西北地区典型夯土遗址温度时空变化规律研究*

2022-02-11陈思雨安欣悦王冠众

工程地质学报 2022年6期

关键词：夯土环境温度降温

崔凯陈思雨安欣悦王冠众

(①兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，兰州 730050，中国) (②兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州 730000，中国) (③西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，兰州 730050，中国)

0 引言

夯土版筑作为一种取材、制取简便和历史久远的建造技艺被广泛地应用于生土建筑领域(崔凯等， 2012)。我国西北地区由于气候干燥、地表全新世土状沉积物分布广泛，大量夯土建筑遗址得以留存至今。

表 1 监测点具体信息Table1 Specific information of monitoring points

季节和昼夜温度变化显著是该地区显著的气候特征，露天保存的夯土遗址在长期遭受气温变化作用正在经历着由病害发育到整体消亡的缓慢过程。相关研究表明剧烈的温度变化与夯土体热胀冷缩、热应力集中以及盐分的运移与相变均有密切的关系，是加剧夯土遗址劣化的重要因素(Jia， 2012； Shao et al.， 2013；陈毅， 2018； Cui， 2019；李仁杰等， 2019；曲瑾等， 2020)。遗址内部不同位置土体温度的时空分布以及对环境变化的响应程度与规律对遗址的劣化形式与进程具有关键性的控制作用。

温度变化对夯土遗址带来多种不利影响，对其长期保存产生了极大威胁，因此而引起了广大学者的诸多关注。赵海英等(2003)、Hall et al.(2005)、唐朝生等(2011)、豆静杰等(2015)认为温度会促进蒸发作用产生，从而加速墙体的劣化。梁涛(2009)研究指出吐鲁番高温、强蒸发的气候条件加快了盐向墙体表面的运移速率。张虎元等(2009，2018)发现在结皮的发育过程中，温度起了极为重要的作用，并通过实验对结皮的形成过程进行模拟，发现结皮形成后，温度会促使结皮与母墙存在热流量差，热流量积累导致结皮层与母墙之间的土体发生热胀现象进而加剧土体表层劣化。谢振斌等(2005)认为温湿度变化是水井坊遗址酒窖产生开裂、酥粉现象的主要因素。秦爱芳等(2019)、张斌等(2020)通过试验发现温度对土体固结能力具有显著影响，而夯土遗址体强度与土体固结能力息息相关。虽然众多学者对温度作用下土体性质变化已经有了较为广泛和深入的研究，然而夯土遗址是具有显著地域、时代和工艺属性的一定体量生土建筑，其内部不同位置土体温度的时空分布、对环境响应程度与规律极为复杂，但相应的针对性的研究尚未展开。

基于以上认识，研究选择位于西北地区不同气候区3处明长城遗址作为同一区域、时代和工艺条件下相似体量夯土遗址的典型研究样本，通过年度4个季节现场夯土遗址内部温度及环境温度逐时联合观测与分析，试图揭示了不同气候条件下典型夯土遗址内部温度的时空变化以及其对环境温度变化的响应规律，为研究温度对夯土遗址劣化的影响以及热劣化的防治提供基础依据。

1 监测对象与方案

1.1 监测对象的选取

为了揭示西北地区不同气候区夯土遗址内部温度时空变化规律，典型遗址点的选取要对气候环境与建筑形制具有广泛代表性。因此，现场的监测工作选择在西北地区分布最广、规模最大和类型最丰富的线性夯土遗址明长城遗址上开展，根据该地区近30a(1981～2012年)的气象资料(气象局收集)的分析和遗址代表性的选择结果(表 1)，选择甘肃省山丹县明长城丰城堡镇城堡为干旱区遗址代表、甘肃省永靖县盐锅峡镇明长城烽燧为半干旱区遗址代表、青海省湟中县上新庄镇明长城墙体为半湿润区遗址代表。(下文将上述3处遗址分别简称为山丹夯土遗址、永靖夯土遗址和湟中夯土遗址)

表 2 3处夯土遗址四季监测时间Table2 Monitoring time of 3 rammed earth sites in four seasons

1.2 监测方法与过程

3处典型遗址点的现场监测时间如表 2所示。每处遗址每次监测总时长为24h， 0：00开始、24：00结束，期间每隔两小时采集一次数据。监测内容包含空气和遗址不同部位夯土的温度监测。环境温度监测仪器为FLUKE971温湿度记录仪，温度测量范围：-30～65℃，精度0.5℃；遗址夯土温度监测仪器POGO便携式土壤多参数速测仪，温度测量范围-20～55℃，精度0.1℃。

为了避免对遗址造成损伤，监测在天然断面上进行。监测点布置时要避开病害严重、墙体脆弱经不住人为扰动的部位；遗址纵向夯层明显可辨，监测点布置时以夯层为单位，每个夯层布置一排或两排监测点，横向监测点间距控制在10～15cm之间。监测点要避开两夯层间的层面。以地面和遗址脚趾处为原点建立独立坐标系，确定各监测点坐标位置， 3处遗址监测点及坐标的具体布置情况如图 1所示。图中X表示监测断面宽度，Y表示监测断面宽度(与后文图中X，Y表示含义相同)。

图 1 夯土遗址监测点布置图Fig. 1 Arrangement of monitoring points on earthen sites a. 山丹夯土遗址; b. 永靖夯土遗址; c. 湟中夯土遗址

图 2 夯土遗址环境温度变化图Fig. 2 Graph of environmental temperature of rammed earth sites a. 山丹遗址点; b. 永靖遗址点; c. 湟中遗址点

2 监测结果

2.1 环境温度监测结果

山丹夯土遗址四季环境温度的监测结果显示(图 2a)： ①春季、秋季和冬季3个监测日24h内遗址环境温度变化可分为3个阶段，0： 00～8：00为第1降温阶段，8： 00～14：00为升温阶段，14： 00～22：00为第2降温阶段；夏季监测日时段划分出现差异，即0： 00～6：00为降温阶段，6： 00～16：00为升温阶段，16： 00～22：00为第2降温阶段。②春、夏、秋和冬季4个监测日的最低气温在第1降温阶段的终点出现，最高温度在升温阶段的终点出现，春季最低温度可达-0.9℃，夏季可达15.5℃，秋季可达8.4℃，冬季可达8.9℃；春季最高温度可达16.7℃，夏季可达31.8℃，秋季可达21.2℃，冬季可达4.9℃。

永靖夯土遗址四季环境温度的监测结果显示(图 2b)： ①春季、秋季和冬季3个监测日24h内遗址环境温度变化可分为3个阶段，0： 00～8：00为第1降温阶段，8： 00～14：00为升温阶段，14： 00～22：00为第2降温阶段；夏季监测日时段划分出现差异，即0： 00～6：00为第1降温阶段，6： 00～16：00为升温阶段，16： 00～22：00为第2降温阶段。②春、夏、秋和冬季4个监测日的最低气温在第1降温阶段的终点出现，最高温度在升温阶段的终点出现，春季最低温度可达-0.5℃，夏季可达18.4℃，秋季可达4.4℃，冬季可达-8.2℃；春季最高温度可达16.9℃，夏季可达31.6℃，秋季可达20.1℃，冬季可达4.3℃。

湟中夯土遗址四季环境温度监测结果显示(图 2c)： ①春季、秋季和冬季， 3日24h内遗址环境温度变化可分为3个阶段，0： 00～8：00为第1降温阶段，8： 00～14：00为升温阶段，14： 00～22：00为第2降温阶段；夏季时段划分出现差异，即0： 00～6：00为第1降温阶段，6： 00～16：00为升温阶段，16：00～22：00为第2降温阶段。②春、夏、秋和冬季4个监测日的最低气温在第1降温阶段的终点出现，最高温度在升温阶段的终点出现，春季最低温度可达4.7℃，夏季可达18.9℃，秋季可达6.8℃，冬季可达-7.7℃；春季最高温度可达18.6℃，夏季可达30.2℃，秋季可达18.2℃，冬季可达8℃。

从以上3处典型夯土遗址的四季环境温度的监测结果可以看出其四季监测日环境温度变化具有相同的时间特征，但由于这3处夯土遗址所处的气候区域不同，因而在相应季节温度的具体数值上具有一定差异。

2.2 遗址温度监测结果

图 3 夯土遗址四季温度时空分布Fig. 3 Temporal and spatial distribution of temperature in four seasons at rammed earth sites a. 山丹夯土遗址四季温度时空分布图； b. 永靖夯土遗址四季温度时空分布图； c. 湟中夯土遗址四季温度时空分布图注：图中每处遗址同一时间测得的所有监测点温度为一组，每组监测温度添加一个拟合曲面

山丹夯土遗址监测断面的监测结果显示(图 3a)： ①春季、秋季和冬季， 3日24h内遗址所有监测点温度变化可分为3个阶段，0： 00～8：00为第1降温阶段，8： 00～16：00为升温阶段，16： 00～22：00为第2降温阶段；夏季时段划分出现差异，即0：00～6：00为第1降温阶段，6： 00～18：00为升温阶段，18： 00～22：00为第2降温阶段。②4个季节监测日内第1、第2降温阶段遗址顶部和底部监测点较中部监测点温度稍高，各监测点温度呈凸面状分布；升温阶段遗址顶部和底部监测点较中部监测点温度稍低，各监测点温度呈凹面状分布。监测点间的纵向温差明显，同一时刻监测点间春季的纵向温差为0.9～2.2℃，夏季纵向温差为0.3～2.2℃，秋季纵向温差为0.9～1.6℃，冬季纵向温差为1～1.6℃；横向监测点间的温差不够显著，均为0.1～0.2℃。③所有监测点各季节各阶段温度变化区间不同，第1降温阶段春季温度变化区间为[-0.2℃， 4.9℃]、夏季为[16℃， 20.1℃]、秋季为[8.8℃， 14.3℃]、冬季为[-10.1℃，-6.5℃]。升温阶段春季温度变化区间为[-0.2℃， 15.3℃]、夏季为[16℃， 30.7℃]、秋季为[8.8℃， 20.2℃]、冬季为[-10.1℃， 3.6℃]。第2降温阶段春季温度变化区间为[2.8℃， 15.3℃]、夏季为[21℃， 30.7℃]、秋季为[13.7℃， 20.2℃]、冬季为[-9.5℃， 3.6℃]。其中春秋冬季监测日内山丹监测断面最低温度出现在8：00，最高温出现在16：00；夏季监测日内监测断面最低温出现在6：00，最高温出现在18：00。

永靖夯土遗址监测断面的监测结果显示(图 3b)： ①春季、秋季和冬季， 3日24h内遗址所有监测点温度变化可分为3个阶段，0： 00～8：00为第1降温阶段，8： 00～16：00为升温阶段，16： 00～22：00为第2降温阶段；夏季时段划分出现差异，即0：00～6：00为第1降温阶段，6： 00～18：00为升温阶段，18： 00～22：00为第2降温阶段。②4个季节监测日内第1、第2降温阶段遗址顶部和底部监测点较中部监测点温度稍高，各监测点温度呈凸面状分布；升温阶段遗址顶部和底部监测点较中部监测点温度稍低，各监测点温度呈凹面状分布。监测点间的纵向温差明显，同一时刻监测点间春季的纵向温差为0.6～1.1℃，夏季纵向温差为0.6～1.3℃，秋季纵向温差为0.3～1℃，冬季纵向温差为0.8～1.1℃；横向监测点间的温差不够显著，均为0.1～0.2℃。③所有监测点各季节各阶段温度变化区间不同，第1降温阶段春季温度变化区间为[6℃， 9.1℃]、夏季为[19.6℃， 24.2℃]、秋季为[6.6℃， 9.9℃]、冬季为[-7.5℃，-5.1℃]。升温阶段春季温度变化区间为[6℃， 17.6℃]、夏季为[28.3℃， 29.6℃]、秋季为[6.6℃， 17.1℃]、冬季为[-7.5℃， 2.1℃]。第2降温阶段春季温度变化区间为[7.8℃， 17.6℃]、夏季为[23.6℃， 29.6℃]、秋季为[8.6℃， 17.1℃]、冬季为[-5.6℃， 2.1℃]。其中春秋冬季监测日内永靖监测断面最低温度出现在8：00，最高温出现在16：00；夏季监测日内监测断面最低温出现在6：00，最高温出现在18：00。

湟中夯土遗址监测断面的监测结果显示(图 3c)： ①春季、秋季和冬季， 3日24h内遗址所有监测点温度变化可分为3个阶段，0： 00～8：00为第1降温阶段，8： 00～16：00为升温阶段，16： 00～22：00为第2降温阶段；夏季时段划分出现差异，即0：00～6：00为第1降温阶段，6： 00～18：00为升温阶段，18： 00～22：00为第2降温阶段。②4个季节监测日内第1、第2降温阶段遗址顶部和底部监测点较中部监测点温度稍高，各监测点温度呈凸面状分布；升温阶段遗址顶部和底部监测点较中部监测点温度稍低，各监测点温度呈凹面状分布。监测点间的纵向温差明显，同一时刻监测点间春季的纵向温差为0.9～1.6℃，夏季纵向温差为0.6～2.3℃，秋季纵向温差为0.5～1.9℃，冬季纵向温差为0.9～1.6℃；横向监测点间的温差不够显著，均为0.1～0.2℃。③所有监测点各季节各阶段温度变化区间不同，第1降温阶段春季温度变化区间为[0.8℃， 6.5℃]、夏季为[20℃， 22.5℃]、秋季为[5℃， 6.7℃]、冬季为[-9.4℃，-4.8℃]。升温阶段春季温度变化区间为[0.8℃， 15.8℃]、夏季为[20℃， 30.6℃]、秋季为[5℃， 19.1℃]、冬季为[-10.5℃， 3.6℃]。第2次降温阶段春季温度变化区间为[7.4℃， 15.8℃]、夏季为[18.7℃， 30.6℃]、秋季为[7.6℃， 19.1℃]、冬季为[-4.9℃， 3.6℃]。其中春秋冬季监测日内湟中监测断面最低温度出现在8：00，最高温出现在16：00；夏季监测日内监测断面最低温出现在6：00，最高温出现在18：00。

从以上3处典型夯土遗址断面监测点的四季温度的监测结果可以看出处于西北地区不同气候区3处遗址温度变化存在以下特征： ①从时间角度来看， 3处遗址各监测点温度随时间的变化均存在明显阶段属性，即可按温度变化趋势将其划分为第1降温阶段、升温阶段以及第2降温阶段；此外，阶段性时长变化亦具有显著的季节属性，即春、秋、冬季3个温度变化阶段历时时长相同，夏季则与之不同。②从空间角度来看， 3处遗址断面监测点的温度在不同温度变化阶段呈不同的空间分布特征，即在第1、第2降温阶段各监测点温度在空间上呈凸面状分布，升温阶段呈凹面状分布；而且在任意时刻具有监测点纵向温度差异明显大于横向温度差异的普遍特征。③3处夯土遗址各季节温度变化阶段区间阈值存在明显的地域属性，即相同温度变化阶段同一季节3处夯土遗址温度变化区间上、下限因所处气候区域不同而产生差异。

3 分析与讨论

综合以上3处夯土遗址四季环境温度以及遗址断面温度监测结果可知，位于干旱区、半干旱区和半湿润区夯土遗址四季的环境与遗址监测断面温度变化具有以下规律： ①3处遗址四季监测日环境温度及断面监测点温度随时间变化阶段性划分具有高度的一致性，即无论任何季节均可分为第1降温阶段、升温阶段和第2降温阶段3个阶段。②3处遗址四季监测日环境温度及断面监测点温度随时间变化阶段的起止时间出现共同的差异性，即四季两者第1降温阶段起止时间相同；而遗址断面监测点升温阶段持续时间较环境升温阶段延长2h，第2降温阶段持续时长则缩短了2h。③3处遗址四季监测日环境温度与断面监测点温度的大小关系在不同阶段亦具有一致性，即四季遗址断面的任意监测点温度在第1降温阶段、第2降温阶段中均大于环境温度，而在升温阶段中则均小于环境温度。

从以上定性分析可以得出3处位于不同气候区域的典型夯土遗址断面监测点在4个季节监测日中具有一致性的时空变化规律，并且遗址断面监测点温度对环境温度变化存在规律性的响应。因此，有必要在定性分析的基础上，从定量的角度来揭示四季夯土遗址断面监测点的时空分布以及其对环境变化的响应。

3.1 遗址断面温度时空变化规律

通过以上3处夯土遗址断面四季温度时空变化规律的定性分析，可知监测日内遗址断面监测点温度自升温阶段止点(当日最高温度点)呈下降趋势，并在第1降温阶段止点达到最小值；监测日内遗址断面内监测点温度在升温阶段整体呈上升趋势，并在升温阶段的结束时间点达到最大值。基于以上规律，选取第1降温阶段止点(春秋冬8：00，夏6：00)以及升温阶段的止点(春秋冬16：00，夏18：00)的遗址断面监测点温度作为夯土遗址时空规律进行定量化研究的典型代表。

对以上时间点的夯土遗址断面监测点温度进行拟合分析，分析结果显示(图 4、表 3)： ①四季3处遗址典型时间点断面监测点温度的拟合方程T=a+bx+cy+dx2+ey2(式中：x、y分别表示监测点的横向和纵向位置)的相关性系数均大于0.8，表明其具有良好的相关性；第1降温阶段止点遗址断面监测点温度的拟合方程系数d、e小于0，拟合曲面呈凸状。升温阶段止点遗址断面监测点温度的拟合方程系数d、e大于0，拟合曲面呈凹状。②四季3处遗址典型时间点断面监测点同一地点同一时刻拟合方程的系数c的绝对值大于b的绝对值，e的绝对值大于d的绝对值，y变化对T值的影响大于x变化对T值的影响。

由2.2节所反映出的定性特征和以上定量结果联合分析，表明四季3处遗址点温度变化特征与定量分析结果构成了很好的呼应，共同显示处于西北地区不同气候区3处遗址温度变化存在时空变化规律： ①3处遗址各监测点温度按变化趋势可分为第1降温阶段(春秋冬0： 00～8：00，夏0： 00～6：00)、升温阶段(春秋冬8： 00～16：00，夏6： 00～18：00)以及第2降温阶段(春秋冬16： 00～24：00，夏18：00～24：00)。②第1、第2降温阶段四季3处遗址断面各监测点温度呈凸状曲面分布，拟合方程符合二元二次方程法则，二次项系数均小于0，方程中y、y2项系数绝对值分别大于x、x2项系数绝对值。③升温阶段四季3处遗址断面各监测点温度呈凹状曲面分布，拟合方程符合二元二次方程法则，其中二次项系数均大于0，方程中y、y2项系数绝对值分别大于x、x2项系数绝对值。

图 4 山丹夯土遗址四季典型时间点温度空间分布及拟合结果Fig. 4 The fitting result and spatial regularity of temperature in typical time four seasons of Shandan Rammed Earth Site a. 山丹2018.3.19 8：00(春)； b. 山丹2018.3.19 16：00(春)； c. 山丹2017.7.31 6：00(夏); d. 山丹2017.7.31 18：00(夏); e. 山丹2017.9.28 8：00(秋); f. 山丹2017.9.28 16：00(秋); g. 山丹2018.1.11 8：00(冬); h. 山丹2018.1.11 16：00(冬)

表 3 四季永靖与湟中夯土遗址断面监测点温度拟合分析结果Table3 The temperature fitting equations at the monitoring points of the Yongjing and Huangzhong rammed earth sites in the four seasons

3.2 遗址温度对环境响应规律

由以上定性分析结果亦可知四季3处遗址断面监测点温度对环境温度变化存在规律性的响应。为了进一步寻找这种规律性响应中可能存在的量化对应关系，基于监测点温度变化与环境温度变化的响应关系本文特提出特征值——响应速率，对两者之间可能存在的量化对应关系进行研究。

定义响应速率为某一阶段内遗址断面监测点温度变化速率与环境温度变化速率的比值，用I表示。夯土遗址温度在某一阶段的平均变化速率用K1表示，公式如式(1)，其中，ΔT1为某阶段夯土遗址的温度变化量； Δt1表示相应阶段时间的变化量；环境温度在某一阶段的平均变化速率用K2表示，公式如式(2)，其中，ΔT2为该阶段环境温度的变化量； Δt2表示该阶段时间的变化量。响应速率公式可表示为式(3)。

(1)

(2)

(3)

对3处夯土遗址四季第1降温阶段、升温阶段以及第2降温阶段3个温度变化阶段的温度响应速率进行处理与分析，分析结果显示(图 5、表 4)： ①四季3处夯土遗址的3个温度变化阶段响应速率的拟合方程I=a+bx+cy+dx2+ey2(式中：x、y分别表示监测点的横向和纵向坐标位置)的相关性系数均大于0.64，表明其具有良好的相关性； ②四季3处遗址断面监测点同一地点同一阶段拟合方程的系数c的绝对值大于b的绝对值，e的绝对值大于d的绝对值，y变化对I值的影响大于x变化对I值的影响。因而响应速率在纵向上的变化明显大于横向上的变化。③四季3处遗址在第2降温阶段的响应速率最大，升温阶段的响应速率相对最小。④四季3处夯土遗址监测断面温度响应速率在3个温度变化阶段中均具有纵向上中部最小，顶部和底部相对较大，横向上中部最小，两侧最大的变化规律。

图 5 山丹夯土遗址四季响应速率空间分布图Fig. 5 Spatial distribution map of response rate in four seasons of Shandan rammed earth site a. 春季； b. 夏季； c. 秋季； d. 冬季

表 4 四季不同温度变化阶段永靖夯土遗址及湟中夯土遗址断面监测点响应速率拟合方程各项系数值Table4 The coefficient values of the fitting equations for the response rate of the monitoring points of the Yongjing rammed earth site and Huangzhong rammed earth site at different temperature changes in the four seasons

3.3 讨论

以上四季3处夯土遗址断面温度监测结果与分析研究显示：位于不同气候区域的3处典型夯土遗址监测断面在4个季节每个温度变化阶段的纵向温度均具有显著的变化范围以及响应速率变化，即遗址温度变化范围以及响应速率由顶部和底部向中部递减；同时横向上遗址温度变化范围以及响应速率由两侧临空面向中部也存在一定程度的递减。而且3处夯土遗址在4个季节3个温度变化阶段中第2降温阶段温度变化范围以及响应速率均最大，升温阶段温度变化范围以及响应速率变化均最小。

温度是造成土体劣化的重要因素，环境温度的剧烈变化会导致不同位置遗址土体温度也产生不同程度的剧烈变化；各部分土体不同程度的温度变化会导致其胀缩程度不同而相互之间产生张力，从而遗址内部土体出现温差应变，使得土体因热应力疲劳而产生破坏。冲沟、掏蚀以及片状剥离等是西北干旱区夯土遗址最为典型的几类病害。冲沟从墙体顶部开始发育，顺墙面向下延伸；掏蚀普遍产生于遗址墙体底部，向墙内凹进；片状剥离多见于遗址墙体表面两侧，由外至内逐步发育。研究对3处位于西北地区不同气候区夯土遗址四季环境以及遗址断面温度的实时监测及分析所得到的遗址中部土体受环境温度影响程度最小，顶部和底部土体受环境影响程度最大的结果对这3种病害的共识发育规律提供了有力的数据支撑。