高昌古城土遺址加固工程凍融試驗研究

涂  曉，陳  平

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安7 10055)

    高昌古城位于吐魯番市東45 km處火焰山南麓的木頭溝河三角洲，是古絲綢之路的必經之地和重要門戶。它始建于公元前l世紀，初稱“高昌壁”，為“絲路”重鎮。后歷經高昌郡、高昌王國、西州、回鶻高昌、火洲等長達1 300余年之變遷，于公元14世紀毀棄于戰火。l961年，這里被列為全國重點文物保護單位。

    由于歷經戰火，加上自然與氣候變化等原因，高昌古城只留下殘破的土遺址。近年來，國家開始并重視古建筑、古遺址的維修與加固，開始對高昌古城遺址進行修繕加固。對土遺址的修繕加固，與保護古建筑一樣，要“修舊如舊”。當前對土遺址的加固，主要采用巖土注漿和巖土錨固技術。由于土遺址的特殊性以及古建筑加固保護的原則要求，目前世界范圍大多應用膠結和引入筋材原理，即采用化學加固、物理加固或化學物理相結合(化學錨固技術)的方法加固土遺址!”。

    高昌古城遺址由含沙量較高的生土挖造和板筑泥建造而成，受大風和沙暴的磨蝕破壞非常嚴重，加之雨蝕的交替作用，使遺址墻面產生各種形式的片狀或塊狀剝離。其板筑墻上的草泥層被磨蝕殆盡，使遺址墻體被剝蝕得凸凹不平呈蜂窩狀，有的呈鱗片狀龜裂剝離，墻面上形成許多龜裂和即將剝離的小塊，以迎風面墻體最為嚴重。根據實際情況，決定對墻體采用化學加固方法。檢驗和研究加固材料對土體的凍融性能影響，是本文的目的所在。

1.試樣土體物理及化學分析

    1.1土樣的基本物理性質分析

    本試驗土樣取自新疆高昌古城遺址，通過測試，對土體的一些基本物理特性有所了解。新疆高昌古城遺址由砂土夯筑而成，土樣成大塊，呈堅硬狀態，黃褐色，有孔洞，部份有裂隙；干密度l．709；其含水率只有0．35％～0．45％，水穩定性差，遇水崩解。

    1.2遺址土樣的化學全分析

    高昌古城遺址土樣化學全分析結果見表1。

2.試驗采用的加固材料

    目前所用土遺址加固保護材料很多，本文采用國內外普遍認可的無機加固保護材料：水玻璃與有機類加固保護材料——有機硅改性丙烯酸酯樹脂(硅丙乳液)作為加固劑。加固后檢驗土體加固后的凍融試驗效果，為土遺址保護的實用加固技術提供理論依據和試驗數據。

    土遺址加固方法有噴灑、浸泡、注射、涂刷等方法。通常采用的加固方法是在土遺址表面直接噴涂加固劑，此種方法的滲透深度很小，再加之本試驗中試樣密實，加固效果不好，故本次試驗采用多次定量涂刷進行試樣加固。由巖土工程化學知，在灌漿中，為了取得灌漿的良好效果，灌漿必須在受控制的情況下進行。我國化學灌漿的控制方法有兩種，即定量法和定時法，在土遺址加固保護中加固溶液經計算后進行控制。按毛細飽和最大飽和度S，=85％計算，加固溶液用量按下式確定：

    式中：yd為試樣干密度(9／em3)；V為試樣總體積(cm3)。

    一般來說，加固劑濃度越大，強度提高幅值越大，加固效果越好。但當加固劑濃度超過一定范圍時，容易在試樣表面產生富集現象，加固劑不能滲透到試樣內部，另一方面，它又阻止了后來加固劑的滲入[3]。故對土遺址加固保護時加固劑濃度選擇很重要，關系到保護的成敗。參考有關資料，認為硅丙乳液加固較密實的土遺址濃度低于25％合適[4]。因此，本文采用濃度為20％的水玻璃與硅丙乳液作為加固劑。

3.凍融試驗研究

    新疆高昌古城采用夯土和土坯建造而成。由于本試驗中土樣堅固，自身就真實地反映土遺址本身的實際結構，故試驗直接采用原狀土樣進行試樣制備。試驗中共制備試樣2組，第一組為夯土，試樣被加工成50 mm x50 mmx50 mm的立方體，共l5個；第二組為土坯，試樣尺寸與數量同第一組。每一組又分為3個小組，每小組5個試樣。對其中兩小組分別采用濃度為20％的水玻璃與硅丙乳液作為加固劑，加固溶液用量式(1)確定，另一小組保持原樣。將定量加固劑分3次對試樣進行涂刷，固化后,便可進行凍融試驗。

    本次凍融試驗委托陜西省建筑科學研究院進行，采用 PT-2230型凍融循環試驗機。以l2個小時模擬一年12個月平均氣溫，進行反復凍融試驗，先進行5次循環，在每次循環完畢后目測或采用放大鏡觀察土樣的破壞情況。模擬高昌古城當地12個月份的平均氣溫見表2。

    3.1根據試驗記錄發現的規律

    (1)夯土的抗凍融性能較土坯的性能好(夯土只有一個土樣出現裂紋，而土坯有三個)。

    (2)經加固劑處理過的土樣抗凍融性能較原樣土的性能好(出現裂紋的都是原樣土，而加固后的土樣則沒有出現裂紋)。

    (3)裂紋一旦產生，則不斷發展，擴大，直至形成貫通裂紋；沒有產生裂紋的土樣則一直完好。

在5次凍融循環結束后，把土樣分為5組。每組包括原樣夯土；水玻璃處理過的夯土與硅丙乳液處理過的夯土；土坯原樣土；水玻璃處理過的土坯與硅丙乳液處理過的土坯，每組6個土樣。對其中四組分別添加5％，l0％，15％，20％的初始含水量，用塑料袋密封包裹后放入恒溫箱內靜置l d后再進行凍融試驗，另外一組保持原樣，以進行對比。

    3.2根據試驗記錄進行的分析

    (1)隨著添加含水量的增加，土樣的下半部分有遇水饋解的趨勢，并出現分層現象。

    (2)在低于20％的含水率下，土樣的破壞情況隨含水率的增加而增加。

    (3)在同一含水率下，經加固劑處理過的土樣抗凍融性能較原樣土的性能稍好。

4.試驗結論

    經過加固土樣在原含水率及添加初始含水率兩種情況下的凍融試驗研究，本文得出以下結論。

    (1)在未添加初始含水量以前，由于土體天然含水率很小，經過5次凍融循環后，土樣很少出現破壞。經觀察分析；夯土的抗凍融性能較土坯的性能好，經加固劑處理過的土樣抗凍融性能較原樣土的性能好，這兩種加固劑均能提高土體的抗凍融性能。

    (2)添加初始含水量后，在含水率不大于20％情況下，隨著含水率的增大，土樣的破壞情況愈嚴重，加固劑對提高土樣的抗凍融性能作用不大，因此這兩類加固劑不適宜在較潮濕且溫差大的地區進行土體加固。

    (3)在本次凍融試驗中，無法區別水玻璃與硅丙乳液對提高土體抗凍融性能的作用，需進行更深入的研究。

參考文獻

[1] 王旭東．中國西北干旱環境下石窟與土建筑遺址保護加固研究[D]．蘭州大學，2002．

[2]聯合國科教文組織．文物保護中的適用技術[M]．北京：中國對外翻譯出版公司，l985．

[3]王贊．西北干旱地區土遺址保護實用加固技術研究[D]．西安建筑科技大學，2006．

[4]蔡東艷，韓曉雷．水玻璃加固土的特性研究[J]．西安建筑科技大學學報。2004，36(6)：233—235．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 溫紅娟 尹維維 編輯  文徑 審核)