土遗址加固试验——古代土建筑遗址的加固研究

　　一、古代土建筑遗址的加固研究
　　我国西北地区的新疆、甘肃、宁夏和陕西境内，遗存下许多古代土建筑遗址，如著名的新石器时代人类居住遗址——西安近郊的半坡遗址和甘肃秦安县的大地湾遗址；新疆吐鲁番地区的交河故城、高昌古城以及甘肃安西县的锁阳城等古城遗址；敦煌的阳关、玉门关等关隘及附近一座座的烽燧、土塔，还有敦煌、嘉峪关及河西走廊的汉、明长城等。这些土建筑遗址历史久远，有很高的考古学和历史价值。
　　西北地区的古代土建筑遗址大部分是由土夯筑而成的。敦煌附近的烽燧、汉长城是一层夯沙土，再加一层芨芨草、芦苇和灌木枝条，一层一层夯筑成的，这正如现代混凝土建筑中的钢筋，起着增强土建筑物理力学强度的作用。有些古城和居住遗址，以夯土为基础，上砌土坯墙体建造而成的。由于我国西北地区气候干燥、少雨，而干燥的夯土有较好的力学强度，才使许多古建筑遗址能保存到今天(图13-1)。
　　但是，千百年来，由于风化、雨水冲刷及其他自然因素的侵蚀破坏，特别是西北地区风沙的严重风蚀作用，大批古代土建筑遗址都已不同程度的遭到严重的风蚀和风化破坏。虽然西北地区少雨干旱，但由于夯土在水中非常容易崩解，在漫长岁月中偶尔的大雨对古代土建筑遗址的破坏也是非常严重的，另外，还有裂隙渗漏雨水及地震等自然因素的破坏，许多古代土建筑遗址大面积坍塌，正遭到一种毁灭性的破坏。
　　西安近郊的半坡村遗址，在20世纪50年代考古发掘后立即新建了保护性的建筑物掩体，很好地防止了雨水对遗址冲刷破坏，起到了有效的保护作用。但是由于温湿度的频繁变化和地下渗水所引起的土壤中易溶盐的溶解—结晶—再溶解—再结晶，这样反复的循环活动，使遗址遭受到十分严重的风化破坏。早在60年代初，保护工作者采用钠水玻璃进行过防风化加固试验，但没有取得成功。近几年又采用有机硅等一类有机加固材料进行加固试验，也没有获得明显的防风化效果。我国的文物保护工作者，近几年用轻型锚杆对一些有坍塌危险的古代土建筑遗址进行了锚固加固，这样仅仅解决土建筑遗址的坍塌危险，但对于古代土建筑遗址的风化和风蚀破坏的保护问题一直没有解决。
　　甘肃秦安县仰韶时期的居住遗址——大地湾遗址，在80年代初考古发掘后，也立即建造了保护性的附加建筑物掩体，防止了雨水冲刷和冻融破坏，但是遗址严重的风化问题没有解决。1983年，我们用PS加固的方法，成功的将一座新石器时代的陶窑从秦安县搬至兰州的甘肃省博物馆，之后又进一步用PS加固复原，在博物馆展出至今已有十余年，确实证明了PS对土建筑遗址有良好的加固效果。后来又对秦安大地湾居住遗址PF901房址的墙体、灶炕和柱洞等做了PS渗透加固，随后进行的观测也证明了防风化加固效果明显。
　　PS加固干燥环境中的风化砂砾岩石窟石雕，该项技术已通过国家文物局组织的专家鉴定，同时也获得文化部的文物保护科技成果奖。目前，在国家文物局和甘肃省文化厅的大力支持下，已在甘肃和新疆的石窟加固工程中大量推广应用。但是，用PS加固古代土建筑遗址，我们过去在大地湾仅仅做过一些尝试性的防风化加固试验，一直没有进行系统的研究。
　　1992年，国家文物局立项，我们以PS为主，同时选用了有机硅(甲基三乙氧基硅烷，即PL)及硅酸锂(即LS)，对古代土建筑遗址开展了系统的试验研究。此项研究得到安西县博物馆的支持，选择甘肃省安西县以南20km处的汉代古城遗址——破城子作为试验现场(图13-2)。
　　(一)实验
　　1.破城子夯土的化学组成和矿物成分
　　表13-1是夯土的化学组成，表13-2是夯土中易溶盐和难溶盐含量，图13-3是破城子夯土的X射线衍射谱图。夯土颗粒细小，含有大量黏土矿物，其中伊利石占33%，绿泥石占19%，另外含有18%的石英，8%长石，10%方解石，9%白云石。夯土呈微碱性。
　　2.破城子夯土的物理性质
　　采用蜡封法实测了破城子夯土的干密度。对实测的39组数据进行统计，得出夯土的干密度介于1.419～1.679g/cm3，平均值为1.547g/cm3。图13-4是夯土干密度概率分布直方图。总的来看，破城子夯土密度变化较大，每一夯层上部密实，而下部较为疏松，干密度分布总体上接近正态分布。
　　破城子夯土的液限含水量WL=28.2%，塑限含水量Wp=20.0%，塑性指数Ip=8.2，属中塑性粉质黏土。
　　3.试样的制备及PS加固
　　试验所用试样分原状夯土试样和室内重塑击实试样两大类。原状夯土密度变异较大，密度变化会引起土的一系列工程性质变化，因而可能干扰和掩盖PS加固以后对土的性质改良的判断。选用击实试样，可以严格控制试样的密度，使加固和未加固试样具有相同的初始状态和力学性质，增强试验结果的可比性。
　　室内重塑击实样的控制密度以原状夯土的实测密度为标准，即按低密度、中密度和高密度三组制样。低密度组干密度尽可能接近实测到的最小密度，中密度组干密度尽可能接近实测到的平均密度，高密度组干密度尽可能接近实测到的最大密度。
　　(1)室内重塑击实样制备
　　将所取原状夯填土碾碎，过4mm筛，按塑限Wp=20%加水制备成含水量20%的湿土，装入塑料袋，放入保湿器中静置4昼夜，让水分充分分散均匀。
　　称取1kg湿土，采用单层法，在单锤能量为2.5×0.3kg·m的情况下分10，15，20，23，25，35，45和50击分别进行击实试验，确定干密度与击实次数之间的关系(图13-5)。根据实测的最大、最小和平均干密度，查阅图13-5，得击实试样所用的击实次数分别是50次、10次和23次。
　　采用同样的击实程序，按上述确定的击实次数，制备成三组共36块击实试样。每一组击实样干密度实测值平均误差不超过2%，可以认为同一组击实样物理状态相同。
　　(2)试样的PS加固
　　所用PS溶液的模数为4.1，浓度选用5%和10%两种，为了对比，同时选用已推广于文物保护加固的有机硅(PL)溶液。
　　加固溶液经计算后准确控制。考虑到采用注射器人工滴注加固不可能使试样完全饱和，按毛细饱和最大饱和度Sr=85%计算，试样孔隙体积为VU=(1-γd/Gs·γw)V式中，γd为试样干密度，g/cm3；
　　V为试样总体积，cm3；
　　Gs为试样土的相对密度，取Gs=2.70；
　　γw为水的密度，取γw=1.00g/cm3
　　则加固溶液用量为U=(1-γd/2.7)×85%(mL)
　　将原状夯土及室内重塑击实样手工切制成5cm×5cm×5cm立方体样，50℃烘干测定准确尺寸，计算试样干密度及体积，按上式计算加固液用量。用注射器抽吸相应加固液，分六个面共两遍均匀点滴完所要求的加固液的体积。
　　表13-3、表13-4、表13-5和表13-6，分别是击实样及原状样的加固情况。
　　4.加固前后试样强度变化
　　按每分钟0.6%的应变速度加荷，测定试样的单轴抗压强度，加荷方向与击实样的击实方向或原状样的夯实方向一致。
　　图13-6、图13-7、图13-8和图13-9分别是击实样低密度、中密度、高密度试样及原状夯土试样抗压强度与密度关系散点图。图13-10、图13-11和图13-12分别是击实样低密度、中密度及高密度试样典型的应力——应变曲线。表13-7是抗压强度分组统计结果。
　　由图13-6及表13-7可知，对于低密度试样，PS加固后强度提高302%。即PS可使低密度土得到有效加固。PS浓度增大，加固效果越明显。与之相比，PL反而降低了原有的强度。这种异常现象的出现尚不清楚，估计低密度土样孔隙太大，有机硅起不到加固作用是其中原因之一。
　　由图13-7及表13-7可知，中密度试样经PS加固后强度亦有明显的提高：经5%PS加固后强度提高89.2%，经10%PS加固后强度提高220.7%，即PS也可使中密度土得到有效加固，加固效果与浓度成正相关。与之相比，PL可使中密度土得到一定程度加固。
　　由图13-8和表13-7可知，高密度试样经5%PS和10%PS加固后强度变化不大。根据加固前后试样加荷破坏的特点可以看出，高密度试样渗透性很小，加固后溶液渗入深度约2～4mm，从而仅在试样表面形成一个薄的加固外壳。试样受力时，该外壳模量大于其内部的未加固土，从而优先破坏，对试样整体强度影响大，甚至因外壳破坏减小了试样受力面积，试样的表现强度反而下降。
　　由图13-9可知，原状夯土经PS加固后强度也明显提高，定性来看，10%PS加固效果优于5%PS。由于原状夯土试样初始干密度差别较大，干密度与PS加固材料两者对强度的影响共同存在，因此，难以区分出PS材料加固后的强度增长量到底是多少。
　　由图13-10和图13-11可知，经PS加固后，低密度和中密度试样的比例极限明显增大，弹性模量也有所提高，表现在应力一应变曲线的线性段变长和斜率增大。图13-12说明，高密度试样经PS加固前后材料性能基本相似。
　　综合来看，PS溶液对低密度和中密度夯土有明显的补强作用，对高密度夯土影响不大。夯土成层状，软层与硬层相间，软层自身强度低，是补强加固的重点，硬层自身强度高，无需进一步补强，PS材料正好能适应这一要求。至于PS溶液的浓度，可根据土体渗透性，防止墙体表面风化，增强土体水稳性等具体加固要求选择，不宜仅从补强的角度一味的增大PS溶液浓度。
　　5.加固前后试样水稳定性变化
　　细粒土的抗水稳定性与土的活动性紧密相关。同一种土加固前后抗水稳定性变化能很好的反映加固材料的加固效果。选用原状夯土，切成四块，两块加固，另两块未加固，共同构成一组，对比在水中的崩解特征。表13-8是三组崩解对比试验结果。由于夯土密度的变异特性，不同组别夯土密集度稍有不同，故开始崩解时间也有差别，但同一组四块试样取自同一位置，密度相近，崩解时间可以对比。
　　从表13-8可知，经PS加固后，原状夯土开始崩解的时间明显延长，5%PS加固后初始崩解时间延长6倍，10%PS加固后初始崩解时间延长174倍。证明PS加固后的试样，具有很好的抗水崩解性。相比之下，经PL加固的试样，水稳性未有提高的迹象。PS喷洒渗透在夯土上后，与土体的黏土矿物作用，使晶态的、离散态的黏土矿物形成一种非晶态的、致密网状的凝胶体。这种胶结体具有较高的力学强度和水稳定性。因此，用PS溶液喷洒加固的夯土墙有很好的耐雨水冲刷性。
　　6.夯土试样经加固后耐风蚀的风洞模拟实验
　　对破城子夯土墙试样，人工做成50mm×50mm×50mm的试块。分别以5%PS，10%PS，5%LS和10%PL进行渗透加固，待试块自然干燥后和未经加固的原始试块一同进行风蚀的风洞模拟实验。
　　风蚀的风洞模拟实验在中国科学院兰州沙漠研究所风洞中进行。沙风洞是一直流闭口吹气式低速风洞。风洞全长38.78m，其中实验段长16.23m，截面积1m×0.6m，风速从2～35m/s连续可调，紊流强度在0.4%以下。实验中将试样水平置于可任意升降的样品槽中，样品槽位于实验段入口下风向12m处，这样便可以起风做试样风蚀的风洞模拟实验。实验结果见表13-9、图13-13。
　　实验的结果表明，当10m/s挟沙风吹蚀时，分别以5%PS、10%PS、5%LS和10%PL加固试样的吹蚀量分别为1.0g、0.2g、0.8g、3.5g，未经加固的破城子夯土样和重塑样吹蚀量分别为4.3g和9.5g。当以20m/s挟沙风吹蚀时，分别以5%PS、10%PS、5%LS和10%PL加固试样的吹蚀量分别为2.1g、1.0g、0.5g和5.5g，未经加固的破城子夯土试样和重塑样的吹蚀量分别为10.5g和27.5g。
　　对实验结果进行比较，可以明显看出经PS加固的破城子夯土有很好的耐风蚀性，以10%PS加固的夯土耐风蚀性更好。用5%LS(硅酸锂)加固的破城子夯土的耐风蚀性也非常好，但硅酸锂在我国较昂贵，同时生产也很少，因此对硅酸锂加固石质文物和土质文物的系统研究一直未能进行。用10%有机硅加固的破城子夯土试样的耐风蚀性也明显提高，但有机硅十分昂贵，在戈壁沙漠炎热环境中的耐候性远不如高模数的硅酸钾和硅酸锂，因此，在规模宏大的土建筑遗址上进行保护加固的可能性也不大。
　　(二)现场加固实验
　　在实验室内进行大量实验的基础上，于1993年秋，我们分别在安西县的破城子古城遗址和吐鲁番的交河故城进行了现场加固实验。
　　破城子实验位置选在城南面夯土墙上。将夯土墙以不同的风化程度分成小块，以不同浓度的PS水溶液和不同的施工工艺进行喷洒渗透加固试验。
　　交河古城的现场试验选在城中心大殿南侧的夯土墙、生土墙龛和土坯墙体上进行。
　　现场喷洒加固分别以3%、5%和7%三种浓度的PS溶液进行试验。
　　喷洒工艺采取以下几种：
　　1.先以净水喷洒渗透，再做PS溶液喷洒渗透加固
　　根据我们以前用PS溶液进行化学固沙的经验，先在夯土墙上喷洒水使渗透3cm左右，稍等片刻，等墙体半干时，再喷洒PS溶液，这样做的目的是为了获得较好的渗透效果。因为做PS喷洒渗透加固要求在气温较高的条件下进行，这样PS凝固的速度适中，加固效果好。但是当气温较高时，墙体表面的温度就更高。另外，古代土建筑遗址的墙体由于长期经雨水冲刷，混有泥浆的雨水在墙体表面流刷而形成一层较致密的壳皮，这种壳皮渗透性较差。当夯土墙体表面温度较高，又有致密壳皮的情况下，PS溶液在墙体表面凝固过快，这样大量PS凝固在墙体表面，大大降低PS溶液继续渗透。如果先用净水将墙体喷洒潮湿，就可以防止上述问题产生。
　　2.较高浓度的PS溶液一次性喷洒加固和较低浓度多次喷洒加固
　　进行现场试验时，我们根据夯土墙的致密程度，即渗透性好坏，采用了两种喷洒加固的方法。一种方法是一次性喷洒加固。现场试验中所选PS溶液的浓度为7%。另一种加固方法是，先喷洒较低浓度的PS溶液进行第一次加固。喷洒时注意观察，当PS溶液明显不渗透时，第一次喷洒完毕。待第一次喷洒的PS溶液完全凝固干燥后，根据夯土的疏松程度，以相同的方法做第二次、第三次或更多次的喷洒加固。在天气正常的情况下，一般每次喷洒间隔时间为3d。喷洒在晴天，气温在25℃左右进行为最佳条件，因此我们的现场试验都在春秋两季进行。同时，进行多次的喷洒时，逐渐提高PS溶液的浓度。此现场试验的PS溶液的浓度为：第一次为3%，第二次为5%，第三次为7%。
　　3.喷洒工具
　　根据现场条件，我们一般采用手动农药喷雾器和电动空压机喷枪进行喷洒。电动空压机喷枪的分散性好，喷洒均匀，手动喷雾器分散性差，喷洒的均匀程度也差。但许多古代土建筑遗址都在偏僻的戈壁沙漠上，无供电条件，这种情况下用手动喷雾器喷洒加固也十分简便，喷洒时按程序细心操作，也能获得好的加固效果。
　　(三)结论
　　古代土建筑遗址的保护主要应解决两个关键性的问题，一是防止风沙的风蚀破坏作用。因为在我国西北戈壁沙漠中，风沙对土建筑遗址的风蚀是最主要的破坏因素。另外，雨水冲刷也是一个重要的破坏因素。因沙土中含有一定量的膨胀性黏土，这种情况下，夯土遇水最容易崩解。虽然我国西北地区干旱少雨，但偶尔的暴雨也会对土建筑遗址造成十分严重的破坏。
　　试验证明用PS加固的夯土有很好的耐风蚀性和耐水崩解性。
　　PS溶液对中、低密度的夯土渗透性很好，加固过的夯土能基本保持原夯土的质感和外观，且夯土的力学强度成倍增加，这符合文物保护原则。
　　现场试验还证明：先用净水将夯土墙喷洒潮湿，且逐渐提高PS溶液浓度，这样PS溶液的渗透性和对土遗址的加固效果较理想。PS溶液的浓度一般在3%～5%为宜。
　　现场试验也还证明：用较低浓度的PS溶液进行多次喷洒，并逐渐提高PS溶液浓度，这样PS溶液的渗透性和对土遗址的加固效果较理想。PS溶液的浓度一般在3%～5%为宜。
　　现场有供电的条件下，用电动空压机喷枪喷洒效果好。
　　初步试验还证明：PS-C浆液可对土建筑遗址进行裂隙灌浆和锚固加固。我们对土建筑保护时，对表面进行防风蚀和防雨水冲刷的PS溶液喷洒加固，同时对即将坍塌的夯土墙体进行PS-C浆液裂隙灌浆和轻型锚杆锚固，这样实施的综合保护措施，才可达到较理想的保护效果。
　　(四)存在的问题及解决方法
　　对现场试验进行观测，发现用PS溶液加固土建筑遗址会出现以下两个问题：
　　1.用PS溶液加固过的夯土墙体颜色加深问题
　　PS溶液加固过的夯土墙体较原夯土的颜色稍有加深，特别是刚做过加固后的墙体颜色加深更明显，但经过一个时期后，一般三五年后，加固的夯土墙体表面颜色又逐渐变浅，基本能恢复到原夯土墙体表面的颜色。这是暂时存在的问题，从长远看，并不会影响加固效果，基本符合文物保护原则。
　　2.用PS溶液加固夯土墙表面出现“泛白”现象
　　用PS溶液加固过的夯土墙表面出现“泛白”有两种情况：一种情况如上所述，当夯土墙表面有一层被含泥的雨水冲刷而形成的致密硬壳时，使PS溶液渗透性差，这种情况下，若喷洒的PS溶液的浓度过高，或喷洒速度过快，很容易在夯土墙表面凝固而出现所谓的“泛白”现象。还有在气温较高的条件下施工时，因夯土墙表面的温度较高，喷洒后PS溶液中的水过快挥发，使其渗透性大大降低。结果大量的PS凝固在墙体表面也出现所谓的“泛白”现象。分析测试证明，这种泛白物的主要成分是无定形二氧化硅，它的稳定性和耐候性都很好，但是它影响夯土墙壁体的外观。
　　出现上述泛白后，我们进行PS溶液加固的最后一次喷洒时，在PS溶液中加入适量粒度很细的土，这样修饰做旧的办法，既可使加固夯土墙体和原夯土墙体表面保持一致的外观，也不影响加固效果。
　　分析测试证明，另一种泛白物的主要成分是硫酸钠、氯化钠等一类易溶盐。因为在西北地区的沙土和黄土中，往往含有较多的芒硝(硫酸钠)、氯化钠等易溶盐。特别是土建筑墙体的墙根部位，即接近地面的部位。当对这样的夯土墙进行PS溶液喷洒加固时，夯土中的易溶盐随PS溶液中水分的挥发，被带到墙体表面析出结晶。这种在PS溶液加固夯土过程中析出的易溶盐，经过一个较长的时期后，大部分可被风沙吹走，但残留的部分能对加固墙体造成风化破坏。
　　当PS溶液喷洒加固夯土墙体出现这种易溶盐的泛白时，我们一般用软毛刷及时对盐分进行清理，之后用PS溶液中加入适量细粒度的土进行最后一次喷洒。结果表明，即可保持原夯土墙外观，也可达到较好的防风和防雨水冲刷的效果。