定远营遗址稳定性和微观劣化的研究

岳建伟， 李嘉乐， 王思远， 陈 颖， 邢旋旋， 杨 雪

(河南大学土木建筑学院， 开封 475004)

土遗址是研究中国古代建筑史、城建史的重要实物资料，也是中华民族文化传承的重要载体。土遗址受自身材料属性的限制，呈现出相比砖石质建筑强度低、水稳定性能差的特点，作为与赋存环境相统一的有机整体，土遗址在时间和空间双重效应作用下，长期经受毛细水和雨水侵蚀及冻融和干缩的反复作用，出现了不同程度的表面剥离、基础掏蚀、裂隙冲沟等破坏，加之自然灾害、人为破坏，大批土遗址正在经历从病害发展到消亡殆尽的过程[1-3]。

西北地区土遗址得益于干旱少雨的气候，遗址保存条件相比其他地区具有较好的优势。以内蒙古定远营城址为例，目前仍可依据残存区域考究原城址的形态和规模。但是在长期的风蚀雨蚀、冻融循环等破坏下，定远营城址残存段已呈现大规模的病害特征。任克彬等[4]研究了在雨水和地下水作用下土遗址强度的变化，从微观层面揭示了毛细力作用下灾害的发展规律。崔凯等[5]基于明长城遗址的表面剥离病害，总结了干旱区土遗址剥离的平面和剖面形态。文献[6-9]利用多种改性材料对遗址土进行改良，通过室内模拟实验对比了加固前后夯土的力学性能，验证了材料对提升夯土性能具有一定的积极作用。

基于已有的土遗址研究成果，通过微观和宏观相结合的方法，开展定远营城墙修复工程前期的分析工作。基于对该遗址的现场勘查、取样测试等多种方法分析遗址土的力学性能[10-11]，结合土样微观结构测试分析，探讨土遗址遭受的病害机理和发展机制。利用有限元数值模拟，得到多个工况条件下土遗址的应力和变形分布，讨论定远营城墙残存部分的安全稳定性能，总结针对定远营城墙稳定性评估所获取的各项结果，旨在揭示残存土遗址的真实状态，避免土遗址修复方案的盲目性。

1 定远营城址概况

定远营城址位于内蒙古自治区阿拉善盟南部，是今阿拉善左旗巴彦浩特镇旧称，地处贺兰山西麓的洪积扇上，东临贺兰山，西靠腾格里沙漠。城墙大部分为夯土筑成，夯土层厚度约10 cm，外层以青砖砌成。城墙始建于1730年，历经290年，该城占地东西长超过500 m，南北宽约500 m，周长约1.65 km，面积约0.25 km2。

无人机航拍图如图1所示，定远营城墙现存8段，第3、6、8段基本保存原有形制，其余墙段破坏较为严重，原有痕迹也依稀可见，其中第8段遗址基本保存了原城墙下宽上窄的形制。结合现场勘查和评估，对残存城墙的各段保存现状做出如下总结。

图1 定远营城墙现状

第3段城墙墙体剥落较为严重，图2(a)中表现了墙体受雨水和积雪破坏而发生的外层剥离和脱落，同时顶部在雨水冲刷作用下有进一步降低残存墙体高度的趋势，阴角处存有多个较大的竖向贯穿裂缝和冲沟，降低了对外侧墙体的约束，墙体上因人为取土的破坏，分布有多个洞口，东段遗存一处人工窑洞，这些开口处形成的应力集中区将对墙体稳定性造成威胁。

第6段城墙墙体的剥落较为严重，从图2(b)中可以看出，表层土体已经完全丧失原有夯土层的纹理特征，出现了大范围的片状结皮和粉状脱落。在图2(c)中，城墙北侧与规划用地高差悬殊，导致基底直接暴露，形成了贯通的掏蚀槽，薄弱处极易发生坍塌。墙体存在典型的裂隙型冲沟和径流型冲沟，发展程度也较为复杂，易发生和其他本体病害相联合的综合性破坏。图2(d)中人为的掏蚀取土对内部结构造成破坏，同时夯土层的暴露加剧了内部墙体的破坏速度，在修缮过程中亟需采取措施。

第8段城墙墙体保存程度较为完好，如图2(e)所示，外表层部分区域经过修缮处理减缓了破坏，但墙体已产生较多裂缝，修缮过程中应当注意区分墙体裂缝和保护层裂缝。在勘察过程中发现，墙体上发育出多个孔穴式的土体缺失，雨水侵蚀可能进一步加重破坏，同时外保护层和墙体交界处发生剥离，上部砌体产生的荷载对墙体的稳定性造成一定的负担。

对于其余部分墙体，都不同程度表现出了由于雨水冲蚀作用所产生的结皮和冲沟，受盐碱破坏，底部多发育有掏蚀洞和掏蚀槽，基底悬空较严重。墙体表面同样存在因冻融循环而出现的表层酥化和脱落。部分区域遭受到植物根系扩张和虫害掏蚀，对墙体的安全存在隐患。在图2(f)中，第2段城墙周围的人为取土导致了墙体基底的暴露，基底卵石层间土壤流失，墙体易发生因基底失稳产生的崩塌破坏。

图2 定远营城墙破坏现状

2 遗址的力学性能和稳定性

2.1 基本物理指标测试

测试用土来自于定远营城墙遗址的现场取样。由于文物保护的特殊要求，实验中秉承尽量减少土样消耗的原则，结合《土工试验方法标准》[12](GB/T 50123—2019)对遗址土的天然含水率、颗粒级配、黏聚力和摩擦角进行了室内测试。利用烘干法获得了4块土样的天然含水率，分别为4.21%、4.44%、4.53%、4.67%，即平均含水率为4.46%。利用筛分法得到的土样颗粒级配的分析结果，如表1所示；采用轻型击实试验法得到了5组土样的含水率和干密度，将5组数据拟合后得到最大干密度为1.63 g/cm3，最优含水率为11.07%，拟合曲线如图3所示。

图3 含水率-干密度关系曲线

2.2 力学性能测试

2.2.1 无侧限抗压试验

选取采集的不同位置土样，将原状土样加工成边长为50 mm的立方体，共计3组9块，进行无侧限抗压强度测试，得到3组抗压强度数据分别为：第1组1.63、1.67、1.59 MPa，平均值为1.63 MPa；第2组1.97、1.91、1.93 MPa，平均值为1.94 MPa；第三组1.83、1.86、1.92 MPa，平均值为1.87 MPa。可见遗址土抗压强度远高于一般土，有效提高了土遗址的安全性。

2.2.2 三轴试验

为了解遗址土在水作用下强度的变化特征，基于试验所获取的最大干密度，开展了不同含水率条件下的重塑土固结不排水静三轴试验，试验设定围压分别为100、200、300、400 kPa，含水率分别为6.5%、9.0%、11.0%、13%、15.5%，所有试验在保证轴向应变约0.5%/min，剪切速率为0.1 mm/min的条件下进行，所得各项指标如表1所示。

基于表1中的试验结果绘制遗址土的强度变化折线图，如图4所示，可以判断遗址土的黏聚力随着含水率提升整体呈下降趋势，当在含水率为9%、11%、13%的条件下，黏聚力减小趋势放缓并保持基本稳定，摩擦角会随着含水率继续减小。结合表4可知，该遗址土为盐渍土，土颗粒间通过液桥联结，含水率在一定范围内时，黏聚力由颗粒间液桥产生的表面张力和土体中离子间的范德华力充当[13]，在这种情况下可以解释黏聚力基本稳定、摩擦角不断减小的现象。

表1 三轴试验结果

图4 夯土的力学特性

2.3 稳定性分析

利用ABAQUS软件对城墙的整体稳定性进行分析，采用强度折减系数法，对损伤严重的多个部分进行三维建模，建立土遗址的有限元模型。以第6段墙体三维模型为代表并分析墙体的稳定性，模型使用C3D8R单元，第6段模型的网格尺寸0.4，单元和节点数量分别为4 970和6 765，模型底部使用固定约束，在墙体基底以下y平面上限制y方向上的位移，在x平面上限制x方向上的位移。共设置以下两个工况。

工况1：墙体所有土体含水率为6.5%，使用温度场模拟目前墙体自然稳定状态下30 d内的稳定性发展状况。

工况2：墙体所有土体含水率为15.5%，在工况1劣化的基础上，使用渗流作用来模拟墙体集中降雨72 h状态下的稳定性发展状况，假定遗址周围排水不畅。

图5 6号段位移云图

在工况1的假设下，城墙经历30 d自然稳定条件下的破坏演化，其侧立面遗址土存在有剥离脱落的趋势，但位移量级较小，短时间内不会发生突发性的破坏。自然状态下，遗址土也会存在缓慢的劣化，尤其基底位置的掏蚀较为严重，在模型中的框选部分，基底位置的水平位移相比上部区域整体偏大，而在实际环境中，盐渍、渗流等因素对遗址土基底的破坏也更为严重，因此基底遗址土体内孔隙扩张，骨架塌落，颗粒间联结减弱，易出现掏蚀破坏[3]。当城墙在工况2的假设下，持续降水致使土体含水率增大，在一定范围内土体的黏聚力相对稳定，摩擦角则持续减小；若含水率继续增大，土体的抗剪强度整体下降，墙体的整体强度随之下降。因此，相比工况1中的位移，两端墙体在工况2的设定下均产生了较大量级的位移，且最大位移集中发生在图5(a)中圈选的基底部位，在持续的雨水侵蚀下，掏蚀部位贯通形成图5(b)所示的掏蚀槽，致使城墙产生临空区，对稳定性造成了威胁，此时墙体侧立面易发生崩塌。

图6所示为在墙体坡顶中部的提取的安全系数与y方向位移的关系图。墙体所有土层含水率为6.5%时，稳定性系数为2.23，在72 h降雨过程中土体含水率上升至15.5%，此时墙体处于雨水浸泡状态，稳定性系数为1.67。自然状态下城墙保持着基本稳定的状态，劣化病害在发育期内不足以对墙体稳定性构成突发性威胁，但随时间发展和干湿循环、冻融循环叠加性的破坏，需要着重注意墙体自身的稳定性问题和薄弱结构面的发展。降雨期城墙的稳定性系数降低致1.7左右，表明雨水对遗址墙体强度存在一定的影响，若雨水和已存在的病害共同对墙体构成复杂的联合破坏，稳定性系数继续降低，潜在的坍塌、崩塌失稳威胁到遗址的保存。因此，建议在现有保护措施的基础上，进一步优化城墙的排水散水措施，对表层裂隙、冲沟和掏蚀区及时封堵，降低渗流破坏，同时采取措施降低基底部位夯土的吸水，提高墙体外表面的防水能力，整体上控制含水率在合适区间。

图6 第6段墙体安全系数

3 遗址土X射线衍射和扫描电镜图像分析

现场勘查可以初步判断，定远营遗址土受自然侵蚀的影响已经出现了夯土内外表观不一致的现象，为进一步分析外营力对于遗址的破坏影响，收集夯土外表和内部的多份土样，通过元素分析、矿物组成和微观结构等试验分析夯土的特性，探究内外夯土出现差异的原因，为遗址的后期修缮和保护提供支持。

3.1 矿物组成分析

试验基于X’Pert PRO型X射线衍射仪进行分析，对4组待测土样研磨至颗粒分散，放入设备进行X射线衍射分析，汇总的衍射图谱和金属氧化物成分如图7、图8所示。

图7表明定远营遗址土成分中主要为SiO2和Na (AlSi3O8)，汇总结果发现该遗址土的物质组成中石英、长石的含量占较大比例，除此之外掺杂了绿泥石、白云石等，图8中显示夯土内外层金属氧化物成分类别基本一致，表明定远营遗址土的主体和脱落部分矿物成分类别基本没有差别。夯土遭受破坏而产生的脱落部分并没有改变原有夯土的基本矿物组成类别，但遗址外层面和内部土样有一定差异，易受外界环境影响的物质在外层较少，而是表现为土体在盐分物质和结构上的差异，因此，温差变化、水盐迁移等物理侵蚀是导致遗址土劣化的根本原因[14]。

结合定远营所处地理位置分析，定远营所处区域昼夜温差较大，以冬季为例，雨雪气候、气温升降等环境因素的变化对定远营遗址的保存影响显著。在降雪过程中，外部气温降低引起遗址土内部的温度场发生变化，在融雪或降雨过程中，集聚在墙体表面的水分渗透到遗址土内部，使其渗流场发生改变，土体中的盐分溶解在孔隙水中，一旦温度升高，受水分蒸发和毛细作用影响，内部水分将裹挟着盐分向城墙的表面和底部做二维运移[15]，土体中的孔隙为水盐迁移提供了通道。在冻融循环和结晶-溶解的反复作用下，对遗址土的破坏逐步严重。一方面土颗粒间空隙丧失支撑不断发展，颗粒骨架的连接方式改变，导致土体蓬松；另一方面因膨胀产生的微裂隙不断发育，甚至相互贯通，使土颗粒间的联结力减小甚至丧失，极易发生剥离。

表2和表3的X射线衍射结果显示，遗址土中主要的盐分和氧化物内外层含量不一致，总体上外层土的盐分含量高于内部土，说明定远营遗址土在温度场、渗流场、蒸发和毛细作用等因素的影响下出现对干湿循环、冻融循环、盐渍耦合作用等的劣化现象，实质上就是在水-热-盐机制的主导下发生了水盐迁移，导致外部夯土劣化，为后续发生的基底掏蚀、片块状脱落和坍塌提供了发育条件。因此如何有效抑制土遗址内的水盐迁移，阻止或降低毛细作用破坏是当前土遗址保护研究的一个重要课题。

图7 X射线衍射图谱

图8 土样氧化物衍射分析

表2 土样盐类成分

表3 土样氧化物成分

3.2 微观结构分析

基底掏蚀、片块状剥离和坍塌是西北地区土遗址较为典型且普遍存在的病害特征，为了进一步探究病害发育对土遗址产生的结构性破坏，在上述宏观层面劣化讨论的基础上，对定远营遗址土进行电镜分析。试验利用日本Su-1500型扫描电子显微镜对试样扫描，选取城墙上多个位置土样进行扫描分析，观察所获取的土颗粒形态、孔隙特征，利用土遗址微观特征进一步佐证其在自然因素下病害的发育。

图9 内外部夯土电镜图样

图10 颗粒骨架状态

选取城墙内外部遗址土进行电镜扫描，图9所示为1 000倍视角下遗址土微观结构图样，外部遗址土相比内部遗址土的土颗粒排列稍显松散，孔隙也较多，这是由于墙体外部遗址土直接暴露在自然环境中，对冻融循环、干湿循环、热致劣化和风蚀雨蚀的劣化响应明显[16-17]，劣化过程也更为迅速。遗址土在自然条件下以非饱和状态存在，正常状态下基质吸力处于稳定状态，如图10所示，土体在干湿循环状态下发生水分的反复变化，土颗粒因毛细力的不平衡导致颗粒位置错动，导致土体的颗粒结构改变[18-19]，土体的反复收缩变形，从而引发了电镜图中呈现的裂隙。

图11 内外遗址土的孔隙形态

土体中存在天然孔隙和节理裂隙，可认为遗址土存在初始损伤[20]，但不影响遗址的完整性。干湿循环后遗址的损伤裂隙出现在原有的裂隙周围并不断发展，图11所示为在5 000倍视角下揭示了随干湿循环次数增加，这些损伤裂隙逐渐向深长宽的趋势发展，裂隙分叉和贯通网发展成裂隙断裂带[21]，最终形成以初始损伤部位发育主裂隙，周围伴生次裂缝的损伤形态，主裂隙如图11(a)框选部分所示，次裂隙分布在其周围，此时遗址的结构性丧失，宏观上表现出遗址破碎、块状剥离的现象。遗址土内外蒸发速率的差异导致含水率分布不均匀，因此含水率梯度对裂隙发育起到了关键作用[22-23]，基于双电层理论认为土颗粒在表面张力作用下相互靠拢致使遗址发生变形，变形差加剧的过程引发了遗址拉应力势能的积聚，一旦拉应力超过抗剪强度，遗址便产生裂缝，而在多次干湿循环后，裂隙不断拓展直到割裂遗址发生剥离。因此，提高城墙表面的防水能力，减弱干湿循环作用影响，是提高土遗址稳定性的一个主要途径。

4 结论

(1)定远营遗址土的病害形态具有典型的西北地区土遗址劣化特征，主要是自然风化、干湿循环、冻融循环、雨水侵蚀、风沙流侵蚀等引起的墙体酥碱、片块状剥离、裂隙冲沟和掏蚀，同时含有因人类活动引起的人为取土和违建破坏。结合ABAQUS软件的三维模拟得到，城墙在自然状态下劣化缓慢，连续的降雨导致含水率升高，安全系数降低，在数值模拟中墙体处于稳定状态，而在现实情况中，降水可能会激发多种病害联合破坏的机制，导致局部崩塌和滑坡。

(2)X射线衍射结果表明水盐迁移是导致墙体内外氧化物和易溶盐含量不同的主要原因，基于XRF的分析为土遗址的后期维护提供思路；城墙遗址土的扫描电镜图像展示了遗址内部孔隙、结构特征，从细观角度揭示了劣化作用下遗址土的颗粒结构变化。

(3)通过宏观和微观多层次的拟合分析，结合定远营修缮现状，最后建议采取有效措施改善城墙的排水能力，提高外表面的防水能力。但地下水对墙体的侵蚀尚未详细讨论，因此对于地下水侵蚀的防治需要进一步研究。