冻融循环作用下不同含水率灰土的细微观结构与宏观力学性能

为了探明素土和灰土在不同含水率时细微观结构与宏观力学性能受冻融循环的影响规律,开展了素土和灰土在不同含水率时的冻融循环试验、抗压强度试验和核磁共振试验。结果表明,素土和灰土抗压强度均随含水率的提高而降低;素土和灰土抗压强度在同一含水率时均随着冻融循环次数的增加而降低,冻融循环六次时降低率可达到12次时的80%左右;灰土T_(2)谱信号峰值大于素土,T_(2)谱信号峰值随着灰土比例的提高而增大;不同含水率时素土和灰土T_(2)谱面积在冻融循环次数由3次增大至6次的增长率均明显大于6次至12次。

基于聚丙烯石灰改性技术的土遗址修复材料试验研究

土遗址主要建筑材料为土,长期暴露在自然环境下,损坏情况普遍且严重,亟待修复。在粉土中单独及混合掺入石灰和聚丙烯纤维制备改性土试样,开展直剪、压缩、风沙侵蚀、冻融和水稳性试验,以检验聚丙烯与石灰作为粉土遗址修复材料的可行性。试验表明,单独掺入石灰或聚丙烯纤维均能提高土的抗剪强度,当掺入9%石灰或0.25%聚丙烯纤维时,改性土内摩擦角和黏聚力可高达48.9°和107.11kPa,土的压缩性也显著降低。但单独加入聚丙烯纤维反而会导致改性土的水稳性变差,这是由于土中的聚丙烯纤维增加了水的入渗通道。通过以0.25%聚丙烯纤维和9%石灰制成混掺改性土试样,其黏聚力和内摩擦角不仅比单掺改性土最高提升了66.7%和28.9%,且试样水稳定性也显著增强,抵抗风沙侵蚀和冻融的能力也有较大改善,总体性能较优。因此混合使用石灰和聚丙烯纤维能更有效地改善粉土的工程性能。

金沙土遗址裂隙灌浆材料比选室内试验研究

为探究适用于金沙土遗址裂隙加固的灌浆材料,选取了烧料礓石、SH(改性聚乙烯醇)和无机矿物聚合物与金沙遗址试验土拌合制备了三种灌浆材料。通过室内试验,对各种灌浆材料结石体试样的基本物理性能、力学性能及耐久性能进行了详细分析。试验结果表明,无机矿物聚合物灌浆材料具有较低的收缩性,能够有效填充裂隙;同时,其较高的抗折和抗压强度为提升土遗址的力学稳定性提供了可靠保障;在研究的三种灌浆材料中,无机矿物聚合物灌浆材料展现出最佳的耐久性能。因此,建议在金沙土遗址的裂隙注浆加固工程中采用无机矿物聚合物灌浆材料,研究成果将为潮湿环境下土遗址裂隙灌浆材料的选择与应用提供有益的指导。

裂隙封护土遗址压力型锚固系统界面应力传递与承载性能解析方法

土遗址锚固工程中,压力型锚杆相比于全长黏结拉力型锚杆而言具有高承载力和耐易溶盐侵蚀的优势,但由于此类锚固系统传力机理尚不明确,导致其在实际工程中的应用受到严重制约.本文将遗址稳定体内锚固段分为弹性压缩段和黏结-滑移段两部分,分别基于线性弹簧和浆体/土体界面黏结-滑移强化型本构建立简化力学模型,对界面黏结-滑移全过程,即弹性阶段、弹性-强化阶段和强化阶段进行理论解析,推导了各阶段对应的位移、应变以及剪应力分布等计算公式,给出了压力型锚杆极限抗拔承载力解析解.结果表明,峰值载荷前载荷-位移曲线理论值与试验值吻合较好;弹性压缩段占比与锚固长度对载荷-位移关系的影响主要体现在弹性-强化阶段.参数敏感度分析表明,忽略弹性压缩段影响时,锚固长度与极限承载力线性相关;浆体弹性模量主要影响界面应力随载荷增加时的传递进程,对承载力影响有限;黏结-滑移模型的剪应力峰值对承载力有显著影响.该解析方法对土遗址压力型锚杆锚固系统传力过程分析具有良好适用性.

敦煌莫高窟壁画地仗层可溶盐迁移过程模拟研究

采用莫高窟壁画的地仗层制作材料与工艺制备了不同盐分含量及组成的模拟土柱,并在柱体不同位置加入氧化铝小球作为盐分迁移的探针,以考察硫酸钠与氯化钠两种盐分在土柱内部的分布、迁移及在柱体表面的结晶行为.为了探查壁画的地仗层组分差异和孔体性能的不同对盐分迁移与结晶过程的影响,对放置在不同位置的探针小球和同一位置土体进行采样,利用比表面积/孔隙度分析(BET)和扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)等方法考察不同孔结构及性能对水盐运移与分布的影响,及不同盐分在模拟柱表层的探针小球和土体表面结晶表现的差异.离子色谱(IC)法用来分析在模拟柱的不同高度处所含盐离子浓度,以考察其在柱体中的迁移性能和分布特征,进而得到壁画地仗层的组分不同对水盐运移及盐分结晶的影响.结果表明:水盐运移介质的孔道性能与结构对盐害的产生与发展有较大影响,当地仗层中麦草含量较多时有利于水盐溶液向地仗表层迁移,而细麻的存在增加了土体中介孔数量,两者均促使了盐分在更接近地仗表层的位置成核结晶,对表层壁画的存在造成威胁.盐分的结晶表现与盐害机理也有所不同,硫酸钠更易在模拟土柱表层土质中结晶,而氯化钠则主要在氧化铝小球表层结晶,当两种盐分同时存在时,主要表现为氯化钠在土柱表面氧化铝小球的结晶,土体表层的盐分结晶反而减弱.

熟石灰-偏高岭土改性土应用于土遗址病害修复

【目的】探索适用于修复土遗址病害的改性材料及修复工艺。【方法】在素土(plain soil,P)中添加偏高岭土(metakaolin,MK)和熟石灰(hydrated lime,HL),并基于室内试验研究两者的最优配比及综合工程特性;基于三类夯土墙模型试验研究改性材料的病害修复工艺及修复效果。【结果】1)当偏高岭土与熟石灰质量比为1∶1且两者的总占比为20%时,熟石灰-偏高岭土改性土(HL⁃MK改性土)的孔隙率较素土的大幅降低,其无侧限抗压强度约为素土的4倍,抗渗性能提高100倍,黏结强度是素土的1.2倍,崩解性也显著提高。2)基于夯土墙体掏蚀、表面剥蚀、裂缝三类病害的模型试验,分别提出了砌补、喷涂、注浆的修复工艺。基于上述工艺,墙体修复后的剥蚀率、裂缝扩展速率、温度梯度及湿度梯度显著降低。【结论】本文提出的HL⁃MK改性土最优配比及相应修复工艺可适用于土遗址病害的修复,能够为半干旱地区的土遗址病害修复提供科学依据。

土遗址锚固土体-浆体(CGN+C)界面力学性能

为揭示土遗址锚固系统中第二交界面黏结破坏机制,采用自主研制的依托压力试验机的第二交界面力学性能试验装置及试样制作装置,以孔壁粗糙度及注浆体配合比为变化参数,设计了两组共30个土体-浆体(CGN+C)界面试样进行室内推出试验。结果表明:锚固系统土体-浆体的荷载-滑移关系曲线具有明显的峰值强度;研究用各类浆体30 cm锚固长度可提供0.08～0.26 MPa(光滑孔壁)与0.26～0.46 MPa(螺纹孔壁)的抗剪强度,螺纹界面使抗剪强度最大提高了4.21倍;随烧料礓石掺和比的增大,两组试样抗剪强度值呈现的规律基本相同;光滑界面的剪滑曲线特征主要呈应变强化型,螺纹界面曲线特征主要呈应变软化型;界面剪应力-位移关系模型与试验结果拟合度较好。研究结论为土遗址锚固系统内部力学过程研究奠定理论基础。

中国丝绸之路土遗址的病害及PS加固

中国丝绸之路土遗址遗存种类多、类型全、赋存环境复杂,其主要病害按保存环境分为两类:露天土遗址,主要有风蚀、雨蚀和裂隙;室内土遗址,主要有污染、风化和裂隙。以吐鲁番交河故城为例,研究保护加固技术,通过对PS处理前后遗址土样的X-衍射分析、结晶度测定、扫描电镜和透射电镜等方法的分析测试,探讨PS加固土遗址的机制,提出以PS为加固材料,对土遗址防风蚀、雨蚀的化学加固方法;对裂隙和危土体提出锚固和裂隙灌浆联合使用的加固技术,尤其是楠竹加筋复合锚杆解决了大体量松软危土体的锚固问题;对掏蚀缺损部分提出夯补及土坯砌补等加固工艺和方法。这些加固措施,基本解决了干旱土遗址的主要问题,提出的加固措施具有较好的适用性和应用价值。

冻融破坏对汉长安城遗址土的结构影响研究

冻融破坏是土遗址中一种常见的病害,冻融前后土的力学性质的改变主要受土的结构变化的影响。以汉长安城遗址土为样品,采用扫描电镜观测经不同冻融次数后加固和未加固土样的微观结构,分析汉长安城遗址土冻融破坏的微观机理。试验结果表明:经冻融循环后,土样颗粒粒径减小,未加固土样主要粒组粒径从30滋m左右变化到10滋m左右,加固土样主要粒组粒径从30滋m左右变化到20滋m左右,颗粒形状变得扁薄,孔隙数量增加;采用5%的PS溶液加固土样和未加固土样经过15个冻融循环后两种样品的结构都变得疏松,但是经加固的土样的网状结构依然存在,而未加固样品土的骨架结构已经遭到破坏。

土遗址土动力特性

通过动三轴试验和数值计算,分析甘肃河西地区原状、重塑土遗址土的动模量、阻尼比、抗剪强度和土遗址在破坏地震作用下的动力响应。结果表明:弹性范围内,原状和重塑土遗址土动应力σd和动应变εd呈非线性关系且符合双曲线模型,动弹性模量E随εd的增大而减小,二者初始动弹性模量E0和剪模比G/G0差别很小,剪模比曲线基本重合;剪应变γ取值范围相同时,重塑土阻尼比λ随着γ的增大趋势高于原状土;相同实验条件下,原状土遗址土内聚力略高于重塑土。夯实加固法一定程度上恢复了土遗址强度,但当破坏地震来临时,其整体的抗震性能还有待加强.

毛细水干湿循环作用下土遗址的强度特性与孔隙分布特征

集中降雨及地下水位波动引起的毛细水作用是诱发中原地区粉土类遗址掏蚀、滑塌等病害的重要因素。为研究毛细水作用下其强度特性的劣化规律,以新密古城寨遗址粉土为研究对象,对自制土柱进行多次干湿循环后,取样进行固结排水剪切试验以研究其抗剪强度特性,并对部分土样进行核磁共振和扫描电镜测试以研究其微观结构特征。探讨后者与抗剪强度特性之间的关系。宏观试验结果表明,干湿循环作用对粉土应力-应变关系曲线形态的影响规律与围压相关;强度及黏聚力在首次干湿循环后增大,随后逐渐减小并趋于稳定,稳定值均低于原土样,而内摩擦角衰减幅度较小。因此,对于土遗址毛细水影响区域,建议采用干湿循环稳定后的力学参数进行相关计算。结合核磁共振及扫描电镜试验结果,发现造成粉土强度及黏聚力随干湿循环次数增加呈先强化后衰减变化规律的主要原因是,土的中孔孔隙体积先降低后缓慢增大,小孔孔隙体积逐渐增大,二者的调整作用致使土的总孔隙体积先减小后逐渐增大直至稳定。分析认为,粉土强度特性的干湿循环效应与黏粒"网架"1次干湿循环后的均匀收缩及后续循环中的破坏有关。

改性聚乙烯醇固化麻刀加筋遗址土的力学特性

采用正交实验设计方法,以改性聚乙烯醇(SH)固含量、麻刀长度、加筋量为变量,研究了SH固化麻刀加筋遗址土的力学特性,分析了力学加固效果最佳的材料配比组合.结果表明,对抗压强度和抗拉强度影响最大的因素依次是SH固含量、加筋量、麻刀长度;SH溶液可加强土体颗粒之间、土颗粒与麻刀之间的粘结强度;适当的麻刀长度和加筋量有助于改善土体的力学特性.分析得出的最佳配比组合为SH固含量0.7%,麻刀长度1.0 cm,加筋量0.2%.

注浆模式对土遗址裂隙修复浆-土界面黏结性能影响研究

浆-土界面黏结性能是裂隙加固与土遗址修复领域的焦点问题,其抗剪性能则是衡量界面黏结性能的重要标准。为探究SH-(CaO+F+C)浆液、起伏界面以及微型石灰桩单独或组合所形成的4种注浆模式对浆-土界面的黏结性能的影响,通过室内模拟裂隙注浆后的界面直剪试验,对不同龄期、模式下浆-土混合体波速和界面抗剪性能的(界面破坏形式、剪应力-应变特征和抗剪强度参数)变化规律进行对比研究与分析。结果表明:在生石灰、粉煤灰和SH溶液的共同作用下,4种注浆模式浆-土界面的抗剪性能均随龄期增加呈增长趋势,且63d达到稳定;整个龄期界面的破坏形式以黏结破坏为主,表面残留土体厚度、峰值剪应力、界面等效剪切系数的大小关系均表现为起伏有桩模式>起伏无桩模式>平直有桩模式>平直无桩模式;而且以上规律是由浸润、膨胀挤密、升温加热、机械咬合与离子迁移机制的不同组合而导致的。

南竹加筋复合锚杆加固土遗址研究

南竹加筋复合锚杆是专门针对大体量土遗址加固设计的一种新型锚杆。通过试验证明,采用PS系列灌浆、南竹加筋复合锚杆加固土遗址符合文物保护的原则。当采用水泥砂浆作为灌浆材料时南竹加筋复合锚杆单位锚固力可采用30kN/m,当采用PS-(F+C)浆液灌浆时单位锚固力可采用20kN/m。南竹加筋复合锚杆加固土遗址时的薄弱界面是锚杆杆体与锚固体之间,水泥砂浆和PS-F灌浆材料的强度都可以满足南竹加筋复合锚杆锚固时的要求,水泥砂浆锚固体与锚杆杆体的黏结强度标准值为187kPa,特征值为85kPa;12%PS-F与粉煤灰锚固体与锚杆杆体的黏结强度标准值为114kPa,特征值平均为52kPa。

降雨时长对土壤结皮发育性能的影响研究

室外土遗址经常因遭遇降雨、水淹等发生结皮,造成土遗址表层性能改变,影响土遗址的进一步保护。以定量纯净黄土在等降雨大小下,通过控制不同降雨时长,试验了不同降雨时长下土壤结皮发育的过程,分别测试了降雨前后的结皮厚度、密度、硬度及孔隙结构。结果表明,在降雨量未达到饱和状态时,随降雨量增大,结皮层的厚度、密度、硬度迅速增大,表皮土壤颗粒被击碎,孔隙迅速减小;在降雨量达到饱和状态时,随降雨量增大,结皮层的厚度、密度、硬度缓慢增大,但表皮土壤裂缝迅速发育,由周围向中心形成同心圆状或辐射状裂隙。研究结论可为室外土遗址的保护提供参考。

粉砂土抗剪强度黏粒含量效应

为分析黏粒含量对遗址土抗剪强度特性的影响规律及其形成机理,以遗址粉砂土为研究对象,用常规直剪仪开展不同黏粒含量的慢剪试验,并对部分土样进行微观试验。直剪试验结果表明,黏粒含量从0增至25%的过程中,抗剪强度显著提高,黏聚力呈两段折线型增长(拐点位于黏粒含量10%处)特征,高、低应力段的差值逐渐减小直至基本相同,而内摩擦角则随黏粒含量增加而减小;在试验干密度和黏粒含量范围内,粉砂土按照规范法拟合所得低应力段的抗剪强度大于实测值,用于土遗址稳定性等分析时偏于不安全。结合扫描电镜试验结果,认为造成土样黏聚力随黏粒含量呈折线型变化的主要原因是,当黏粒含量大于10%后,遗址土土性从“类砂土”向“类黏土”转变,受力骨架由砂颗粒向“黏粒网架”过渡。

桐油与石灰加固吉野里坟丘墓土的实验研究

用夯筑方法建造的土遗址在公开展示之前需要对土遗址的本体进行修复和加固。通常采用合成树脂作为土遗址本体和表面处理的材料,但合成树脂作为加固材料存在着一系列的问题,如会降低土体强度及对构造造成破坏。本工作针对日本九州地区广泛分布的真砂土和火山灰土为材料修筑的土遗址修复工程,尝试运用石灰、糯米汁、桐油作为土遗址的修复材料。按照不同的配合比制作试验土样进行无侧限抗压、固结、干湿循环、冻融循环等试验。结果显示,添加了4%桐油和石灰的土样能够大幅度提高夯土的强度,且压缩性低、抗冻融性好,尤其能显著提高土样的抗干湿劣化的性能。建议在九州地区的土遗址修复和保护工程中运用。

低应力水平下土遗址力学特性的干湿循环效应

为分析干湿循环对土遗址力学性状的影响规律及作用机制,以遗址粉土为研究对象,采用自制的可分层取样试验装置开展长达15个月的干湿循环测试工作。在完成一定次数的干湿循环后,分别取样进行低应力条件下三轴排水剪切试验,并对部分土样进行相关微观试验。三轴排水剪切试验结果表明,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继续增加,其应变软化性整体上呈减弱趋势;同时,黏聚力c、变形模量E0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。因此,在土遗址浅层破坏修复工程中,建议采用干湿循环稳定后低应力水平下的力学参数进行相关计算。结合压汞试验结果,认为造成上述土体强度及变形参数随干湿循环次数非单调变化的主要原因是,第1次干湿循环后土样团粒内孔隙体积减小,而循环后期团粒内、颗粒间及颗粒内孔隙体积增大。同时,遗址粉土力学特性的干湿循环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,与黏土的干湿循环作用机制存在本质差异。研究可为土遗址预防性保护及加固提供技术依据和理论支撑。

几类传统改性土的工程特性综合评价及在土遗址修复中的应用

修复技术是目前土遗址保护领域较为关注的热点问题。基于室内试验、模型试验和层次分析法理论,开展传统改性土的工程特性及在土遗址修复中的适宜性研究。结果表明:(1)在素土中添加一定比例的糯米基、胶凝材料或纤维材料,得到的改性土工程特性均有不同程度的改善,其中,抗剪强度提高为素土的1.3~3.5倍,抗渗性提高为素土的3~1650倍,耐久性提高为素土的1.3~12.5倍;(2)提出基于安全性、耐久性、抗渗性、吸放湿特性、经济性、施工难易性6类指标,来综合评估改性土在土遗址修复中的适宜性,认为糯米灰浆类改性土在土遗址的修复中适宜性较好,石灰、植物纤维等材料改性土的适宜性稍差,水泥改性土不宜在土遗址修复中采用。

烧料礓石改性浆体–遗址土体界面抗剪性能试验

为研究土遗址锚固系统中浆体–土体界面抗剪性能,揭示锚固系统内部受力机制。试验选择目前土遗址锚固工程中常用的烧料礓石、粉煤灰、石英砂及遗址土作为主要浆体材料,同原状遗址土制成黏结试样。根据实际工作条件,对试样进行室外土体掩埋养护。通过浆体–土体界面直接剪切试验,得到不同配比浆体–土体界面的剪应力–位移关系曲线、抗剪强度参数及浆体–土体界面剪应力–位移拟合曲线。试验结果表明,浆体–土体界面未能有效黏结,界面抗剪强度主要依靠滑动摩擦及咬合摩擦承担;烧料礓石改性遗址土浆体与遗址土体黏结试样内摩擦角最大,浆体材料兼容性对界面抗剪强度的提高具有重要意义。室外掩埋养护土体温湿度的频繁波动和PS溶液的固化作用对界面黏结能力影响显著。因此,土遗址锚固工艺是保证锚固质量的关键因素之一。