土木前沿概況

土遺址加固保護(hù)與加固技術(shù)概述（高延生東華理工大學(xué)南昌市330013）摘要：通過分析土遺址加固保護(hù)原則、主要病害成因、加固保護(hù)應(yīng)用技術(shù)、加固材料等方面的發(fā)展?fàn)顩r,總結(jié)土遺址加固保護(hù)的科研成果和經(jīng)驗(yàn),為加快土遺址加固保護(hù)步伐提供建議。關(guān)鍵詞:土遺址,加固,病害成因,技術(shù)手段。Abstract:Experiencesandachievementsinscientificresearchoftheconsolidationandprotectionofearthensitesareconcludedbyanalyzingconsolidationandprotectionprinciple,causeofdisease,consolidationappliedtechniqueandreinforcementmaterial,thensomesuggestionsareprovidedfortheprotectionofearthensites.Keywords：earthensites,reinforcement,causeofdisease,technology.1前言土遺址是全人類珍貴的文化遺產(chǎn),這些土遺址經(jīng)過千百年來歲月的風(fēng)風(fēng)雨雨,幾乎都出現(xiàn)了不同程度的損壞,有的甚至瀕臨損毀,因此保護(hù)這些歷史瑰寶變得非常重要而且非常緊迫。經(jīng)過近百年艱辛的摸索,土遺址加固保護(hù)研究在多方面已取得豐碩成果,但至今仍無章可循,無科學(xué)的評估體系,更無有效的監(jiān)控系統(tǒng)。本文結(jié)合多年的工程經(jīng)驗(yàn)和研究,從土遺址加固保護(hù)原則、病害成因、加固保護(hù)技術(shù)手段和加固材料等方面入手,分析總結(jié)土遺址加固保護(hù)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),為土遺址加固保護(hù)進(jìn)一步規(guī)范化、系統(tǒng)化和科學(xué)化提供參考依據(jù)。在剛剛過去的20世紀(jì)里，巖土加固技術(shù)在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成功地解決了許多工程加固的關(guān)鍵問題，取得了豐碩成果，巖土加固的新概念、新技術(shù)不斷產(chǎn)生。其中巖土注漿和巖土錨固技術(shù)得到完善和廣泛應(yīng)用，巖土注漿包括水泥注漿材料的發(fā)展與應(yīng)用、化學(xué)注漿材料的發(fā)展和應(yīng)用、高壓旋噴注漿技術(shù)、特殊注漿技術(shù)（如粉噴加固技術(shù)、樹根樁加固技術(shù)）等；巖土錨固技術(shù)有好多種如預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)加固技術(shù)、化學(xué)錨固技術(shù)、釘墻技術(shù)等。土遺址加固保護(hù)原則迄今國際社會(huì)已形成普遍共識(shí),遺址保護(hù)“保持原狀或現(xiàn)狀”是最基本的原則,這也是我國古建筑學(xué)家梁思成先生所推崇的作法。這樣可以最大限度地保存土遺址所蘊(yùn)涵的歷史價(jià)值,這也是今人保護(hù)加固土遺址的目的所在。為了達(dá)到“修舊如舊”的目的,在加固時(shí)應(yīng)盡量保存甚至使用原始材料,運(yùn)用傳統(tǒng)工藝,這就要求對土遺址的文化底蘊(yùn)、土體自身結(jié)構(gòu)組成、建造工藝有全面了解。其次,加固保護(hù)不能影響后人的再次加固保護(hù)。我們知道任何材料都有使用壽命,若材料老化后對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響,將與初衷背道而馳,這就提醒我們材料使用應(yīng)盡可能與土遺址土體結(jié)構(gòu)相近,以做到材料匹配。土遺址的特殊性以及古建筑加固保護(hù)的原則要求，目前世界范圍大多應(yīng)用膠結(jié)和引入筋材原理，即采用化學(xué)加固、物理加固或化學(xué)物理相結(jié)合（化學(xué)錨固技術(shù)）的方法加固土遺址。下面對巖土加固技術(shù)加固保護(hù)土遺址措施進(jìn)行分析。土遺址病因分析受自然環(huán)境和人為破壞的影響,幾乎所有的土遺址都有不同程度和不同表現(xiàn)的破壞,在這些破壞原因中,風(fēng)化起主導(dǎo)作用。其中化學(xué)風(fēng)化又是破壞性最大的一種,而幾乎所有的化學(xué)風(fēng)化的進(jìn)行都離不開水的參與,水通過參與溶解作用、水化作用、水解作用及氧化作用等使土遺址形貌發(fā)生改變。3.1溶解作用溶解作用是指水直接溶解巖石礦物的作用,它將使巖土體遭到破壞。最容易溶解的是鹵族鹽類(鈉鹽、鉀鹽),其次是硫酸鹽類(石膏、硬石膏)和碳酸鹽類(石灰?guī)r、白云巖等)。溶解作用一般進(jìn)行得十分緩慢,但當(dāng)水中含有侵蝕性CO2而發(fā)生碳酸化作用時(shí)，水的溶解作用就會(huì)顯著增強(qiáng),或當(dāng)水的溫度增高以及壓力增大時(shí),水的溶解作用同樣得以加強(qiáng)。水化作用水泥的水化是大家熟悉的,土壤中有些物質(zhì)和水接觸后,也會(huì)形成新的含水物質(zhì),改變礦物原有的分子式。水化過程通常會(huì)引起體積膨脹,會(huì)對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的膨脹壓力,促進(jìn)了風(fēng)化的進(jìn)行,使土體發(fā)生破壞。水解作用水解作用是指礦物與水的成分起化學(xué)反應(yīng)形成新的化合物。這種作用包括分解礦物、析出某些元素、與氧離子組合以及水化作用。在水解過程中,礦物的原生晶體結(jié)構(gòu)被破壞、改造,并且可能完全遭到破壞和被完全不同于原始物質(zhì)的新生成的表面風(fēng)化礦物結(jié)構(gòu)所替代。氧化作用氧化作用常與水化作用相伴進(jìn)行。在自然界中低氧化合物、硫化物和有機(jī)化合物最易遭受氧化作用。尤其低價(jià)鐵，常被氧化成高價(jià)鐵。常見的黃鐵礦(FeS2)，在水溶液中可發(fā)生氧化,變成硫酸亞鐵(FeS04)和硫酸(H2SO4)，硫酸亞鐵進(jìn)一步氧化成褐鐵礦(Fe2O3?2H2O)。黃鐵礦在風(fēng)化過程中還會(huì)析出硫酸，具有很強(qiáng)的腐蝕作用。除水之外，溫度、濕度等亦可引起風(fēng)化，各種因素交互作用引起風(fēng)化破壞更為復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究?？傊?，土遺址損壞原因多種多樣，相同的原因可能引起不同的病害特征，同一病害特征也可能是由不同的原因引起的。對土遺址的保存現(xiàn)狀的分析，尤其是病因的分析是土遺址加固保護(hù)的重要內(nèi)容。交河故城瞭望臺(tái)［1］裂隙分布瞭望臺(tái)頂面存在著5條大的張裂隙，寬5?10cm，面粗糙，裂隙內(nèi)充填有臺(tái)面的松散物，裂隙走向和邊墻走向一致，裂隙距臨空面1?1.2m,深度一般為4m左右。各側(cè)壁立面密布眾多的豎向裂縫(見圖1)，裂隙寬度較小，傾向受窯洞形狀控制，面粗糙，充填物一般上部較多，下部較少甚至無填物，裂隙上寬下窄，深度不一，個(gè)別貫穿到地面。

18.518.5圖1裂隙展開示意圖(單位:m)Fig.1Thesketchmapofexpandingcranny(unit:m)土遺址加固保護(hù)應(yīng)用技術(shù)化學(xué)技術(shù)手段為了詳細(xì)準(zhǔn)確地了解遺址土體破壞程度、結(jié)構(gòu)、特征、加固前后土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異,定性了解加固效果,已應(yīng)用多種化學(xué)技術(shù)手段進(jìn)行了測試分析。如掃描電子顯微鏡分析用于研究遺址或試樣表層和內(nèi)部形貌的差別或直接觀察加固前后土體內(nèi)部形貌的改變,為加固效果評估提供科學(xué)依據(jù);X—射線衍射分析、傅立葉紅外分析、差熱一熱重分析等用來確定土體風(fēng)化程度或遺址分子間的脫水程度;利用超聲波信號(hào)探測巖土的裂隙情況,幫助評價(jià)保護(hù)處理的效果。隨著土遺址加固研究進(jìn)展,會(huì)有更多更好的技術(shù)手段應(yīng)用到加固保護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)。4.2土遺址加固保護(hù)方法在剛剛過去的一個(gè)世紀(jì)里,巖土加固技術(shù)迅猛發(fā)展,由于土遺址的特殊性以及古建筑加固保護(hù)的原則要求,借鑒膠結(jié)和引入筋材構(gòu)成復(fù)合體這兩種土的加固方法,形成土遺址獨(dú)特的加固方法,即化學(xué)加固法、物理加固法和化學(xué)錨固法?；瘜W(xué)加固法考慮與土體結(jié)構(gòu)盡量相容,加固中多選用化學(xué)溶液對加固體進(jìn)行類似于灌漿法的處理方法,即化學(xué)加固法。目前此法應(yīng)用最廣,既可用于裂隙加固,也可用于表面剝蝕等加固保護(hù)。物理加固法即土木工程中的錨固法、相夾法和支護(hù)法等機(jī)械加固方法。在土遺址中裂隙很多,對小裂隙可采用化學(xué)溶液灌漿進(jìn)行處理,對有可能造成失穩(wěn)、坍塌的裂隙用物理加固就比較有效在秦俑坑土遺址裂縫治理［2中,采用“U”型和“H”型支架對裂縫嚴(yán)重的部位進(jìn)行了臨時(shí)支撐防護(hù),對巨大裂塊,采用網(wǎng)狀鋼架進(jìn)行了加固。這種方法最大的缺點(diǎn)是有礙觀瞻,影響土遺址價(jià)值最大程度的發(fā)揮。(3)化學(xué)錨固法如上所述單用化學(xué)加固有可能達(dá)不到加固目的,而單用物理加固有時(shí)又不能很好地發(fā)揮土遺址的價(jià)值,于是自然而然想到化學(xué)和物理相結(jié)合的方法。即先置入構(gòu)件或錨桿等結(jié)構(gòu)元件,后灌注化學(xué)漿液,這就是化學(xué)錨固法。李最雄在破城子加固保護(hù)和河倉城錨固試驗(yàn)［1］中分別采用薄壁鋼和白蠟桿做結(jié)構(gòu)元件,后用漿液進(jìn)行灌漿?？梢娀瘜W(xué)錨固技術(shù)以其獨(dú)特的魅力受到土遺址加固保護(hù)工作者的青睞,在土遺址加固保護(hù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。4．2土遺址表面剝蝕加固保護(hù)灌漿已有進(jìn)200年歷史，到20世紀(jì)20年代后，灌漿已廣泛地應(yīng)用在近代土木工程中，其中一項(xiàng)就是用來修復(fù)和加固有歷史意義的古老的但有缺陷的圬工建筑物。目前國內(nèi)外在古建筑保護(hù)加固中漿液多選用化學(xué)溶液，這是因?yàn)槎嗌倌陙恚瘜W(xué)以其巨大的威力在巖土工程中塑造了許多成功的典型實(shí)例，其中就有土遺址保護(hù)工程。巖土工程引入化學(xué)原理和方法，研究和改善其結(jié)構(gòu)與受力機(jī)理、探索和創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)和工藝類型，以滿足工程建設(shè)的需要，日益受到有關(guān)各界的重視，尤其在土遺址保護(hù)方面應(yīng)用更廣。土遺址受風(fēng)化、雨蝕，風(fēng)蝕作用，不同程度有碎裂、粉化、剝落、掏蝕、沖溝損害，對這些損害目前保護(hù)者們大多采用化學(xué)加固進(jìn)行加固保護(hù)，必要時(shí)可做表面處理。秦始皇兵馬俑炭化遺跡就用丙烯酸樹脂進(jìn)行了保護(hù)［3］［4］；對秦俑弩弓跡、車輪跡、西安半坡部分遺址、西安老牛坡商代古墓群中車馬坑，有機(jī)硅單體、低聚物、高聚物等材料進(jìn)行保護(hù)［5］；對甘肅秦安大地灣遺址、三門峽車馬坑、洛陽含嘉倉等遺址，用PS材料進(jìn)行保護(hù)與試驗(yàn)⑹。4．3土遺址裂隙、坍塌的裂隙灌漿、錨固加固在土遺址中裂隙很多，對小裂隙可采用化學(xué)溶液灌漿進(jìn)行處理，對有可能造成失穩(wěn)、坍塌的裂隙人民用現(xiàn)代建筑中加固常見的方法物理加固對土遺址裂隙進(jìn)行保護(hù)?；瘜W(xué)加固：破城子遺址、河倉城遺址、玉門關(guān)遺址等［7］墻體裂縫采用PS-C、PS-F加固材料進(jìn)行保護(hù)，對較大裂縫，采用先封閉裂隙，然后在裂隙內(nèi)充填土塊，再灌注PS-C、PS-F加固材料，來取得較好的效果。物理加固：在秦俑坑土遺址裂縫治理⑻中，最初隔墻采用“U”型和“H”型支架(如圖2)對裂縫嚴(yán)重的部位進(jìn)行了臨時(shí)支撐防護(hù)，“U”型支架用于過洞內(nèi)地面物遺跡處，“H”型支架用于過洞內(nèi)地面有遺跡處，這兩種支架雖起到加固作用，但有礙于觀瞻，最后采用相夾法重新加固。對俑坑土邊壁出現(xiàn)的裂縫，對巨大裂塊，采用網(wǎng)狀鋼架進(jìn)行了加固。如上所示單用化學(xué)加固有可能達(dá)不到加固目的，而單用物理加固土遺址，有時(shí)不能很好得保存土遺址的價(jià)值，充分發(fā)揮其作用。這時(shí)可采用化學(xué)和物理相結(jié)合的方法。我們知道，化學(xué)錨固與機(jī)械錨固不同，機(jī)械錨固承受振動(dòng)荷載時(shí)容易松動(dòng)，不安全，化學(xué)錨固則能夠有效地抵抗振動(dòng)，抗振性能好，抗拉拔力大、抗疲勞、耐老化特性突出。采用化學(xué)錨固技術(shù)將筋材植入原來結(jié)構(gòu)，進(jìn)行內(nèi)部加固，是保護(hù)重要建筑的有效方法，如全國政協(xié)禮堂改造就運(yùn)用了這項(xiàng)新

技術(shù)?；瘜W(xué)錨固技術(shù)在建筑領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，物理和化學(xué)相結(jié)合的方法尤其受到土遺址加固保護(hù)工作者的青睞，其獨(dú)特的魅力被認(rèn)為是加固土遺址較理想的技術(shù)。破城子加固保護(hù)⑷中，采用了直徑2—4cm薄壁鋼管并以PS-F,PS-C進(jìn)行灌漿試驗(yàn)。河倉城錨固試驗(yàn)⑺區(qū)片&一號(hào)坑隔墻巫新加回?cái)[瓷片I一弓坑北數(shù)弟四鏑塔「裂燧與右理架加固冏籃扛」渚圈片區(qū)片&一號(hào)坑隔墻巫新加回?cái)[瓷片I一弓坑北數(shù)弟四鏑塔「裂燧與右理架加固冏籃扛」渚圈片3三號(hào)氓北鳴房甫星製陡圉片5一號(hào)境習(xí)堅(jiān)二分來切果快孩腺巴」厲片￡一C坑北吐底曠我訶園T采用直徑在25-45mm之間的白蠟桿做筋材，用漿液進(jìn)行灌漿。圖2：秦俑坑土遺址加固時(shí)照片[9]4．4夯筑、培筑和建筑砌體的基礎(chǔ)加固露天的古代建筑土遺址，經(jīng)過千百年的風(fēng)化、風(fēng)蝕和雨淋，一般在墻基被嚴(yán)重掏蝕，形成上大下小倒立的“棒槌山”形，很容易造成坍塌破壞。對基礎(chǔ)的加固較常見［5］。如果輕微掏蝕，可用當(dāng)?shù)責(zé)o可溶鹽的粘土用水拌和均勻，培筑被掏蝕凹進(jìn)的基礎(chǔ)。如果墻基被嚴(yán)重掏蝕，凹進(jìn)很深，這時(shí)無法夯筑。原因之一是垂直墻體夯筑無法進(jìn)行，其二是夯筑產(chǎn)生的振動(dòng)，隨時(shí)可那造成墻體的坍塌。這是可將配制的土調(diào)成泥，制成土坯，用這種干透的土坯作砌體，填充掏蝕凹進(jìn)的墻基。必要時(shí)可用錨桿和化學(xué)加固液來增強(qiáng)夯筑基礎(chǔ)土、土坯砌體與原墻體的連接。加固保護(hù)處理中技術(shù)要點(diǎn)5．1強(qiáng)度提高適度將一個(gè)多孔、松散的土遺址加固成像水泥、巖石一樣的東西是不允許的。一般講，文物加固只能適度，并不是越強(qiáng)越好。最佳的強(qiáng)度是加固后文物強(qiáng)度接近或者略高于原文物的強(qiáng)度。一般可以這樣講，但做起來是件非常復(fù)雜的事。加固過度不僅會(huì)影響外觀、質(zhì)感，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生毀壞文物的副作用。如在一個(gè)風(fēng)化的夯土墻上敷一層草泥比敷一層水泥砂漿牢固，因?yàn)樗嗌皾{和風(fēng)化夯土不易粘接在一起，會(huì)很快產(chǎn)生大塊剝離而草泥和風(fēng)化夯土能粘合在一起，不容易產(chǎn)生剝離。從中可以看出進(jìn)行土遺址加固保護(hù)時(shí)盡量選擇與土體性能比較相近的。這也是我們加固土遺址的一個(gè)很簡單的科學(xué)依據(jù)。5．2加固劑易滲透且滲透平緩加固劑滲入物體內(nèi)部，靠與物體結(jié)合的方法部分地提高它的強(qiáng)度。這要求加固劑在初始階段是流動(dòng)的液態(tài)，而最終形成固態(tài)，且這種液體必須稀釋到足以能夠達(dá)到物體內(nèi)的長而細(xì)小的空隙內(nèi)，才能達(dá)到加固的目的。即加固劑不僅能浸潤物體的表面，達(dá)到理想的粘合功能，而且能夠滲入物體內(nèi)部。加固劑在風(fēng)化、多孔的土體上只能滲透到一定的深度，不可能將一個(gè)龐大的土遺址完全滲透，也就是說滲透深度有限，這也是土遺址加固保護(hù)中棘手的問題，故加固中盡量做到加固劑滲透平緩，這樣可以使加固層和原土層強(qiáng)度、內(nèi)聚力、收縮性及其他物理特性差別不大。具體處理時(shí)對加固劑進(jìn)行多次滲透。5.3土遺址加固材料用化學(xué)加固方法加固保護(hù)土遺址成功與否的關(guān)鍵在于化學(xué)材料的選用。用于土遺址加固的材料很多,都取得了一定的成就。水玻璃作為土壤加固劑,過去和現(xiàn)在常用于土遺址的加固保護(hù)［10］;經(jīng)過改性處理的高模數(shù)硅酸鉀溶液—PS在西北地區(qū)得到較好的應(yīng)用［1］;丙烯酸樹脂在土遺址加固中得到應(yīng)用及進(jìn)一步發(fā)展［11］;有機(jī)硅類及其改性處理材料以其優(yōu)良的耐久性、疏水和透氣性被用于多地區(qū)的遺址加固［12］;新興的含氟聚合物用于土遺址加固保護(hù)正在研究中［13］。隨著建筑材料的迅猛發(fā)展,會(huì)有更多新的材料被應(yīng)用。面對眾多的加固材料,有必要從加固材料的組分、加固機(jī)理及物性三方面對加固劑進(jìn)行深入分析,更科學(xué)地對加固材料加以選擇。土遺址加固中有關(guān)問題的思考一種加固材料對某一賦存環(huán)境土遺址加固效果較好,但若換個(gè)環(huán)境,效果就較差,是否可通過對某種材料進(jìn)行改性處理,使其自成一體系,提高其適用性。加固劑滲透不均勻是困擾土遺址保護(hù)研究者的一個(gè)難題。目前只能通過控制加固劑的濃度來滿足要求,而加固劑濃度的確定要通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)來選擇,費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,并且加固效果可能不理想。能否借助現(xiàn)代技術(shù)在遺址土體性質(zhì)(如孔隙度)與加固劑濃度之間快速找到合適的匹配關(guān)系,我認(rèn)為是很有研究前景和價(jià)值的。提高加固劑的滲透性依然是土遺址加固保護(hù)中的技術(shù)難題。我認(rèn)為，這一難題可按以下幾方面進(jìn)行后續(xù)的研究:①加固保護(hù)材料的粒度必須要盡可能地小:②加固保護(hù)材料流動(dòng)性較要強(qiáng)、粘度要?、奂庸瘫Ｗo(hù)材料與土體成分之間化學(xué)反應(yīng)或固結(jié)時(shí)間要適中，這樣,通過多次噴涂可能會(huì)明顯加大加固劑的滲透深度;④研制與加固劑匹配的可提高滲透能力的滲