制備方法對土遺址重塑樣穩定性的影響研究

趙建忠,裴強強,5,王海龍,張 鑫,張 博,5,許宏生

[1. 敦煌研究院,甘肅酒泉 736200; 2. 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;3. 古代壁畫保護國家文物局重點科研基地(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;4. 甘肅莫高窟文化遺產保護設計咨詢有限公司,甘肅酒泉 736200; 5. 蘭州大學土木工程與力學學院,甘肅蘭州 730000]

0 引 言

我國西北地區的新疆、甘肅、寧夏和陜西境內遺存許多古代土建筑遺址,種類繁多。西北地區的古代土建筑遺址大部分是由粉土、粉質黏土或沙土夯筑而成。由于其純屬土質建筑,極其脆弱,在長期自然和人為因素影響下,遺址本體發生了不同程度的各種病害[1-5]。近年來,在實驗室研究和工程實踐的基礎上形成了較為系統的土建筑遺址綜合治理措施[6-7],并對干旱區遺址本體的保護提供了技術支撐,取得了顯著的加固效果[8-17]。然而受地區環境因素和遺址本體土質的影響,按照《中國文物古跡保護準則》及長期土建筑遺址保護工作經驗,不同遺址土質和環境條件的遺址本體保護,必須通過室內試驗和現場實踐進一步研究遺址本體的基本性質,并通過模擬對比試驗綜合評價采取不同措施的加固效果。因此,為提高對原遺址體保護措施的有效性和可靠性,均需要通過室內重塑樣完成對比分析和效果評價,分析和評價的基礎是所制備重塑樣性質的穩定性。巖土工程方面對重塑樣的研究較多[18-21],鄭劍鋒等通過測試試樣干密度和含水率分布的均勻性來判斷分層擊實法、泥漿固結法、兩頭壓實法三種制樣方法的優劣[18];趙振勇等將現有實驗室內常用的一些設備加以組裝,提出了一種新的重塑土樣制備技術,提高了試樣的均勻性[19];周偉紅等設計制造了分層壓樣成樣器,以分層數量、土樣干密度等因素,研究重塑黃土成樣的均勻性[20];胡海軍等采用兩種不同制樣方法,分析其抗拉強度差異[21]。在長期工程實踐和試驗過程中發現,不同土質重塑樣的穩定性較差,拌土、制樣等環節都是影響試驗結果的主要因素,因此,如何把控拌土、悶土、制樣過程中的關鍵環節確保重塑樣的穩定性成為重塑樣制備的關鍵問題。現有研究主要采用改進設備和不同方法制作重塑樣,但對拌土過程研究較少。本次研究發現拌制土方法和悶土時間(按照最優含水率在土中加入一定量的水拌制均勻后,采用密封方法使土和水混合逐步均勻的過程時長)的不同對試樣的基本性質也影響較大。文章通過在大量的工程實踐和室內研究的基礎上,總結了拌土過程拌制土方法和悶土時間對重塑樣的穩定性的影響規律,提出的拌土方法和悶土時間對保證重塑樣質量具有一定借鑒和指導意義,創新性強,為室內試驗研究和工程實踐提出了科學依據。

樣品制備采用土建筑遺址專用液壓裝置(ZL201020640515.5),該設備是全自動液壓裝置,能夠準確提供足夠的壓力,可以排除人為制備樣品的不同因素的影響,為實驗室試樣制備拌制土方法的評價提供可能。本實驗按照機械拌制和人為拌制,悶制土時間等不同方法分別制備試驗樣品,根據土建筑遺址的具體情況,制備50 mm×50 mm×50 mm方樣和φ61.8 mm×20 mm的圓柱樣,通過觀察和分析拌制土團粒的狀態,無側限抗壓強度試驗和直接剪切試驗,綜合評價拌制土的最優狀態。

1 實驗土的基本物理性質

本實驗所用土均為鎖陽城遺址周邊風蝕臺地素土。依據土工試驗方法標準(GB/T 50123—2019),采用擊實法對最大干密度和最優含水率進行測定;采用液塑限聯合測定法對液塑限進行測定;采用比重瓶法對比重進行測定;采用篩析法和密度計法對粒徑進行了測定,其基本物理性質如表1、圖1,其基本物理性質與遺址本體類似。土的礦物成分的種類以及含量對夯土的各種基本物理力學都有一定的影響,對遺址土以及實驗土進行了XRD分析。本次實驗在定性分析的基礎上進行半定量分析,半定量分析的方法采用K值法。通過XRD分析,遺址土與實驗用土的礦物成分與含量基本一致(表2)。

圖1 實驗土與遺址土粒徑分布曲線

表1 實驗土和遺址土的基本物理性質

表2 XRD分析礦物成分

2 試樣拌制方法

本次試驗分為兩大組,分別為機器拌土和人工拌土,每個大組又分成7個小組,每個小組3個平行樣。小組的試樣按悶土的時間分為7個組,每組干土質量為1 kg,加水130 g(13.1%為實驗土的最優含水率),拌制均勻后分別用密封袋密封保存、放于保濕器內悶至0 h,1 h,4 h,12 h,24 h,48 h,72 h(工程上施工悶土時間一般為72h,這里將悶土時間最長設置為72 h)。

2.1 機械拌土

1) 將碾好的土用天平稱1 000 g后放入小型攪拌機中,再將小噴壺內裝滿水,連壺帶水在天平上稱重,并記錄數據。

2) 按秒表計時,開啟攪拌,頻率調至4檔,在攪拌機攪動過程中均勻的將水噴灑至干燥的土中,并不斷攪拌;

3) 當發現土顏色變深,大概加入80 g左右水時,關閉攪拌。然后用鏟土刀將貼在攪拌機壁上的土刮下,裝好后繼續攪拌,直到將水噴完還需攪拌機再連續攪拌至少3 min。

4) 用鏟土刀將貼在攪拌機壁上的土刮下來,裝好后繼續攪拌30 s,停止,秒表記錄時間。

5) 重復(1)～(4)拌7組土,將攪拌好的土按悶土時間,0 h,1 h,4 h,12 h,24 h,48 h和72 h分別進行悶制,悶土時間完成后取樣測試含水率。

6) 悶制到相應時間后,測量其含水率,并將悶好的土用制樣機每組按照1.7 g/cm3的干密度制備3個50 mm×50 mm×50 mm的方塊樣并編號,在實驗室自然狀態下陰干,完全干燥后采用MNM-300型萬能試驗機測試試樣的抗壓強度。再按照φ61.8 mm×20 mm尺寸制作至少4個圓柱試樣,在實驗室自然狀態下陰干,完全干燥后用JBL-4型直剪儀做直剪試驗,測定其粘聚力c、內摩擦角φ。

2.2 人工拌土

1) 將碾好的土用天平稱1 000 g后放入臉盆中,再將小噴壺內裝滿水,連壺帶水在天平上稱重,并記錄數據。

2) 戴好手套后按秒表計時,開始拌土,先用噴壺將土表面噴濕,用手將濕土與干土拌勻,在繼續用噴壺噴濕,再拌勻,直到噴入130 g水為止。

3) 水噴完后,用手背與盆底互搓,將土的大顆粒搓開,停止,秒表記錄時間。

4) 重復1)～3)拌7組土,將攪拌好的土按悶土時間0 h,1 h,4 h,12 h,24 h和48 h,72 h分別進行悶制,悶制前取樣做含水率測試。

5) 悶制到相應時間后,其余測試方法與機械拌土操作方法相同,制樣并測定抗壓強度和c、φ值。

3 結果與分析

3.1 拌制土的直觀分析

拌土后對土進行拍照,做宏觀分析,悶土至相應時間制樣后用60倍顯微鏡對試樣進行微觀分析,觀察試樣結構。結果見表3。

從表3中宏觀照片表明,在土拌制的過程中,人工拌制的土與機械拌制的土相比,更均勻、結團顆粒直徑更小。

表3 宏觀與微觀照片

(續表3)

從悶土至相應時間后制好的樣品的微觀照片來看,人工拌土制得的試樣比機械拌土制得的試樣更均勻,結團顆粒更小,并且隨著悶土時間的增加,結團顆粒直徑在增大。

3.2 土顆粒統計分析

拌土后土在水的作用下會形成圓形的結團顆粒,顆粒大小不一,采用四分法取部分拌制好的土對結團顆粒粒徑進行統計,結果如表4所示。

表4 拌土后結團顆粒統計

西北地區土遺址都含有一定量的黏土礦物,一般含有很少量的高嶺石,幾乎不含有蒙脫石,但是伊利石含量相對較高。黏土礦物的帶電性指粘土礦物在與水接觸時的帶電符號和帶電量。電荷產生原因有兩種,一種是晶格取代形成的永久電荷,這種電荷屬于構造電荷;另一種是受粘土表面化學變化和pH值等的影響形成的表面電荷,這種電荷為可變電荷。晶格取代是指黏土礦物晶體結構中一部分陽離子被另外一部分陽離子所取代,但晶體結構不變的現象。由于晶格取代是低價陽離子取代了高價陽離子,產生了過剩的負電荷,因此,一般情況下黏土帶負電。黏土帶電量通常用CEC表示,CEC越大,說明黏土所帶負電荷越多,高嶺石CEC為3～15,伊利石為20～40,蒙脫石為70～150。實驗用土含有約20%的伊利石,其較大的比表面積與帶負電的特性使得實驗土在加水制備的時候易結團。

此外,黏土具有較好的親水性,吸收水分后迅速獲得粘結力。在拌土過程中,加水時將黏土潤濕而成黏土團,未迅速擴散滲透的水吸附黏土繼續滾動成團,在機械攪拌和人工作用下不斷滾動而吸附更多的黏土,遂形成較大的黏土砂團。黏土砂團的形成以水分和未混勻的黏土為核心,因此可以判斷水分含量和黏土含量都比周圍未結團的土要高[22]。拌制方法不同,悶土時間長短都會影響土顆粒結團數量多少、大小與硬度。試驗分別對不同拌土方法及悶土時間的試樣進行結團粒徑統計。

結合表3和表4可知,機械拌土結團顆粒呈圓形,硬度較大,悶置時間越長,結團顆粒越多,且顆粒直徑越大。人工拌土雖然也有結團顆粒,但結團顆粒硬度小,粒徑也較小。

3.3 悶土時間對含水率的影響

測定悶土前后土的含水率,機械拌土和人工拌土悶土前后含水率關系如圖2、圖3所示。

圖3 人工拌土悶土前后的含水率對比

綜合來看,悶土4 h內含水率的損失可以忽略不計,但悶土時間越長,含水率損失越大。拌完土結束后4h內,土的含水率基本控制在13%左右,隨著悶土時間的增加,土的含水率會降低,在4 h后,會以每24小時0.5%的速度下降。

含水率的降低是由于土內部水分隨著悶土時間的增加,一部分逐漸向土體表面和密封袋表面轉移,另一部分由液體轉化為氣體造成了損失。

3.4 不同拌制方法抗壓強度試驗

試驗采用MNM-300型萬能試驗機測試試樣的抗壓強度,可進行試驗力、變形、位移等速率控制及保持。試驗控制應變速率為每分鐘1%。

將制備好的 50 mm×50 mm×50 mm風干試樣,做無側限抗壓強度試驗,試驗結果如圖4所示。

圖4 悶土時間與抗壓強度關系

1) 從圖4可以看出,悶土時間在0～12 h內,試樣的抗壓強度不穩定,24～72 h內,隨著悶土時間的增加,試樣抗壓強度在逐漸降低。這是因為在悶土時間在0～12 h內,土和水還未混合均勻,導致制樣時試樣差異較大,土的抗壓強度不規律;24～72 h內,土和水逐漸混合均勻,并且隨著悶土時間增加,結團顆粒會吸附周圍土顆粒,使結團顆粒逐漸增多、增大,不均勻團顆粒影響試樣的固結,尤其大直徑團顆粒與周圍土顆粒之間的作用力弱于均勻土顆粒間的作用力,局部脆弱最終引起試樣抗壓強度降低。

2) 從圖4可以看出,人工拌土試樣抗壓強度明顯高于機械拌土試樣的抗壓強度。這是因為機械拌土過程中隨著攪拌葉的轉動,土顆粒也隨著不斷的滾動,未擴散的水吸附黏土,在不斷滾動過程中結團、壯大,導致結團顆粒增多、增大,影響到了試樣的抗壓強度。而人工拌土時土顆粒的滾動相對較少,不易成團,并且人為將一部分較大顆粒揉碎,降低了結團顆粒的影響。

3.5 不同拌制方法直剪試驗

試驗采用DJY型應變控制式直剪儀。該儀器結構簡單,操作方便,可通過增減砝碼控制豎向荷載。在電機帶動下,試樣在沿上下盒之間的水平面上受剪直至破壞。采用0.8 mm/min的速率剪切,通過不排水剪切試驗測定不同悶土時間下機械拌土和人工拌土試樣的抗剪強度及指標c、φ值。

將制備好的20 mm×61.8 mm的圓柱樣在自然環境下風干,做直剪試驗,試驗結果圖5、圖6所示(c、φ值較大是因為自然風干土樣的含水率低于1.5%)。

圖5 悶土時間與粘聚力關系

圖6 悶土時間與內摩擦角關系

1) 從圖5中看出,悶土時間在0～12 h內,試樣的粘聚力處于波動狀態,這是由于土和水還未混合均勻,導致試樣差異較大。24～72 h內,隨著悶土時間的增加,試樣的粘聚力在逐漸增大,這是由于24 h后土和水混合均勻,但隨著悶土時間的增加,土中含水率逐漸降低,同樣質量的土在制作試樣時干密度會增加,土顆粒之間的孔隙有一定的壓縮,使土樣更加密實,導致粘聚力增加。

2) 從圖6中看出,悶土時間在0～12 h內,試樣的內摩擦角處于波動狀態,這是由于土和水還未混合均勻,導致試樣差異較大。24～72 h內,隨著悶土時間的增加,試樣的內摩擦角在逐漸降低,這是由于24 h后土中含水率趨于均勻,但隨著悶土時間的增加,黏土結團顆粒逐漸吸附周圍黏粒,導致結團顆粒直徑增大,數量增多,結團顆粒相對較光滑,咬合能力差,最終使得內摩擦角呈現衰減趨勢[23]。

4 結 論

從多次試驗中來看,影響試樣穩定性的因素有拌土后土結團顆粒大小、拌土方法、試樣的含水率和悶土時間。

1) 在其他條件不變的情況下,拌土后土的結團顆粒越小,數量越少,試樣的抗壓強度越高。

2) 與攪拌類的機械比起來,人工拌土試樣的抗壓強度要高于機械拌土試樣的抗壓強度。

3) 悶土時間在24～72 h內,土樣的抗壓強度和內摩擦角隨著悶土時間的增加而減小,粘聚力隨著悶土時間的增加而增加。

綜上所述,采用人工拌土、悶土時間在24 h所拌的土最優,其結團顆粒最少,含水率損失不大,土所處的狀態更穩定,更能保證土建筑遺址室內試驗研究試樣的穩定性。