过对其周边环境及地下水位的调查可知，舍卫城遗址周边地下水位较高且雨后常有积水，推测导致掏蚀及残缺病害的直接原因是夯土遇水逐步崩解造成的，为了验证这一想法，笔者对舍卫城夯土进行了崩解试验研究。

图1 舍卫城夯土城墙各类病害分布比例Fig.1 Distribution proportion of various diseases of rammed earth wall in Sravasti

1 夯土崩解的影响因素

土的崩解是指土由于浸水而发生碎裂、散体的现象。崩解是由于土体没入水中后，水进入孔隙或裂隙中的情况不平衡，引起粒间扩散层增厚的速度也不平衡，以致粒间斥力超过吸力的情况也不平衡，产生应力集中，使土体沿着斥力超过吸力最大的面崩落下来。土的崩解性在评价夯土城墙稳定性时具有很大的意义。

近年来，中国科技工作者开展了大量岩土文物水盐侵蚀、风化崩解的研究工作。乔榛等[3]、杨有贞等[4]、刘海康等[5]研究了温度、湿度、酸碱盐等环境因素对岩体性能的差异，发现不同的环境因素影响程度不同。赵凡等[6]、王浪等[7]通过实验室模拟实验对岩土文物的崩解特征进行了研究，发现岩土文物崩解与岩土的颗粒分布密切相关。

土的崩解形式可呈均匀的散粒状、鳞片状、碎块状或崩解状等, 不同的崩解形式与土的矿物成分、含水率，密度，孔隙度、粒度成分有关[8]。

1.1 土粒的矿物成分

土的颗粒分散程度愈高，比表面积愈大，则扩散层的总体积愈大。而颗粒的比表面积与颗粒的大小、形状有关，颗粒的大小、形状又与矿物成分有关，所以矿物成分是决定因素。常见的土体成分蒙脱石黏土往往崩解成细小粒子，在水中似云雾散开使水混浊；而高岭石往往崩解成小块下落。夯土材料的主要构成材料黄土的矿物成分以石英、长石为主，含有大量不稳定矿物，其胶体分散矿物以伊利石、蒙脱石为主，反映形成于比较干燥的气候条件下。在浸水时，颗粒的扩散层厚度迅速达到最大，容易崩解。

1.2 含水量

有关试验表明，当含水量增大到22%时，黏性土基本无崩解性。含水量增加减小了土的渗透性、吸水量和吸水速度，也增大了土的塑性，更不利于崩解的发生。

1.3 粒度组成

粒度成分对黏性土崩解的影响十分显著,它决定了土的孔隙性和透水性,因而对崩解时间、崩解 特征和崩解速度起着重要作用,文献[9]给出了黏粒含量与崩解速度的大致关系(表1)。

表1 黏粒含量与崩解速度的关系

黄土以粉粒(0.05～0.005 mm)为主,平均含量达 50%以上。由于透水性强,而且粉粒含量较多,扩散 层达到最大厚度的时间很短,粒间黏结力很快消失, 所以往往一浸水就发生崩解。

1.4 密实度与结构连接

土的结构对崩解性起着主要的作用。因为土的透水性与孔隙、裂隙发育程度有关，孔隙、裂隙不发育的土，一般崩解速度较慢；若土中孔隙、裂隙发育，那么土体浸水后，首先通过孔隙或裂隙渗入，使土体内部产生不均匀应力，导致土体沿着孔隙、裂隙方向崩解。

通过以上简要分析，崩解的主要影响因素可归结为土的含水量及水溶液的化学成分、浓度，土的成分、粒度组成和结构。对于特定的压实土，当水的化学成分、温度不变时，用含水量和压实度作为崩解试验指标是可行的。

2 试样与测试方法

2.1 XRD分析

首先分别选取14层夯土样品非石灰粒的部分10 g研磨成粉状，去除粉末中的纤维、石头等杂质后待进行X射线衍射(XRD)分析。风化土粉末样品则是在去除杂质后，待进行XRD分析。

实验选用Dmax12 kW粉末衍射仪，试验条件为：X射线：CμKα(0.154 18 nm)；管电压：40 kV；管电流：100 mA；石墨弯晶单色器；扫描方式：θ/2θ扫描；扫描速度：8°(2θ)/min；采数步宽：0.02°(2θ)；环境温度：(25.0±1) ℃；湿度：20.0%±5% 进行测试分析。依据《沉积岩中样品矿物总量和常见非样品矿物X射线定量分析方法》(SY/T 6210—1996)与粉末衍射文件(PDF2)粉末衍射数据库进行解谱。

2.2 含水率的计算

将所取舍卫城夯土墙的各层试样(共11层)进行称重得湿土质量m0，在105 ℃的恒温下烘干至恒重md。试样的含水率w0由式(1)计算可得：

(1)

2.3 开孔孔隙率和块体密度的计算

根据标准，将试块烘干至恒重，称得干重md。然后将试块放入抽气容器，逐渐将容器内压力加至(2.0±0.7) kPa[(15±5) mmHg]，保持此压力(2±0.2) h，以便消除试块中开孔孔隙内的空气。在(20±5) ℃条件下慢慢向容器内加入去矿物质水。加水过程中保证压力为(2.0±0.7) kPa。当所有试块都被浸没后，将容器内的压力变回常压，并在常压下保持试块在水中浸泡(24±2) h。然后每个试块在水中称重，记录mh，然后快速用湿毛巾擦去试块表面的水分，称其吸水饱和后的质量ms，ρrh为水的密度(20 ℃时，ρrh=1 g/cm3)。试样的开孔孔隙率p0和块体密度ρb计算式为

(2)

(3)

2.4 颗粒密度和总孔隙率

试块做完颗粒密度和开孔孔隙率后，分别研磨试块至颗粒直径为0.25 mm。烘干研磨后的粉末至恒重。称得质量为me(约10 g)。然后向比重瓶中加入大约半瓶蒸馏水，然后加入称好的式样粉末，摇匀。然后将比重瓶放入抽气容器内，抽气到2 kPa,保持压力，直至不再有气泡上升。取出后慢慢向比重瓶注入水至满瓶，然后让粉末沉淀。最后加水盖上塞子至有少量水从塞子顶溢出，称得质量为m1。将比重瓶清空并洗净，然后仅用水将比重瓶装满，称得质量为m2。试样的颗粒密度ρr和总孔隙率p计算式为

(4)

(5)

2.5 颗粒分析试验

本实验采用筛分法对舍卫城夯土墙各层样品进行测试，所选用筛孔径为2.0、1.0、0.5、0.25、0.074 mm。称量烘干至恒重的样品质量并记录，准确至0.01 g。之后将试样倒入依次叠好的筛，然后按照顺时针或逆时针进行筛分。振摇时间为10～15 min。 振摇完成后逐级称取留在各筛上粉末的质量。

2.6 耐崩解性试验

为测定样品抵抗水流冲刷的能力，采用岩石耐崩解性试验测定其耐崩解性指数。所选样品共16个，第1～11号试样均取自西城墙表面风化严重部位，第D1～D5号试样取自西城墙下掉落的坚硬墙体。取样见表2。

表2 取样信息

将试样装入耐崩解试验仪的圆柱形筛桶内，在105～110 ℃的温度下烘干24 h后冷却至室温。将装有试样的筛筒放入水槽，向水槽内注入蒸馏水，水面在转动轴下约20 mm。筛筒以20 r/min的转速转动10 min后，将装有残留试样的筛筒在105～110 ℃的温度下烘干24 h并冷却至室温称量。

重复上述操作，称量第二次循环后的筛筒和残留试样质量。实验过程中水温保持在20 ℃左右。

岩石二次循环耐崩解性指数计算式为

(6)

式(6)中：Id2为岩石二次循环耐崩解性指数，%；mr为原试件烘干质量，g；ms为残留试件烘干质量，g。

3 结果与分析

3.1 XRD分析结果

表3中可以看到夯土的主要骨架矿物成分为石英、方解石及各类长石。各层中石英的含量除第3层(71%)和第12层(26%)外，其他各层石英含量都在30%～50%范围内，而方解石的含量多在10%～20%之间，表面该夯土材料含石灰材质[10]。斜长石、微斜长石、含量总和为20%～30%。

表3 夯土中非石灰粒取样部位的XRD分析结果

而胶结材料为绿泥石、云母、白云石，闪石等黏土矿物，比例较为稳定，占10%～20%。绿泥石等黏土矿物作为夯土的胶结材料，浸水后，水贯入土体的孔隙、裂隙当中,细小土粒的吸附水膜便会增厚,从而引起土体颗粒的崩裂解体和体积膨胀变形，导致土体崩解[6-8]。

3.2 含水率、开孔孔隙率和表观密度测试结果与分析

将以上对舍卫城夯土墙各层样品的物理性质测试结果整理得其物理性质如表4所示。

表4 密度和孔隙率测试记录

在选取样品时，取样点近期内无降水记录，且温度较高，故含水率较低。根据前面的论述，可知土体含水量小于 22%时，土体不易崩解[11]。但是孔隙率结果表明样品结构较为松散，孔隙较大，平均开孔孔隙率在30%以上，意味着一旦地下水位上升或降雨后，土体含水量会急剧升高。浸水-干燥-浸水的反复过程会导致夯土的黏土矿物水解，乃至崩解[12-14]。究其原因是土体的干湿循环通过改变土体毛细孔隙中基质吸力、土颗粒表面自由能和可溶盐结晶状态, 扰动土体微结构，改变土体的强度和抗风蚀能力。

3.3 各层样品筛分试验结果与分析

各层筛分试验结果如图2所示。

图2 夯土墙各层样品筛分结果Fig.2 Sample screening results of each layer of rammed earth wall

由粒径累计曲线，可以看出舍卫城夯土墙各层间的粒径分布大致相同。根据粒径累积曲线可由式(7)、式(8)确定颗粒级配的不均匀系数Cu及曲率系数Cc。

(7)

(8)

式中：d10为过筛重量占10%的粒径，mm；d30为过筛重量占30%的粒径，mm；d60为过筛重量占60%的粒径，mm。

经计算，舍卫城的夯土城墙样品Cc约为10，表明其粒度分布范围较大。Cc在0～3范围内，表明缺少中间粒组，各粒组间空隙的连锁充填效应较低，级配不良。对于此种级配不良土，较粗颗粒间的空隙无法被较细的颗粒所充填，密实性不好，有较大空隙，强度较低，在土体浸水后，首先通过孔隙或裂隙渗入，使土体内部产生不均匀应力，导致土体沿着孔隙、裂隙方向崩解。

3.4 耐崩解性试验结果与分析

耐崩解性试验结果见表5。

表5 耐崩解性试验结果

可得如下耐崩解性试验结果。

(1)夯土墙表面风化程度强的区域耐崩解性弱，容易发生掏蚀病害，弱风化样品的耐崩解性强，不易发生崩解。

(2)层内各部位耐崩解性存在较大差异，对于耐崩解性低的试样，砾石含量高的试样较砾石含量低的试样耐崩解性指数更高。

(3)墙体耐崩解性由高层位向低层位呈先减小再增大的趋势。

由此可以推测：城墙在地下水位上升导致的毛细作用或雨水冲刷作用下，首先在风化区域被剥蚀，而毛细水作用夯土墙体的高度受地下水位及夯土孔隙结构的影响，一般在夯土墙体的下部。夯土墙剥蚀后新鲜墙体暴露于空气中，进一步风化；待再一次降水或毛细作用，而进一步掏蚀剥落，不断循环，从而影响墙体的稳定性，直至破坏殆尽[15]。

4 讨论与结论

通过对舍卫城夯土墙矿物成分测试可知，夯土材料的胶结材料为绿泥石、云母、白云石、闪石等黏土矿物，比例较为稳定，占10%～20%。绿泥石等黏土矿物作为夯土的胶结材料，浸水后，水贯入土体的孔隙、裂隙当中,细小土粒的吸附水膜便会增厚,从而引起土体颗粒的崩裂解体和体积膨胀变形，导致土体崩解。

通过对夯土材料的孔隙率结果分析，表明样品结构较为松散，孔隙较大，平均开孔孔隙率在30%以上，意味着一旦地下水位上升或降雨后，土体含水量会急剧升高。浸水-干燥-浸水的反复过程会导致夯土的黏土矿物水解，乃至崩解。

通过颗粒分析实验发现夯土墙级配不良。对于此种级配不良土，较粗颗粒间的空隙无法被较细的颗粒所充填，密实性不好，有较大空隙，强度较低，遇水易崩解。

通过耐崩解性实验可以得出弱风化样品的耐崩解性强，不易发生崩解，表明夯土本身具有较好的稳定性，但是一旦夯土墙受各种环境因素影响，呈现风化状态，风化程度越强的区域耐崩解性越弱，容易发生掏蚀病害。待再一次降水或毛细作用，而进一步掏蚀剥落，不断循环，从而影响墙体的稳定性，直至破坏殆尽。

以上结论表明，夯土本身富含黏土矿物及夯土颗粒分布级配不良是夯土城墙破坏的重要内因，水是舍卫城夯土城墙破坏的重要外因，而水的来源主要有储存的地下水及毛细作用及明显降雨，至夯土墙体饱和，使土体内部产生不均匀应力，导致土体沿着孔隙、裂隙方向崩解。

5 保护建议

针对舍卫城的保存现状、掏蚀及残缺的成因，建议如下[16-17]:

(1)加强对圆明园舍卫城夯土墙体土质和环境因素进行监测，包括夯土墙墙体土质成分分析测试、力学强度测试、遇水崩解试验、冻融试验、可溶盐测试；圆明园自然环境因素监测，包括温度、湿度、风力、雨水和地下水监测；周边环境监测，包括污染气体、震动 监测和人为破坏评价。

(2)墙基加固主要采用土坯和夯土相结合的方法进行支护加固，然后作旧处理。

(3)对已经坍塌的墙体和基础要进行夯补,并注意与原墙体衔接。

(4)对舍卫城墙体表面风化病害部位，可采用特殊的锚固技术与专用的防风化浆液相结合的工艺进行加固。

(5)对处于水道边沿的墙基设置防水挡墙等设施, 使水流不能直接冲击遗址本体。同时在水流冲出的地方建排水沟，排水沟应低于目前的地面，并且保证城墙内部的排水畅通。

(6)另外可采用砾石土进行培筑，在不干扰遗址区环境前提下，就地取材，将砾石土堆积于遗址体的底部，形成一定的坡面，坡度不小于15°，从而把地表水引流远离墙体。

(7)防止人为破坏，防止人为攀爬，盗取夯土造成进一步的破坏。