潮湿状态土遗址的斥水—碳化保护研究

发布时间：2017-08-12 09:09

  本文关键词：潮湿状态土遗址的斥水—碳化保护研究

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【摘要】：土遗址是指主要由土质材料(如夯土、土坯、垛泥等)构成的遗存本体。依据土遗址所处气候类型(或800mm等降水量线)将土遗址分为北方干燥土遗址和南方潮湿土遗址2种类型。目前,对于干燥土遗址的保护研究工作相对较多,而潮湿土遗址的保护研究还处于探索阶段。潮湿土遗址处于降雨量大、地下水位浅的环境中,环境因素复杂且不可控,土遗址的消亡速度很快,迫切需要进行科学保护。 本文针对那些虽位于北方干燥气候,但由于地下水位浅或与水相邻等原因,土遗址的自身含水量较大的现象,提出了潮湿状态土遗址的概念,并从环境结构论角度,给出了潮湿状态土遗址的“环境”物理模型和定量化分类。 本文将土壤学中的斥水土理念引入土遗址保护,从传统材料中选取桐油和石灰作为潮湿状态土遗址的保护材料,提出了斥水-碳化相结合的保护思路。 本文选取湿润区潮湿环境潮湿状态土遗址(南京大报恩寺遗址)为研究对象,分析了模拟地宫2009年初挖掘到2011年的破坏形态,并建立其与周围水文气候变化的关系。 本文针对研究对象的非饱和特性、收缩病害及水稳定性要求,开展了遗址土和处理土的相关室内试验研究,包括界限含水量、土水特征曲线、非饱和渗透性、吸湿放湿性、收缩性、斥水性、浸水稳定性等,对选取材料的保护效果进行评价。 本文建立了一维毛细吸渗模型,模拟了遗址土和3种处理土的毛细水上升特性,从上升高度,含水量分布等方面分析了处理方法对毛细水上升的阻滞特性。 本文对比分析遗址土和处理土的微观结构,将宏观特性与微观结构相结合,对保护材料的处理机理进行了探讨。 本文的主要研究内容和取得的研究成果包括： 1.潮湿状态土遗址概念厘定 土遗址所处的环境结构包括气候环境、区域环境和遗址本体环境。因此,选取潮湿系数、相对湿度和含水状态为界定参数,首先将遗址本体含水量大于20%的土遗址定义为潮湿状态土遗址土,然后依据潮湿系数和相对湿度的变化,对潮湿状态土遗址进行进一步描述,细分为湿润区潮湿环境潮湿状态土遗址、湿润区干燥环境潮湿状态土遗址、十早区潮湿环境潮湿状态土遗址、干旱区干燥环境潮湿状态土遗址。 2.斥水-碳化理念的提出及保护材料选优选 针对土遗址的病害,借鉴土壤学中的斥水土理念,特别是油污染引发土的斥水性方面的相关研究,提出了土遗址的斥水保护理念,并优选桐油为保护介质。于此同时,考虑桐油的防腐问题及土遗址结构稳定性,选取石灰作为另一种保护材料。选取桐油和石灰这两种传统材料为处理介质共同作用以期达到潮湿状态土遗址的斥水-碳化保护目的。 3.遗址区的病害演变 以模拟地宫为研究对象,分析模拟地宫开挖后(从2009年到2011年)的破坏形态、土层含水量分布变化及其所处气候环境特征,指出大气降雨及地下毛细水的上升是导致地宫失稳的关键因素。 4.桐油和石灰处理对土遗址的吸水-失水形状的影响 潮湿状态土遗址处于一种动态的非饱和状态,依据现场地宫土层密度分布,测定遗址土(US)、桐油处理土(TS)、石灰处理土(LS)、桐油和石灰处理土(TLS)的界限含水量、土水特征曲线特性、渗透性、收缩特性及吸湿放湿性等特性。结果如下：桐油和石灰的掺入提高了土的液限和塑限,降低了土的塑性指数；桐油处理可降低土的持水性,石灰处理土、桐油和石灰混合处理土的含水量随基质吸力的变化平缓；桐油和石灰处理降低了土的饱和渗透系数,混合处理措施,其饱和渗透系数为遗址土的0.6倍。对于非饱和渗透而言,遗址土和桐油处理土的非饱和渗透系数与含水量的关系曲线密度的增大逐渐平缓,而石灰处理土、桐油和石灰混合处理土的曲线变化随密度的增大还存在右移的趋势；桐油和石灰的处理可有效提高遗址土的吸湿放湿稳定性和收缩稳定性。 5.斥水性和浸水稳定性研究 为研究桐油和石灰处理土的斥水性及浸水稳定性,开展了水滴入渗试验(WDPT),酒精溶液入渗法(MED)和浸水稳定性的试验研究。遗址土具有亲水性,水滴在遗址土表面铺展并迅速渗入土中,渗入时间随密度的增大而增大。桐油和石灰处理土具有较高的斥水性,水滴在土样表面具有自聚成团,很难渗入。遗址土浸泡于水后迅速发生崩解破坏,桐油和石灰处理土样在浸水状态保持较好的完整性。采用桐油和石灰处理土遗址可提高遗址土的浸水稳定性。 6.毛细水上升模拟研究 建立了一维毛细吸渗模型,对遗址土(US)、桐油处理士(TS)、石灰处理土(LS)、桐油和石灰处理土(TLS)的毛细上升高度、不同高度毛细水上升的过程及含水量分布进行模拟计算,并利用改进的Washburn方程拟合回归了毛细平衡高度。结果表明桐油和石灰处理可有效减低毛细水的上升,进而减缓毛细水引发土遗址的破坏。 7.机理分析 结合宏观性质与微观结构,分析桐油和石灰的处理机理。桐油能在土颗粒表面均匀分散并穿入粘土颗粒的多孔表面氧化成膜,对土颗粒进行包裹。桐油氧化膜具有多孔性,在有效地阻止外界水分渗入的同时,让土颗粒内部的湿气得以散发,可避免土体因失水不均匀而引发的变形破坏。石灰的碳化及火山灰反应生成的晶体“生长”于土颗粒孔隙中,呈不规则的片状结晶成长结构,在土粒子间形成架桥结构,发挥固化强度。桐油的存在对石灰结晶具有有机调控作用,从分子水平到介观水平对碳酸钙分子尺寸、取向、晶型以及排列进行控制,形成更稳定的结构。桐油和石灰混合处理措施不仅发挥了桐油斥水性,石灰的碳化填充作用,还有效的利用了桐油的有机调控作用,石灰的杀菌作用。 桐油和石灰混合处理不改变土遗址的原貌,可增强土遗址的收缩稳定性、浸水稳定性和结构性,并抑制毛细水的上升,满足潮湿状态土遗址的保护要求。研究成果不仅为传统材料的科学化研究提供参考,而且为潮湿状态土遗址的保护提供了一个新的思路。
【关键词】：潮湿状态土遗址 斥水 碳化 传统材料 桐油 石灰
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P642.1;K877
【目录】：

• 中文摘要5-8
• Abstract8-22
• 第一章 绪论22-28
• 1.1 引言22-23
• 1.2 选题依据及意义23
• 1.2.1 选题依据23
• 1.2.2 选题意义23
• 1.3 主要研究内容和技术路线23-25
• 1.3.1 主要研究内容23-24
• 1.3.2 技术路线24-25
• 1.3.3 研究目标25
• 1.4 关键问题及创新点25-28
• 1.4.1 关键问题25-27
• 1.4.2 创新点27-28
• 第二章 文献综述28-56
• 2.1 土遗址概况28-38
• 2.1.1 概述28
• 2.1.2 土遗址和土遗址保护28-29
• 2.1.3 土遗址分类及建造工艺29-31
• 2.1.4 土遗址主要病害类型及形成机理31-33
• 2.1.5 土遗址保护技术和材料33-38
• 2.2 斥水土理念及研究概况38-46
• 2.2.1 斥水土38-39
• 2.2.2 斥水土成因39-44
• 2.2.3 土的斥水性测定44-46
• 2.3 土水作用研究概况46-55
• 2.3.1 土中水的基本特征46-50
• 2.3.2 土-水效应的力学特性50-53
• 2.3.3 土的水稳定性53-55
• 2.4 本章小结55-56
• 第三章 潮湿状态土遗址概念厘定56-64
• 3.1 引言56
• 3.2 土遗址所处的环境结构特征56
• 3.3 界定指标的选取56-59
• 3.3.1 含水状态56-58
• 3.3.2 相对湿度58
• 3.3.3 潮湿系数58-59
• 3.4 潮湿状态土遗址的定量化划分59-64
• 3.4.1 含水状态59-61
• 3.4.2 相对湿度61
• 3.4.3 潮湿系数61-64
• 第四章 研究区域概况及工程性质64-76
• 4.1 引言64-66
• 4.2 遗址地宫所处的环境气候条件66-69
• 4.2.1 降雨66-68
• 4.2.2 气温68
• 4.2.3 地层岩性68
• 4.2.4 地下水68-69
• 4.3 模拟地宫开挖后的变形破坏69-72
• 4.4 水对模拟地宫稳定性的破坏分析72
• 4.4.1 地表水影响72
• 4.4.2 地下水影响72
• 4.5 模拟地宫的基本物理化学性质72-74
• 4.6 本章小结74-76
• 第五章 处理材料的选取76-88
• 5.1 土遗址处理材料的选取原则76
• 5.2 斥水材料选取76-78
• 5.2.1 材料性质76-78
• 5.2.2 选择依据78
• 5.3 碳化材料的选取78-83
• 5.3.1 材料性质78-82
• 5.3.2 选取依据82-83
• 5.4 两种材料相结合的依据83-85
• 5.7 本章小结85-88
• 第六章 桐油和石灰处理遗址土的吸水-失水特性88-116
• 6.1 引言88
• 6.2 界限含水量研究88-90
• 6.2.1 试验设计88-89
• 6.2.2 试验结果及分析89-90
• 6.3 土水特征曲线试验研究90-95
• 6.3.1 试验设计90-93
• 6.3.2 试验结果与分析93-95
• 6.4 非饱和渗透试验研究95-103
• 6.4.1 概述95
• 6.4.2 试验设计95-96
• 6.4.3 非饱和渗透系数计算96-97
• 6.4.4 结果分析97-103
• 6.5 吸湿放湿试验研究103-107
• 6.5.1 试验设计103-104
• 6.5.2 试验结果分析104-107
• 6.6 收缩试验研究107-114
• 6.6.1 试验设计108-109
• 6.6.2 试验结果分析109-114
• 6.7 本章小结114-116
• 第七章 遗址土和处理土的斥水性研究116-128
• 7.1 引言116-117
• 7.2 WDPT和MED试验研究117-123
• 7.2.1 试验设计117-118
• 7.2.2 试验结果及分析118-123
• 7.3 浸水稳定性分析123-126
• 7.3.1 引言123-124
• 7.3.2 试验设计124
• 7.3.3 试验结果分析124-126
• 7.4 本章小结126-128
• 第八章 遗址土和处理土毛细水上升特性分析128-154
• 8.1 引言128-129
• 8.2 土水特征曲线模型129-131
• 8.2.1 Brooks-Corey(B-C)模型130
• 8.2.2 Van Genuchten模型130-131
• 8.2.3 Durner模型131
• 8.3 毛细上升过程数值模拟131-136
• 8.3.1 Washburn方程133-135
• 8.3.2 数学模型135-136
• 8.3.3 水力特性参数136
• 8.4 模拟结果分析136-153
• 8.4.1 毛细上升高度分析136-141
• 8.4.2 不同高度点水分迁移过程分析141-147
• 8.4.3 含水率分布分析147-153
• 8.5 本章小结153-154
• 第九章 保护机理分析154-164
• 9.1 引言154
• 9.2 试验设计154-155
• 9.3 试验结果分析155-162
• 9.3.1 遗址土(US)的扫描电镜照片155-156
• 9.3.2 桐油处理土(TS)的微观结构156-159
• 9.3.3 石灰处理土(LS)的微观结构照片159-160
• 9.3.4 桐油和石灰处理土(TLS)的扫描电镜照片160-162
• 9.4 小结162-164
• 第十章 结论与展望164-168
• 10.1 结论164-166
• 10.1.1 潮湿状态土遗址概念的厘定164
• 10.1.2 提出斥水-碳化保护理念并优选处理介质164
• 10.1.3 遗址土和处理土的吸水-失水形状的影响164-165
• 10.1.4 桐油和石灰处理土的水稳定性165-166
• 10.1.5 毛细水上升数值模拟166
• 10.1.6 保护机理166
• 10.2 研究展望166-168
• 参考文献168-186
• 在学期间的研究成果186-188
• 致谢188-189

【引证文献】

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1 纪晓佳;糯米浆三合土的物理力学性能研究[D];浙江大学;2013年

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本文编号：660793