古城寨遗址粉土力学性状的干湿循环效应与城墙响应特征

发布时间：2020-05-09 11:00

【摘要】：中原地区土遗址数量众多,历史及文化价值极高。然而,由于其暴露在自然环境中且与大地直接相连,土遗址掏蚀、坍塌及裂隙等病害十分普遍。土遗址病害形成主要与赋存环境及遗址本体土性有关。中原地区土遗址以粉土夯筑为主,多临水修筑或周边遍布农田。由于粉土特殊的颗粒级配特征导致其毛细作用显著,水敏性较强。而降雨及农田浇灌所致积水加剧了土遗址根部的毛细水干湿循环效应。但目前针对中原地区土遗址本体性能研究相对较少,粉土-水相互作用机制尚不明确,给中原地区土遗址保护造成巨大困难。因此,有必要对遗址粉土力学特性的干湿循环效应及其微观机制进行系统研究,这对于丰富土遗址保护理论,指导土遗址预防性保护及修复工程具有重要意义。本文以中原地区土遗址根部掏蚀等病害为背景,首先从试验出发,设计符合中原地区土遗址赋存水环境的试验装置及方法,系统研究了制样条件、干湿循环次数、干湿循环幅度对遗址粉土剪切力学特性的影响规律;然后,结合压汞、扫描电镜及核磁共振等微观试验手段探究其内在机制;最后,建立考虑非线性强度准则和干湿循环次数的遗址粉土邓肯-张模型,并通过Fortran语言编程对其进行数值化,进而对土遗址根部掏蚀等病害形成机制进行探讨。主要研究内容及成果如下:(1)对静力压实法和动力击实法制取遗址粉土试样的力学特性及其孔隙结构分布进行了系统研究。发现制样方法对遗址粉土力学特性存在明显影响,且与剪切试验方法紧密相关。直接剪切试验所得静力压实试样剪切强度及黏聚力均高于动力击实试样,而三轴剪切试验结果则相反。因此,在粉土遗址工程修复时,强度参数的选择需结合现场施工方法及可能出现的破坏形式综合考虑。(2)采用自制的可分层取样试验装置开展了长达15个月的干湿循环测试工作。结果表明,与初始土样相比,1次干湿循环土样的应变软化特征显著增强,但随着干湿循环次数的增加,其应变软化性减弱;同时,黏聚力、切线模量也都呈现出1次循环后明显增大随后逐渐减小的变化规律。结合压汞和核磁共振试验结果,认为遗址粉土力学特性的干湿循环次数效应主要受粉土中黏粒“三维网架”的均匀收缩和局部破坏所控制。(3)采用土柱模型试验对不同干湿循环幅度下遗址粉土的力学特性进行了系统研究。结果表明,粉土试样剪切强度的变化规律与固结围压和吸湿含水率稳定值紧密相关。在围压10~40kPa范围内,与初始试样相比,随着干湿循环幅度的增大,剪切强度呈现先小幅增大后显著减小的变化规律,而在围压100~400kPa时则单调衰减。在试验围压范围内,以缩限含水率为分界线,吸湿含水率对剪切强度的影响存在阈值效应。(4)对比低围压与常规应力下遗址粉土抗剪强度,发现遗址粉土具有一定的强度非线性特征。因此,在土遗址病害修复工程中,建议采用相应应力水平下的力学参数进行相关计算。Baker所提出的广义幂函数强度准则,能够较好描述遗址粉土的非线性强度特性,强度准则参数A值随干湿循环次数的增加呈现先增大后逐渐减小并趋于稳定的趋势,n值受干湿循环作用影响较小。(5)引入考虑非线性强度准则的邓肯-张模型对遗址粉土的应力-应变关系进行描述,得到了各干湿循环次数下土的模型参数值,并建立了模型参数与干湿循环次数的相关函数,给出了可描述中原地区遗址粉土干湿循环效应及非线性强度特征的邓肯-张模型。(6)利用ABAQUS进行二次开发,通过Fortran语言编程对改进邓肯-张模型进行了数值化,并结合室内单元试验验证了数值模型的合理性。基于干湿循环作用对古城寨遗址城墙典型断面的数值响应特征,发现该数值模型可较好反映中原地区粉土遗址根部掏蚀类病害形成过程。
【图文】：

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中华文明源远流长和生生不息的实物见证，是传承弘扬中华优秀传统文化史根脉，是加强社会主义精神文明建设的深厚滋养，是推动经济社会发展势资源。加强文物保护利用，让收藏在博物馆里的文物、陈列在广阔大地遗产、书写在古籍里的文字都活起来，对于坚定文化自信、增强中华民族力、满足人民群众精神文化需求、促进文明交流互鉴、实现中华民族伟大中国梦具有重要意义[1]。土遗址是以土为主要建筑材料的具有历史、文化和科学价值的古遗址[2为文化遗产的重要组成部分，其承载着我国历代政治、经济、艺术、建筑技等方面的重要信息，是历史留给中国乃至世界的无价瑰宝。中原又称中土州、华夏，是指洛阳至开封一带为中心的黄河中下游地区[3-4]，主要是指今河南省，是中华文明、华夏历史最重要的发源地。河南历史悠久，且长期政治、经济及文化中心地位，分布着大量的古代聚落遗址、古城址。根据文物局统计数据显示（截止至第七批全国重点文物保护单位），河南省内古类全国重点文物保护单位数量居全国之首，如图 1.1 所示。中原地区现存址文化及社会价值巨大，做好土遗址保护工作的意义不言而喻。

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域土遗址的赋存环境更加复杂，土遗址病害形成及发育等也与西北干旱地区相差很大[12-13]。时，河南省地处黄泛区，表层多为第四系全新统冲积层内土遗址多为粉土夯筑[14-15]。由于粉土具有特殊的级配定性差，毛细管路通畅，具有较强的水敏性。土遗址长尤其是在夏季炎热多雨气候条件下，降雨、地下水及农址本体力学性能的劣化效应明显，强度及变形参数衰减幅河南地区土遗址保护中存在诸多问题：保存现状不容乐观天然矿物颗粒组成的松散材料，，对环境因子的敏感性强质文物而言相对脆弱，易受水蚀、风蚀、冻融侵蚀及人坏。西北干旱地区由于独特的干旱少雨气候，土遗址保区土遗址虽保存数量较大，但损毁较为严重。根据《河南[18]，统计了河南省境内 101 处省级以上文物保护单位古图 1.2。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU43

【参考文献】