土遗址冻融耐久性研究进展

2022-01-01同济大学王宇龙

区域治理 2021年26期

同济大学王宇龙

一、引言

土遗址在文化、历史、艺术、科学、经济等方面具有极高的文物价值。我国地域辽阔，自然环境条件复杂，土遗址常分布于冻土、盐渍土等地区。寒区复杂的自然环境中，由于水、热、盐的迁移作用，土遗址产生劣化，出现宏观病害现象，尤其是温度变化引起的冻结作用加速土遗址劣化。土遗址冻融耐久性指低温条件下土体抵抗水、热、盐劣化作用的能力，其表征指标主要包括土体结构、力学性质等。相关研究主要以理论分析和试验研究为手段，试验变量主要包括：不同土体性质，例如土类、初始干密度、含水率等；盐分状态，例如盐类、含盐量、入渗溶液浓度等；试验条件，例如单次循环时长、循环间隔时长、循环始末值、循环次数、围压、水热盐施加方式等。文章归纳了在冻融循环作用下土遗址的结构耐久性和力学耐久性试验研究现状，并分析指出土遗址冻融耐久性研究趋势。

二、研究现状

（一）土遗址结构耐久性

土遗址结构耐久性主要通过土体密度、孔径分布、孔隙率等研究。切片试验表明[1]，冻结试样内部生长了大量冰晶，冷端冰晶更密、更薄，温度梯度越大，冰透镜体越多。冻融循环后黄土形成新的土骨架[2]，高密度土的密度减小，使低密度土的密度增大[3]。原状或重塑黄土随冻融循环次数增多[4]，干密度先增再减最后稳定，大孔隙孔径先减后增，小孔隙孔径先增后减，向某一范围集中。针对汉长城城墙夯土试样[5]，经冻融循环后土颗粒粒径减小，土骨架被破坏。

针对敦煌本地脱盐土的试验表明[6]，掺入不同含量氯化钠、硫酸钠及两者不同比例复合盐的试样在冻融循环后，孔隙变少，盐分逐渐充满孔隙，并利用红外热成像技术，测定了融化过程中试样表面的温度变化。针对青藏高原5个典型地区的明长城粉质黏土或粉质土遗址[7]，发现在冻融、盐渍耦合作用下，水分、盐分的相态变化导致孔隙扩张、土颗粒间的连接变弱，掺入不同含量氯化钠和硫酸钠的试样在冻融循环后的抗风蚀能力降低、抗雨蚀能力降低、强度衰减。

（二）土遗址力学耐久性

土遗址力学耐久性评价指标通常包括：弹性波速、无侧限抗压强度、表面硬度、体积变形、粘聚力值、内摩擦角值、变形/弹性模量、压缩模量、抗拉强度等。针对新疆交河故城原状生土和重塑土[8]，通过干湿、冻融循环试验，以风蚀、强度、微观结构为评价指标来探究遗址土的耐久性，试验表明，冻融循环和干湿循环对土体耐久性改变趋势完全一致。随循环次数增大，原状样强度减小，重塑样强度先增后减。这是由于原状样固结较好，具有结构性，重塑样为欠固结样，循环使重塑样“陈化”，微损伤愈合，但循环超过临界次数后，与原状样相同，结构损伤增多增大，强度衰减。针对西安黄土添加糯米浆的人工制备遗址土[9]，发现冻融循环后试样的应力-应变曲线变为硬化性，呈塑性破坏形式，压缩系数随循环次数增大而增大。

试验表明[10]，温度降低会弱化冻融循环对土体强度的影响，补水会强化冻融循环对土体强度的影响，开放系统冻融后土体粘聚力的衰减幅度和内摩擦角的增长幅度都大于封闭系统条件下的结果。针对永登明长城汪家湾段夯土墙体的塌落块体重塑土[11]，在控制融化温度、循环次数的试验条件下，测定土体纵波波速、无侧限抗压强度、表面硬度、体积变形等数据。试验表明：单次冻融后，融化温度为的土样顶部冻胀率低，表面硬度最低、破坏最严重，外观基本不变；随着循环次数增多，抗压强度均降低，10次循环后，试样冻胀率最高，三种融化温度条件下纵波波速、抗压强度几乎无差别，随融化温度增高，表面硬度增大。针对永登明长城土遗址[12]，设置不同的水力边界，包括覆盖不同厚度积雪或顶部滴渗雪水。试验表明：冻融循环后，顶部入渗水试样抗压强度损失率最大，积雪厚度越大，强度损失率越大；由于积雪的保温效应，积雪覆盖试样中央位置的强度损失进程缓慢；积雪覆盖下，表面硬度损失率随干密度减小而增大，随雪层厚度增大而增大；积雪覆盖试样顶部产生横向为主的裂缝、酥碱和泥皮翻卷。对于含盐冻土试验[13]，随着含盐量增大，土样冻胀率、压缩系数均为先增后减趋势。

三、发展趋势分析

（一）完善耐久性表征指标

低温条件下或者冻融循环后土体的力学性质会发生很大的变化。目前研究中通常采用无侧限压缩试验、直剪试验、弹性波速试验、表面硬度计等方式测定土体力学行为。根据不同工况，以不同应力路径加载得到的各种力学指标，本质上都由土体性质和受力历史决定。因此，一系列三轴试验可以表征某一土体的各种力学行为，土样是否破坏也可以由三轴试验得到的莫尔圆与破坏包络线的关系确定。同时，各种力学指标也可以由破坏莫尔圆得到最大主应力时，最小主应力等于抗拉强度，即；最小主应力时，最大主应力等于抗压强度，当中间主应力为零时，代表无侧限抗压强度。但是，三轴试验对试验条件要求较高。

冻结条件下，土体可以划分为主动区、被动区两个区域，被动区为冻结区，水结冰产生冻胀变形；主动区为水盐迁移区，孔隙水压力在上覆土压力和外荷载作用下逐渐消散，土体产生压缩固结变形。因此，低温环境土体的压缩性质将影响土体的变形。此外，冻结土体中往往产生多层冰透镜体，冰透镜体的产生伴随着土体的开裂破坏，是土体有效应力超过抗拉强度的结果。因此，压缩模量和抗拉强度直接表征了土体在冻结条件下的变形和破坏特性，是冻结条件下土遗址水盐迁移研究的关键参数，但是相关试验较少。

（二）多因素建模

对于土遗址劣化机制，作为导致土遗址病害最活跃的因素之一，盐分显著影响着土遗址在冻融条件下的耐久性。而且，不同盐类、不同浓度溶液连续入渗的盐分循环试验更真实地模拟了土体长期赋存的盐分环境状况。但是，关于盐分、冻融双重作用下的土遗址耐久性试验研究鲜有研究。

研究方法上，目前冻融耐久性试验研究，基本是趋势性的定性研究。也有学者通过数值拟合，建立土体耐久性的某一表征指标随某一影响因素而变化的数学回归模型，但是这些模型参数缺乏实际的物理意义，同时，已有模型未考虑多个因素综合影响下的土体耐久性变化。实际上，通过灰色关联度分析确定各因素的影响权重，结合多因素回归分析，是一种较方便的数学建模方式，但该方式需要大量试验数据支撑，通过各力学指标的关联性分析是一种减少试验工作量的有效路径。

（三）改善试验条件

目前冻结条件下水环境的模拟方式包括：使水分直接入渗[14]，增大试样含水率[8]等。这些方式虽然具体分析了积雪与土体的某一相互作用过程，但是无法真实还原自然积雪时的某些条件：积雪层与土体的水分、温度交换，积雪自身融化，新积雪的产生，积雪与土体接触面的“冻胶结”接触关系，积雪保温、保湿的“锅盖效应”，积雪的加载作用等。直接在试样顶部设置积雪的模拟方式可以综合反映积雪与土体的各种相互作用过程。

综上所述，目前土遗址冻融耐久性研究需要在表征指标、病害产生机制、研究方法以及试验条件等方面展开进一步探索，从而揭示土遗址的劣化机理，为土遗址保护工程实践提供参考。