周鵬，柴新軍，吳莉民，劉點(diǎn)，鄧凱

（東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西南昌 330013）

0 引言

中國(guó)的“文物十五”計(jì)劃實(shí)施和2015年愿景（綱要）都旨在重點(diǎn)加強(qiáng)土遺址文化的保護(hù)工作。根據(jù)環(huán)境條件的不同，土遺址加固技術(shù)分為干旱條件下的加固技術(shù)與潮濕條件下的加固技術(shù)，近些年關(guān)于這兩種環(huán)境條件下的加固技術(shù)都有不同程度的研究。如孫滿利等[1-2]采用木質(zhì)、竹質(zhì)錨桿、固化漿液對(duì)交河故城、敦煌河倉(cāng)城進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加固試驗(yàn)，取得了良好的效果。諶文武等[3]采用化學(xué)灌漿材料對(duì)土遺址加固保護(hù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加固后土體的力學(xué)強(qiáng)度和材料的耐久性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)干旱條件下，化學(xué)加固劑能有效保護(hù)土遺址。得到的結(jié)論是SH加固劑在抗壓強(qiáng)度、抗水侵蝕性上優(yōu)于糯米漿。楊海軍等[4]主要對(duì)加固土遺址的材料方面做了相關(guān)研究，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試樣耐水性、抗雨水沖刷性、土體抗剪性進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同加固劑對(duì)土遺址穩(wěn)定性的影響并做出了評(píng)價(jià)，研究結(jié)果表明聚氨酯聚丙烯酸酯乳液石灰混合材料能有效對(duì)土遺址進(jìn)行加固，并針對(duì)該土體優(yōu)化了混合材料的配比。

在潮濕環(huán)境條件下土遺址保護(hù)仍存在較多技術(shù)問(wèn)題和方法的選用問(wèn)題，至今為止，保護(hù)土遺址的措施還處于探索階段。張虎元等[5]等發(fā)現(xiàn)在潮濕環(huán)境下土遺址病害的誘發(fā)原因是地下水位升降、空氣干濕度的變化等等，這些原因?qū)е峦吝z址存在收縮和開(kāi)裂、水融崩解等病害。周杰[6]分析土遺址小裂隙破壞機(jī)理，認(rèn)為外界水分通過(guò)小裂隙對(duì)土遺址穩(wěn)定性影響較大。曾芳金等[7]通過(guò)塑料板排水處理軟土，能夠加速土體抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)。王南等[8]對(duì)文物保護(hù)研究試驗(yàn)地進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，采用系列設(shè)備監(jiān)測(cè)開(kāi)挖坑壁的沉降值、水平位移的變化，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖坑體沉降以及坑壁的側(cè)向水平位移都隨著時(shí)間呈現(xiàn)不同程度的變化，并且不呈線性增長(zhǎng)，遺址土孔隙比隨時(shí)間變化區(qū)間較大。反映出黏性土排水固結(jié)及孔隙水壓力消散的過(guò)程較為復(fù)雜。王旭東[9]通過(guò)分析潮濕環(huán)境下土遺址病害的成因及主要類型，發(fā)現(xiàn)潮濕環(huán)境土遺址保護(hù)應(yīng)從控制遺址土的含水量著手，并通過(guò)調(diào)節(jié)含水率可將潮濕的遺址土保護(hù)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍镞z址土的保護(hù)問(wèn)題。王彥兵等[10]運(yùn)用PS溶液加固潮濕環(huán)境下土遺址，對(duì)含水率不同的遺址土試樣進(jìn)行了固結(jié)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固結(jié)后土樣的壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度都有適當(dāng)提高，同時(shí)也給出了較為合適的含水量區(qū)間，但是對(duì)于后期土體穩(wěn)定性很難給出判斷與評(píng)價(jià)。張秉堅(jiān)等[11]對(duì)潮濕環(huán)境進(jìn)行了界定劃分，認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間處于18%的含水量環(huán)境處于潮濕狀態(tài)，對(duì)于新開(kāi)挖的土遺址，這個(gè)數(shù)值并不是很準(zhǔn)確，同時(shí)增大了保護(hù)的難度。司馬高飛[12]對(duì)細(xì)竹質(zhì)錨桿加固潮濕環(huán)境下土遺址的可行性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)竹制錨桿的錨固力隨錨固長(zhǎng)度的增加而增加，且隨土壤的稠度狀態(tài)由硬塑狀態(tài)到堅(jiān)塑狀態(tài)，錨固力也隨之增大。

由于受到不同程度的溫濕變化、大氣干濕循環(huán)、地下水升降等因素的影響，處于潮濕環(huán)境下的地下土遺址開(kāi)挖后，坑壁的滑塌病害成其為主要病害之一。以田螺山地下土遺址坑壁滑塌病害為例，結(jié)合土遺址保護(hù)原則，提出采用柔性排水木錨桿技術(shù)治理土遺址坑壁滑塌病害。本文通過(guò)三種室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)對(duì)田螺山地下遺址土的固結(jié)特性、柔性排水木錨桿排水固結(jié)效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，為田螺山土遺址坑壁滑塌病害的治理提供技術(shù)支撐。

1 排水木錨桿排水加固機(jī)理

潮濕環(huán)境下地下土遺址由于含水量較高，自身抗剪強(qiáng)度低，單純木錨桿加固難以有效地治理坑壁滑塌病害。課題組基于土遺址加固原則和滑塌病害力學(xué)機(jī)理，提出采用柔性排水木錨桿技術(shù)治理地下土遺址。通過(guò)在錨桿周身包裹排水土工布作為排水結(jié)構(gòu)層，通過(guò)排水固結(jié)適當(dāng)提高遺址土本身的抗剪強(qiáng)度。提高遺址土的自穩(wěn)能力。因此，柔性排水木錨桿兼具排水固結(jié)以及加筋兩重作用，以上為排水木錨桿的加固機(jī)理，如圖1所示。

另外，柔性松木桿具有較小的彈性模量，能夠與土體共同抵抗外力作用，具有較好的協(xié)調(diào)變形能力，同時(shí)具有較小的剪漲與收縮性，而且松木含有大量松脂，兼?zhèn)淞己玫哪透g性。同時(shí)，排水松木桿具有可逆性，這是修復(fù)土遺址的突出優(yōu)點(diǎn)。

圖1 柔性排水木錨桿室內(nèi)模型示意圖

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)方案

2.1 土樣采集及物理指標(biāo)測(cè)試

土樣取用杭州市余姚市的田螺山遺址土，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL 237-1999[13]對(duì)土樣的基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。將其烘干后充分碾磨并過(guò)0.05mm篩，其基本物理性質(zhì)如表1所示。由土粒比重分析可知該土樣有機(jī)質(zhì)含量較高，依據(jù)塑性指數(shù)得知該土為粉質(zhì)粘土。

表1 土樣基本物理參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

固結(jié)試驗(yàn)采用兩種試樣高度、兩種排水方式及兩種試樣類型相互組合的方式進(jìn)行，具體如2表示。

表2 試驗(yàn)方案

2.3 柔性排水松木錨桿制備

采用直徑10mm，長(zhǎng)度為300mm的松木錨桿。外包裹土工布用細(xì)小的針織線綁扎牢固。試驗(yàn)前將制作好的排水木錨桿置于水中24h，以排除土工布與松木桿材料本身的吸水能力干擾。

2.4 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)工況與實(shí)際工程相吻合，采用1:1的比例模擬現(xiàn)場(chǎng)，制作了直徑100mm，高度300mm圓柱狀模型試驗(yàn)裝置，承壓板規(guī)格與傳力柱尺寸（外徑90mm、高度200mm、內(nèi)徑20mm）相同。

2.5 排水固結(jié)試驗(yàn)加載方案

控制試樣初始含水率不變，荷載等級(jí)分別為6.25kPa、12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa，每級(jí)荷載固結(jié)完成后，記錄土體的壓縮量，根據(jù)時(shí)間平方根法求出固結(jié)系數(shù)。

2.6 十字板剪切試驗(yàn)

為了探究分級(jí)加壓固結(jié)后土體自身的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)情況，將200kPa荷載固結(jié)完成后的試樣卸荷并立刻進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器選用室內(nèi)電動(dòng)十字板剪切儀。由式（1）、（2）計(jì)算土體的抗剪強(qiáng)度。

式（1）、（2）中：S為十字板剪切強(qiáng)度（kPa），M為剪切抵抗矩（Nm），K為剪切葉片參數(shù)，D為葉片寬度 （mm），H為葉片高度（mm）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 沉降量-時(shí)間的關(guān)系

N1、N2、N3三種試驗(yàn)土體固結(jié)后沉降量與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示，固結(jié)系數(shù)如表3所示。圖2中，試樣高度越高，其單位時(shí)間內(nèi)的沉降量越大。相同條件下，300mm豎向加徑向固結(jié)排水試樣的沉降量均高于300mm豎向固結(jié)排水的試樣，200kPa即第144h時(shí)三條曲線的沉降量分別為3.76mm、52.20mm、63.91mm，從圖分析可知，300mm高度試樣均有繼續(xù)沉降趨勢(shì)，但無(wú)松木桿試樣的沉降速度明顯放緩，說(shuō)明外包土工布松木桿能有效加快試樣排水固結(jié)的速率。2～3mm厚度土工布能夠提供一層徑向排水途徑。由表3可知，相同壓力作用下松木桿排水過(guò)程中固結(jié)系數(shù)比純豎向大，且隨著壓力增大固結(jié)系數(shù)增大。固結(jié)壓力為200kPa時(shí)，排水松木桿處理的柱狀土層固結(jié)系數(shù)大約是300mm高度豎向排水的1.38倍。

3.2 孔隙比-固結(jié)壓力之間的關(guān)系

孔隙比與固結(jié)壓力關(guān)系如圖3所示，20mm高度試樣與300mm高度純豎向排水試樣的壓縮曲線無(wú)明顯區(qū)別，相同固結(jié)壓力下，孔隙比與排水路徑有較大關(guān)系。排水松木錨桿處理的柱狀軟土層早期固結(jié)沉降效果較明顯，0～6.25kPa時(shí)孔隙水消散最快，有助于土體前期強(qiáng)度的提高。50～200kPa段孔隙比變化較大，同時(shí)說(shuō)明隨著固結(jié)壓力增大，孔隙比變化趨勢(shì)較明顯，排水松木桿能夠保持較好的排水效果。

表3 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 固結(jié)排水沉降量與時(shí)間的關(guān)系

圖3 三種試驗(yàn)e-P曲線

3.3 土體自身剪應(yīng)力和剪切位移之間的關(guān)系

由圖4可知，軟土的剪應(yīng)力增長(zhǎng)與排水條件有較大的關(guān)系，理論計(jì)算分析得到土體自身的抗剪強(qiáng)度，相同固結(jié)壓力下，徑向加豎向排水曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)較大，試驗(yàn)前土體處于軟塑狀態(tài)，強(qiáng)度較低，試驗(yàn)后N1、N2兩種試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度分別為32kPa、41.39kPa。同時(shí)剪切位移相差不大，徑向加豎向排水土體抗剪強(qiáng)度高于豎向排水，土體抗剪切能力得到適當(dāng)提高，排水松木桿對(duì)于潮濕環(huán)境下土遺址加固有較好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

圖4 土體剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

4 結(jié)論與建議

（1）相同條件下，2～3mm厚度排水土工布能夠提供一層徑向排水路徑，排水松木桿能保持較好的排水效果，能有效加快試樣排水固結(jié)的速率。

（2）隨著固結(jié)壓力增大，排水松木錨桿處理柱狀軟土層孔隙比變化趨勢(shì)較明顯，早期固結(jié)效果顯著，50～200kPa段孔隙比減小幅度大，土體密實(shí)程度較高。

（3）排水松木錨桿排水固結(jié)后土體抗剪強(qiáng)度高于豎向排水，土體自穩(wěn)能力得到適當(dāng)加強(qiáng)。

（4）建議設(shè)計(jì)更大的模型，并對(duì)松木桿排水間距、排水界面進(jìn)一步研究。