夯土遗址传统工艺科学认知与稳定性评价研究

发布时间：2020-11-20 00:34

　　 在长期自然和人为因素的影响下,夯土遗址病害频发,其中渐进式劣化是威胁遗址本体长期保存的主要病害之一,根部掏蚀则最为典型且破坏力最强。雨水冲刷、风沙磨蚀、水盐运移和温度梯度变化均是脆弱夯土建筑遗址破坏的主要影响因素。受建造工艺影响,夯土遗址层界面相对较脆弱,层界面最先出现表面风化、横向裂隙发育、局部掏蚀悬空,在重力作用下局部拉裂或压碎,最终形成贯通层状裂隙直至坍塌,这是威胁遗址本体长期保存的主要因素之一。丝绸之路中国段沿线地震频发,且多属于强震区,据统计,有记载以来丝绸之路沿线6级以上地震共220次,7级以上53次,而地震是导致根部掏蚀遗址坍塌的主要诱因,是造成遗址本体坍塌的主要外动力。本文基于对传统夯筑工艺文献的梳理,通过现场调查结合室内实验、现场夯筑工艺和足尺静动力模拟实验,在科学认知传统夯筑工艺质量影响因素和控制指标的基础上,揭示了夯土结构薄弱层界面的影响,阐明了传统夯筑工艺从相土验土、结构特征、工具匹配、营造模数、夯筑技法等系统工序;结合模拟实验建立了叠压夯筑工艺的力学模型,科学分析了传统夯筑工艺夯击应力的收敛特征;揭示了渐进式根部掏蚀墙体的应力重分布和墙体渐变式失稳机制;基于足尺原位、掏蚀45%墙厚模拟振台实验,通过数值模拟揭示了夯土墙体的静动力响应特征,建立了静动力作用下夯土遗址墙体互馈机制及稳定性计算模型,提出了夯土遗址稳定性评估和夯筑加固技术控制指标。主要研究结论及创新点如下:(1)通过现场调查结合室内实验、现场夯筑工艺实验,科学认知了传统夯筑工艺质量的影响因素和控制指标,揭示了薄弱层界面对夯土结构的影响,阐明了传统夯筑工艺从相土验土、结构特征、工具匹配,到营造模数、夯筑技法等的系统工序特征。(2)传统工艺夯击应力及效果测试表明,冲击应力随着夯击锤的重量增大、铺土厚度减薄及夯击遍数的增加,整体呈增大趋势;随着夯筑遍数增加,夯窝、夯实厚度、冲击力及弹性模量等逐渐收敛,夯筑1-4遍增长速率最快,4-6遍次之,6-8遍相对缓慢,8遍以后趋于稳定;基于此建立了夯锤重量、铺土厚度和夯筑遍数三变夯击应力计算模型和经验式,揭示了逐层叠加夯筑法这一古代夯筑工艺技术的突出特征。(3)渐进式的掏蚀是遗址根部局部坍塌及整体失稳的主要途径,渐进式掏蚀凹进模拟实验表明,墙体高厚比2:1~2.5:1时,随着根部逐渐掏蚀,掏蚀深度在墙厚0-10%范围内,墙体自身应力无明显变化,10%-20%时掏蚀侧局部区域压应力明显增加,20%-40%时墙体掏蚀压应力迅速增大,未掏蚀侧拉应力明显增大,墙体掏蚀深度超过45%压应力急剧增大,未掏蚀侧拉应力显著增加,且拉应力逐渐超掏蚀侧平移,直至掏蚀侧应力集中区压碎或墙体重心偏移,墙体坍塌破坏。(4)基于足尺原位和掏蚀45%墙厚模拟振台实验,形成了一套土体内部应力应变、位移及加速度,三维全场应变测量系统的监测装置,为足尺夯土墙体振台实验研究积累了经验。(5)基于足尺原位和掏蚀45%墙厚模拟振动台实验结果,结合数值模拟分析了不同工况条件下静力和在地震荷载作用下的稳定性及响应特征,分析了夯土遗址建模技巧、研究方法及主要影响因素,建立了夯土墙体静动力作用下稳定性计算模型。(6)通过建模分析原位和掏蚀45%墙厚模型,在静力和地震荷载作用下的响应特征,寻找到了主要破坏面、破坏形式和评价基准,提出了遗址体加固后稳定性评价应以原位状态安全储备为基准,为加固措施所需抗力和加固效果评价提供了可靠的理论依据。(7)根部掏蚀深度直接影响夯土墙体的整体稳定性,在自重应力作用下,墙体渐进式掏蚀深度超过墙体厚度45%时,在地震力作用下8度设防(400gal)墙体,墙体掏蚀深度超过墙厚的15%时,均从未掏蚀侧的层界面拉裂,直至掏蚀侧压碎而破坏。地震荷载作用下,需要干预掏蚀深度不足静力作用下的1/3。以上成果为夯土遗址传统营造工艺的认知、传承、挖掘和应用提供了技术支撑,解读了逐层叠压式夯筑工艺的受力机制和科学内涵,揭示了渐进式根部掏蚀夯土遗址应力重分布、静动力状态的破坏机制,提出了根部掏蚀遗址在静力和8度设防动力荷载作用下的干预阈值,为夯土遗址稳定性评价和夯筑支顶加固技术深入研究指明了方向,为夯土建筑遗址价值发掘、工艺技术传承和保护技术的科学化、规范化提供了支撑。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：K878;TU-87
【部分图文】：

几何模型完全按照第三章设计方案和第五章整体实验模型实际尺寸建模。基础部分尺寸为3.0m×1.4m×0.5m,墙体部分总尺寸为2.72m×0.96m×2.15m(墙体底宽0.96m,整体收分顶部至0.60m),整体误差不大于5mm。基础采用整体建模;墙体部分考虑夯层影响采用分层建模,按实验要求建立33层墙体,每层层高0.065m,即墙体高度=0.065×33 2.15m,误差不超过1mm,整体下部夯层相对较薄,上部夯层较厚,相差不超过2mm,夯层层界面薄层建立33层,每层层高取为1/15的墙体高度为0.004m,薄弱层厚度包括在每个夯层中,因此,夯层实际厚度为0.061m,几何模型如图6-1所示。(2)掏蚀墙体

几何模型完全按照第三章设计方案和第五章整体实验模型实际尺寸建模。基础部分尺寸为3.0m×1.4m×0.5m墙体部分总尺寸为:2.72m×0.96m×2.15m(墙体底宽0.96m,整体收分顶部至0.60m),整体误差不大于5mm。基础采用整体建模;墙体部分考虑夯层影响采用分层建模,按实验要求建立33层墙体,每层层高0.065m,即墙体高度=0.065×33 2.15m,误差不超过1mm,整体下部夯层相对较薄,上部夯层较厚,相差不超过2mm,夯层层界面薄层建立33层,每层层高取为1/15的墙体高度为0.004m,薄弱层厚度包括在每个夯层中,因此,夯层实际厚度为0.061m,掏蚀区域掏蚀深度450mm,掏蚀高度560mm,掏蚀高度在第9层夯层,几何模型如图6-2所示。6.1.3 单元格划分

原位墙体结构划分为基础和墙体两部分,其中基础部分3.0m×1.4m×0.5m,长度方向单元格墙体接触区域为保持和墙体单元格一致,长度方向单元格边长为136mm,与墙体非接触边缘区域为70mm,宽度方向与墙体接触区域为保持和墙体单元格一致,宽度方向单元格边长为96mm,其余非接触边缘区域为74mm,高度方向单元格边长均按照100mm分割,共计1920个单元格,单元形状均为六面体。墙体部分2.72m×0.96m×2.15m,沿高度方向夯层33层,每层厚度为65mm,层界面33层,层界面厚度4mm,为了确保夯层与层界面单元独立关系,夯层内墙长方向单元边长均为136mm,墙体宽度方向每层按照墙体收分均分单元格,33层单元格宽度均不同,最大为96mm、最小为60mm,高度方向夯层内单元边长均为65mm,共6760个单元,单元形状为六面体和棱柱体;层界面墙长方向单元边长均为136mm,墙体宽度方向每层按照墙体收分均分单元格,33层单元格宽度均不同,最大为96mm、最小为60mm,高度方向夯层内单元边长均为4mm,共6600个单元,单元形状为六面体。原位模型单元数量共计15280个(见图6-3)。图6-3原位墙体Solid65单元格划分示意图
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本文编号：2890668