王常亞, 石玉成, 劉 琨,2

(1. 中國(guó)地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國(guó)地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

土遺址是一種建筑型文物,其蘊(yùn)含了中國(guó)古代建筑的特有技術(shù),反映了各個(gè)歷史時(shí)期人類(lèi)的社會(huì)活動(dòng)、社會(huì)關(guān)系、意識(shí)形態(tài)及利用自然、改造自然的狀況[1]。土遺址文物文化價(jià)值極高,保存至今的土遺址擁有珍貴的文化旅游資源。根據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)務(wù)院公布的西北地區(qū)重點(diǎn)土遺址文物有104處(其中陜西境內(nèi)44處,新疆境內(nèi)25處,甘肅境內(nèi)22處,青海境內(nèi)6處,寧夏境內(nèi)7處),就土遺址分布而言是全國(guó)重點(diǎn)保護(hù)文物單位最多的區(qū)域[2]。

前人對(duì)西北地區(qū)及絲綢之路沿線土遺址進(jìn)行了一系列調(diào)查研究,唐洪敏等[3]認(rèn)為土遺址作為開(kāi)放系統(tǒng),所受破壞多是因?yàn)橥馏w對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)造成的[3]。王旭東等[4]通過(guò)對(duì)西夏王陵的調(diào)查研究,總結(jié)認(rèn)為人為破壞對(duì)土遺址的穩(wěn)定性有較大影響,易造成了土遺址的大面積倒塌[4]。張衛(wèi)喜等[5]發(fā)現(xiàn)高昌故城西南大佛寺受裂縫、掏蝕影響有倒塌的可能,應(yīng)對(duì)土遺址進(jìn)行加固保護(hù)[5]。孫滿(mǎn)利等[6]發(fā)現(xiàn)交河故城的變形裂縫作為墻體最主要的病害,主要有人工開(kāi)挖窯洞引起的病害和地基不均勻沉降引起的變形裂縫。馬長(zhǎng)振[7]分析七個(gè)星遺址的病害,提出裂縫、掏蝕、沖溝等病害普遍存在,人為破壞與振動(dòng)破壞不多,但往往破壞程度較高。崇顯燦等[8]通過(guò)對(duì)河西走廊眾多明長(zhǎng)城的調(diào)查,將遺址掏蝕區(qū)空間形狀簡(jiǎn)化為弓形柱體狀、長(zhǎng)方體和半弓形柱體三種主要類(lèi)型。張影會(huì)[9]認(rèn)為遺址表面剝離是水鹽運(yùn)移過(guò)程中易溶鹽差異和溫度梯度引起不均勻共同作用。

前人對(duì)西北地區(qū)土遺址的病害現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究,分析總結(jié)了西北地區(qū)土遺址的病害類(lèi)型,介紹了西北地區(qū)土遺址各類(lèi)病害的主要特征,并研究了其發(fā)生的機(jī)理,但是極少研究針對(duì)土遺址各類(lèi)病害之間內(nèi)在聯(lián)系。本文通過(guò)實(shí)地考察,記錄分析了西北地區(qū)土遺址的典型病害,對(duì)研究區(qū)域土遺址主要病害進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì),并對(duì)病害數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)研究揭示各種病害之間的內(nèi)在聯(lián)系,給出典型病害之間的相關(guān)性系數(shù)。研究結(jié)果可為今后西北地區(qū)土遺址加固保護(hù)提供設(shè)計(jì)施工的思路,也為確定土遺址加固方法提供重要的參考作用。

1 西北地區(qū)土遺址的典型病害

本文分別對(duì)陜西、寧夏、甘肅、新疆四省土遺址進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察和研究分析,研究調(diào)查的土遺址一般處于室外。根據(jù)調(diào)查結(jié)果認(rèn)為四省土遺址病害種類(lèi)繁多,病害發(fā)育情況嚴(yán)重。本文對(duì)具有代表性的病害進(jìn)行簡(jiǎn)單歸納總結(jié),主要病害為掏蝕、裂縫、沖溝、倒塌、表面風(fēng)化、生物破壞和人為破壞等。裂縫是調(diào)查區(qū)域土遺址極為顯著的病害類(lèi)型,其發(fā)育的主要類(lèi)型有建筑工藝裂縫、變形裂縫、卸荷裂縫、和構(gòu)造裂縫四種。(1)建筑工藝裂縫主要形成于“夯土版筑”,土遺址在建設(shè)時(shí)會(huì)因?yàn)楹恢^(guò)程的間斷及分層填土形成分界面,或者分段夯筑墻體時(shí),墻與墻連接處形成分界面或者接搓縫。隨著時(shí)間發(fā)展逐漸發(fā)育成裂縫病害,此類(lèi)型裂縫在三種裂縫類(lèi)型中數(shù)量最多。(2)變形裂縫主要是由于應(yīng)力的重分布而引起土遺址開(kāi)裂變形產(chǎn)生的裂隙。土遺址開(kāi)挖洞口處易產(chǎn)生變形裂縫,基礎(chǔ)存在不均勻沉降時(shí)也會(huì)產(chǎn)生變形裂縫。(3)卸荷裂縫主要是由于土遺址應(yīng)力重分布向臨空面釋放土體變形形成的裂縫,此裂縫多發(fā)于在土遺址臨崖面,此類(lèi)型裂縫病害數(shù)量相對(duì)較少。(4)構(gòu)造裂縫主要是由于構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的裂隙,如地震作用等造成的[10]。幾種類(lèi)型裂縫如圖1圈畫(huà)處所示。

沖溝病害主要是由于雨水在土遺址表面匯集,在形成水流后沿著土遺址表面流動(dòng),流動(dòng)過(guò)程中沖刷土遺址土體部分,最終由外到內(nèi)逐步對(duì)土遺址造成侵蝕破壞。調(diào)查區(qū)域土遺址沖溝病害主要表現(xiàn)出兩種類(lèi)型:裂縫型沖溝和徑流型沖溝。其中裂縫型沖溝是水流沿裂隙不斷沖蝕、擴(kuò)大為裂隙型沖溝,其表現(xiàn)為上寬下窄,上部侵入土遺址較深,下部侵入較淺,外觀呈“V”形[11]。徑流型沖溝通常是因?yàn)橥吝z址頂部存在低洼區(qū)域,降雨匯水以后在土遺址表面形成徑流,多次沖刷以后形成徑流型沖溝。裂隙型沖溝規(guī)模相較于徑流型沖溝而言更大,且容易沿著裂縫發(fā)育,最終貫通土遺址。該類(lèi)型病害如圖2圈畫(huà)處所示。

圖1 裂縫病害Fig.1 Crack disease

圖2 沖溝病害Fig.2 Gully disease

掏蝕病害根據(jù)其成因,主要可以分為酥堿、風(fēng)力掏蝕、流水掏蝕、凍融掏蝕等。酥堿病害出現(xiàn)的原因主要是土遺址墻體含有多種可溶鹽,可溶鹽在遇水后發(fā)生溶解-結(jié)晶-溶解往復(fù)循環(huán)演化以后,土體由緊密變得不斷疏松,土體結(jié)構(gòu)因此遭到破壞,最終變得蓬松酥軟形成酥堿掏蝕。絲綢之路沿線區(qū)域環(huán)境惡劣,大風(fēng)天氣較多,當(dāng)大風(fēng)攜帶著沙粒吹打土遺址時(shí),會(huì)對(duì)土遺址不斷的磨蝕和旋蝕,形成風(fēng)力掏蝕病害[12]。流水掏蝕病害主要是因?yàn)楫?dāng)降水過(guò)程中由于雨水無(wú)法快速排掉,且因?yàn)榈匦我蛩厮鲄R聚,對(duì)土遺址基礎(chǔ)部分形成侵蝕凹陷。凍融掏蝕病害主要發(fā)生在冬季,冬季降雪時(shí)會(huì)在土遺址墻體基礎(chǔ)部分積存冰雪等,冰雪融化后浸濕墻體,墻體基礎(chǔ)部分含水量逐漸增高,當(dāng)環(huán)境溫度變低以后墻體部分發(fā)生凍結(jié),溫度升高后發(fā)生融化,在凍結(jié)-融化的循環(huán)作用下土體強(qiáng)度變低,根部發(fā)生掏蝕[13]。該類(lèi)型病害見(jiàn)圖3圈畫(huà)處。

倒塌病害是一種極為嚴(yán)重的土遺址病害,一旦發(fā)生就意味著土遺址的徹底破壞。目前土遺址倒塌多是因?yàn)橐韵聨讉€(gè)原因:第一種是因?yàn)橛晁谕吝z址基礎(chǔ)部分蓄積,基礎(chǔ)部分土體被泡軟以后失去強(qiáng)度,在無(wú)法支撐土遺址上部重量以后發(fā)生倒塌;第二種是因?yàn)槿藶槠茐耐吝z址基礎(chǔ)部分引起倒塌;第三種是由于裂縫、沖溝、掏蝕等病害不斷積累,各種病害相互作用逐漸減弱土遺址整體的強(qiáng)度,最終在土遺址自身重力作用下或者地震等外力作用下發(fā)生倒塌[14]。該類(lèi)型病害如圖4圈畫(huà)處所示。

圖3 掏蝕病害Fig.3 Erosion disease

圖4 倒塌病害Fig.4 Collapse disease

表面風(fēng)化是土遺址普遍發(fā)育的一種病害,主要破壞外質(zhì)營(yíng)力為風(fēng)、雨、溫度及可溶性鹽運(yùn)移的相互作用[15]。此病害目前主要是因?yàn)榻涤旰笸吝z址表面墻體吸水飽和,呈稀泥狀。降雨停止后溫度急劇變化,稀泥狀表皮快速失水時(shí)形成泥皮;溫度緩慢變化,稀泥狀表皮緩慢失水形成龜裂紋。最終表現(xiàn)為空鼓、片狀剝離、塊狀脫落等。本次考察土遺址表面風(fēng)化情況嚴(yán)重,且每處土遺址均表現(xiàn)出整體風(fēng)化[圖5(a)]。

生物病害主要是指由于生物作用對(duì)土遺址的破壞,包括動(dòng)物病害和植物病害。如植物生長(zhǎng)過(guò)程中,根系擴(kuò)張破壞土遺址。此外還有蟲(chóng)洞與鼠洞等侵蝕土體,霉菌生長(zhǎng)時(shí)分泌酸性物質(zhì)破壞土體[圖5(b)]。

人為破壞主要是指人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土遺址的破壞。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土遺址的影響巨大,如修路、造田活動(dòng)拆毀墻體,爆破、車(chē)輛振動(dòng)等加劇裂隙發(fā)展[16-17],開(kāi)挖窯洞及攀爬破壞土體穩(wěn)定性等[圖5(c)]。同時(shí)部分土遺址還存在破壞性修復(fù)的情況,如某些土遺址文物加固保護(hù)的時(shí)候改變了土遺址的原貌和整體結(jié)構(gòu),損害了土遺址的完整性和藝術(shù)價(jià)值。

圖5 其他病害Fig.5 Other diseases

2 西北地區(qū)土遺址典型病害相關(guān)性分析

根據(jù)實(shí)地考察情況、記錄手冊(cè)、勘查報(bào)告,本文對(duì)掏蝕、裂縫、沖溝、倒塌等幾種病害進(jìn)行了定量記錄,裂縫長(zhǎng)度值采用土遺址各個(gè)面超過(guò)50 cm以上的裂縫值相加以后除以統(tǒng)計(jì)的面數(shù)獲得;沖溝長(zhǎng)度采用各個(gè)面沖溝長(zhǎng)度值相加除以統(tǒng)計(jì)面數(shù)獲得;掏蝕體積采用各個(gè)面基礎(chǔ)部分掏蝕體積量相加獲得;坍塌面積采用各個(gè)面坍塌面積相加獲得。表1給出了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查土遺址形制信息,表2給出了裂縫長(zhǎng)度、沖溝長(zhǎng)度、掏蝕體積、倒塌面積等病害數(shù)據(jù)信息。對(duì)各種病害進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后可分析病害之間的相互聯(lián)系,根據(jù)相關(guān)系數(shù)可進(jìn)行病害影響程度判斷[18]。下文將研究各病害之間的相互關(guān)系,并進(jìn)一步揭示病害發(fā)展之間的內(nèi)在聯(lián)系,并嘗試對(duì)它們之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行部分理論解釋。

因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)類(lèi)型分別是長(zhǎng)度、面積、體積,數(shù)據(jù)單位不一致,為了方便對(duì)比分析,將表2數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后得到表3數(shù)據(jù)。分別將表3中兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可以分別得到裂縫-沖溝、裂縫-掏蝕、裂縫-倒塌、沖溝-掏蝕、沖溝-倒塌、掏蝕-倒塌線性擬合曲線(圖6),根據(jù)擬合曲線可得病害相關(guān)擬合函數(shù)與相關(guān)系數(shù)系數(shù)(表4)。由圖6可以發(fā)現(xiàn)裂縫長(zhǎng)度、沖溝長(zhǎng)度、掏蝕體積、倒塌面積每?jī)山M數(shù)據(jù)之間呈現(xiàn)正相關(guān)。根據(jù)圖6與表2、3可對(duì)病害之間的相互關(guān)系做如下解釋:(1)降雨時(shí)裂縫成為水流排泄通道,雨水滲入到裂縫中,使得裂縫擴(kuò)展形成不同規(guī)模的沖溝。土遺址下部夯層因?yàn)橛晁饔?將導(dǎo)致部分夯層土體強(qiáng)度降低,夯層逐漸脫離,脫離的土體形成基礎(chǔ)掏蝕。裂縫的存在會(huì)降低墻體的連續(xù)性,降低了土遺址的整體穩(wěn)定性,使得土遺址抵御地震等外部荷載的能力顯著減弱,最終發(fā)生倒塌。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,可以認(rèn)為裂縫是基礎(chǔ)病害。(2)降雨水流匯集導(dǎo)致土遺址表面沖溝發(fā)育,同時(shí)降雨也會(huì)導(dǎo)致掏蝕病害的加重,可以認(rèn)為沖溝與掏蝕因?yàn)榘l(fā)育必備要素水而密切相關(guān)。沖溝是引發(fā)坍塌的重要因素,雨水匯集形成沖溝的過(guò)程中會(huì)破壞土遺址墻體的連續(xù)性,也會(huì)降低沖溝附近土體的力學(xué)強(qiáng)度,進(jìn)而導(dǎo)致墻體在外力及重力作用下發(fā)生倒塌。(3)掏蝕病害多數(shù)發(fā)育在土遺址基礎(chǔ)部分,隨著掏蝕病害的發(fā)展,土遺址基礎(chǔ)部分逐漸變小,一方面土遺址形狀變得不規(guī)則,且重心會(huì)逐漸升高,而物體重心越低穩(wěn)定性越好,重心越高穩(wěn)定性越低。另一方面掏蝕病害發(fā)展會(huì)使得土遺址支撐面變小,當(dāng)掏蝕超過(guò)墻體底部基礎(chǔ)寬度的一定比例時(shí),在重力或者地震等外力作用下極易出現(xiàn)應(yīng)力集中造成支撐面破壞,從而發(fā)生倒塌[19]。

表1 土遺址數(shù)據(jù)

表2 土遺址病害數(shù)據(jù)

表3 土遺址病害歸一化數(shù)據(jù)

圖6 土遺址病害相關(guān)性Fig.6 Disease correlation of earthen sites

表4 土遺址病害相關(guān)性數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)裂縫、沖溝、掏蝕、倒塌等4種病害數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,從數(shù)據(jù)角度證明典型病害之間存在不同程度的相互聯(lián)系。其中裂縫-沖溝、沖溝-掏蝕、沖溝-倒塌、掏蝕-倒塌病害之間的校正判定系數(shù)均大于0.5,據(jù)此可得到4種典型病害的演化規(guī)律如圖7所示,倒塌可以視為是裂隙、沖溝、掏蝕等3種典型病害發(fā)育和演變的結(jié)果,沖溝和掏蝕都是在水作用下對(duì)土遺址造成的破壞,因此沖溝病害和掏蝕病害直接相關(guān)系數(shù)為0.72,沖溝、掏蝕病害和倒塌病害的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.71和0.80,故而可以認(rèn)為沖溝和掏蝕是土遺址倒塌最為重要的影響因素。

圖7 土遺址典型病害相互關(guān)系示意圖Fig.7 Relationship between typical diseases of earthen sites

3 結(jié)論與不足

西北干旱、半干旱地區(qū)土遺址病害種類(lèi)繁多,病害嚴(yán)重,本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和典型病害量化擬合分析,得出如下結(jié)論:

(1) 自然因素引起的土遺址病害最為普遍,其中片狀剝離、裂縫、掏蝕、沖溝、倒塌是最為典型的病害類(lèi)型。裂縫、掏蝕、沖溝、倒塌等病害有內(nèi)在的聯(lián)系,其中裂縫是一種基礎(chǔ)病害,裂縫、沖溝、掏蝕病害在自然條件作用下發(fā)育演變,最終發(fā)生倒塌,因此認(rèn)為倒塌是多因素控制的最嚴(yán)重病害類(lèi)型。

(2) 裂縫的發(fā)育發(fā)展會(huì)導(dǎo)致掏蝕、沖溝、倒塌等病害出現(xiàn)或加重,沖溝和掏蝕病害的發(fā)育程度直接影響著土遺址倒塌程度,若不對(duì)土遺址病害進(jìn)行綜合治理,土遺址最終會(huì)在各種病害的相互作用下倒塌并消失。

(3) 對(duì)土遺址加固保護(hù)時(shí)需要考慮多種病害,進(jìn)行多病害綜合治理的方法,控制裂縫向沖溝、掏蝕病害發(fā)育的速度,做到最大程度地延緩?fù)吝z址破壞。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)據(jù)分析,可以發(fā)現(xiàn)土遺址病害直接存在相互聯(lián)系,為以后土遺址的保護(hù)方案設(shè)計(jì)提供參考。但本次研究尚存在一些不足之處,如進(jìn)行病害統(tǒng)計(jì)時(shí),由于量化尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn),量化時(shí)會(huì)因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)方法較為粗糙而出現(xiàn)誤差。同時(shí)土遺址作為一種開(kāi)放性文物,多種病害相互影響著土遺址的穩(wěn)定性,因此進(jìn)行單因素相關(guān)性分析時(shí)相關(guān)性系數(shù)較低。后續(xù)應(yīng)嘗試將病害量化標(biāo)準(zhǔn)化,同時(shí)綜合考慮多因素作用下病害之間的相互聯(lián)系。