PS材料加固遗址土试验研究

和法国^{1, 2, 3}，谌文武^{1, 2}，赵海英⁴，孙满利⁵，张景科^{1, 2}

(1. 兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州，730000；

2. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000；

3. 古代壁画保护国家文物局重点科研基地，甘肃 敦煌，736200；

4. 敦煌研究院，甘肃 敦煌，736200；

5. 西北大学 文博学院，陕西 西安，710069)

摘  要：以PS材料加固的古遗址土为研究对象，选用具有代表性的古长城遗址土和故城遗址土两大类，对其原状样和重塑样进行PS材料加固，进行抗压、抗拉、雨蚀、风蚀试验及雨蚀、风蚀组合等试验，研究其力学强度特征及耐久性能。试验结果表明：经PS材料加固后，遗址土体的力学性能和抗雨蚀、抗风蚀能力明显提高；古长城土经PS加固后，其抗压强度可提高至1.5倍，且以PS浓度为5%、加固3次效果最佳，内聚力和内摩擦角明显提高，渗透性能小幅度降低；随老化时间增长，强度未降低，至少能承受8次冻融循环；PS加固故城土后，土体强度可提高1.2~1.8倍，抗风蚀能力提高6~24倍，抗雨蚀和风蚀综合能力提高6~13倍。PS材料具有良好的加固效果，为广泛地应用于土遗址保护加固工程中提供了理论依据。

关键词：PS材料；土遗址；加固；耐久性

中图分类号：TB302          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)03-1132-07

Experimental research of PS reinforcing earthen architecture

HE Fa-guo^{1, 2, 3}, CHEN Wen-wu^{1, 2}, ZHAO Hai-ying⁴, SUN Man-li⁵, ZHANG Jing-ke^{1, 2}

 (1. School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;

2. Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;

3. The Key Scientific Research Base of Conservation for Ancient Mural (Dunhuang Academy), Dunhuang 736200, China;

4. Dunhuang Academy, Dunhuang 736200, China;

5. College of Culture and Museology, Northwest University, Xi’an 710069, China)

Abstract: The soils of the ancient Great Wall and ancient city were selected. The mechanical strength and durability of raw and remoulded soil reinforced by PS were studied. The pressive strength, tensile strength, aging test, rain erosion, aeolian erosion and combination test were carried out. The results show that after being reinforced by PS material, the intensity, anti-rain erosion and anti-aeolian erosion ability of the soil are improved obviously. After being reinforced, the pressive strength of ancient Great Wall can be increased to 1.5 times as large as that before being reinforced, and after reinforced three times, its effect is best when consistency of PS is 5%. Cohesion force and internal friction angle can be improved. The penetrability is not affected. The strength of ancient Great Wall soil does not reduce with the aging of time, and it can endure 8 circles of freeze thawing. Comparied with raw soil, strength of ancient city soil reinforced by PS can increase by 1.2-1.8 times, anti-aeolian erosion increases by 6-24 times and the ability of anti-rain erosion and anti-aeolian erosion increases by 6-13 times. PS material has good effect of reinforcement, and it will offer instructive theory and application examples for further optimizing its performance to reinforcement of earthen architecture.

Key words: PS material; earthen architecture; reinforcement; durability

PS材料是中国文物工作者经多年研究和实践发明的一种用于文物保护加固的材料。目前，应用于干旱、半干旱地区土遗址加固^[1]，在甘肃的敦煌莫高窟、榆林窟、炳灵寺、麦积山，西藏布达拉宫、罗布林卡、萨迦寺、新疆交河故城、高昌故城，宁夏西夏王陵等多处保护加固工程中运用，在中国文物保护工程、加固土质古代长城和故城等文物中得到广泛应用^[2]。李最雄等^[3-6]对PS材料在古遗址保护中的应用以及试验进行了研究，并取得了很好的加固效果；赵海英等^[7-9]研究了PS 材料模数、浓度对干旱区土建筑遗址加固效果的影响，以及PS加固西北干旱区遗址土的机理以及抗风蚀效果；周双林等^[10-11]对文物保护加固材料性能进行了试验研究；和法国等^[12-14]对PS材料加固土遗址进行了室内试验研究，并对其加固效果进行了评价^[15-17]。目前，人们对PS材料加固古长城和故城土以及综合的试验评价方面的研究很少。为此，本文作者根据PS材料在古长城土和故城土2类土遗址中的实践应用，为进一步研究其加固性能，对PS加固遗址土进行试验。古长城土样取自定西地区秦长城夯土，对其加固试样进行常规物理力学试验及耐久性试验。故城土样取自新疆交河故城和高昌故城，针对其性质及所处的环境对PS材料加固遗址土的性能进行研究。

1  PS材料加固古长城土

试验共制作重塑样42组，每组3块，共126块，根据古长城土的实际密度，分别设计了1.3，1.5和1.7 g/cm³ 3种干密度，用PS加固后分别进行无侧限抗压强度试验、抗剪强度试验、渗透性试验、耐水性试验、老化和冻融试验。选用模数为3.84的PS溶液，分3%，5%和7% 3种浓度，用滴注方法进行渗透加固。

1.1  无侧限抗压强度试验

PS加固方法为滴注渗透，每次加固用量为最大饱和度的85%，对试样采取1次加固和3次加固2种方式，加固后在室内养护1月。使用WE-30型液压式万能材料试验机测试其无侧限抗压强度，结果如图1和图2所示。

由图1和图2可以看出：未加固重塑土的抗压强度为0.31~2.10 MPa^[7]，而加固后的重塑土抗压强度为0.35~3.21 MPa，强度明显提高，可见：PS加固可以得到比较理想的效果。浓度为5%的PS材料的加固效果比浓度为3%和7%的PS材料的加固效果好，尤其以加固3次时效果最佳。

1—未加固；2—3% PS溶液加固1次；
3—5% PS溶液加固1次；4—7% PS溶液加固1次

图1  加固1次时重塑土的干密度、浓度与抗压强度的关系

Fig.1  Relationship among dry density, consistency and unconfined compressive strength of remoulded soil reinforced for one time

1—未加固；2—3% PS溶液加固3次；
3—5% PS溶液加固3次；4—7% PS溶液加固3次

图2  加固3次时重塑土的干密度、浓度与抗压强度的关系

Fig.2  Relationship among dry density, consistency and unconfined compressive strength of remoulded soil reinforced for three times

对于重塑土加固，PS材料浓度不同，抗压强度不同，随着浓度的增加，加固体的抗压强度增大。经PS 3次加固后，强度明显高于1次加固后强度。以未加固土为基准，加固剂的有效利用率随浓度的增加而逐渐减小，随加固次数的增加而明显提高。经计算分析，当加固次数相同时，5% PS溶液加固样的强度增长率最大。因此，提高古长城土抗压强度以浓度为5%的PS材料为最佳^[12]。

1.2  抗剪强度试验

试验用应变控制盒式直剪仪，进行直接快剪试验。根据设计密度称好土质量，以含水量10%左右拌匀后轻轻压实装入环刀，风干后再滴渗定量的PS材料，风干待测。PS材料加固古长城土的抗剪强度如图3所示，其中，τ为抗剪强度，σ为垂直压力。

由图3可以看出：经过PS加固后，内聚力和内摩擦角都明显提高，可使土的内聚力和内摩擦角改变，增强土的抗剪强度、整体性和土体的稳定性。但抗剪强度增长随密度、土质、PS材料浓度及加固次数不同有所变化。

(a) 加固1次；(b) 加固3次

1—原土样, τ=0.893σ+0.019; 2—3% PS溶液加固1次, τ=0.321σ+0.146; 3—5% PS溶液加固1次, τ=0.348σ+0.131;
4—7% PS溶液加固1次, τ=0.968σ+0.071;

5—原土样, τ=0.837σ+0.029; 6—3% PS溶液加固3次, τ=0.473σ+0.120; 7—5% PS溶液加固3次, τ=0.837σ+0.108;
8—7% PS溶液加固3次, τ=0.563σ+0.165

图3  PS材料加固古长城土抗剪强度(ρ_d=1.5 g/cm³)

Fig.3  Slip resistance of soil reinforced by PS of the ancient Great Wall

1.3  渗透性试验

为了验证PS材料加固后对土粒间的连结力和微观结构的变化，以及PS材料的加入对土体渗透性的影响，进行了PS加固土的渗透试验，并与加固前进行对比，得出PS材料对土的渗透性的影响，结果如表1所示。从表1可知：重塑土经过加固后，其渗透性变化很小，降低幅度小。加固3次的材料比加固1次的材料渗透性更低，但相差不大。虽然PS加固对土的抗渗能力有所降低，但幅度很小，从文物保护角度来说，PS材料没有阻塞土中的孔隙连通和毛细管，可以使土体具有良好的透气和渗透性。使土体易于排水排气，不会发生破坏，尤其是对于土体上的壁画保护更具有积极效果。

表1  PS材料加固后长城遗址土的渗透系数

Table 1  Osmotic coefficient of soil of the ancient Great Wall  reinforced by PS          cm/s

1.4  耐老化试验

试验时，将PS加固样置于距离2个300 W的紫外线碳弧灯正下方30 cm处的耐老化试验箱中，在紫外光的照射下，定期测量试样的强度损失，并观察其形貌变化。试验采用紫外光间断辐照方式测试，间断辐照模拟实际日照情况，照射通常为白天，约12 h，夜间停止实验。连续辐射从开始照射至实验结束，试验采用PS加固1次的试样，辐射300 h。结果如图4所示。可见：随着老化时间的延长，PS加固样的强度有增大现象，浓度越大，其强度损失率越小。说明PS材料具有良好的抗老化能力和较长的使用寿命。

图4  PS浓度与强度损失率的关系

Fig.4  Relationship between consistency of PS and
 loss rate of strength

1.5  抗冻融试验

将加固后的试样烘干，称重。加入定量的水密封保存，使其充分浸湿，含水量约为14%，放入冰箱在(-20±0.5) ℃冷冻4 h后，在保湿器融化4 h，以此作1个冻融循环。试验达到要求的冻融循环次数后，将试样放入烘箱烘干，测其干质量和抗压强度，并计算质量损失和强度损失。当干密度ρ=1.5 g/cm³，PS浓度为5%，加固3次时，试验结果如表2所示。试验结果表明：冻融质量损失率很小，一般在1%以下，而且不随冻融次数的增加而增大。冻融循环次数在8次以下时，试样都能保持其完整性，冻融循环次数在8次以上时才出现小裂隙。其无侧限抗压强度损失率很小，甚至出现强度增大现象。所以，经PS加固后试样具有较好的抗冻性能。

表2  冻融试验结果

Table 2  Result of freeze-thaw test

2  PS材料加固故城土

试验选用交河故城和高昌故城土体作为研究对象，用PS材料对其原状土和重塑土样进行加固，测试其物理力学性质，对比加固前后的结果，得出其加固效果。

原状样取自故城未扰动土体，土样切割成长×  宽×高为5 cm×5 cm×5 cm的立方体，根据故城土的天然密度，重塑土样选取1.5，1.6和1.7 g/cm³ 3种干密度制样。用模具制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm  (长×宽×高)立方体，在室内自然养护风干后含水量控制在2.0%左右。

试验采用模数为3.8的PS溶液，其浓度分别为3%，5%，7%和10%。试验方案分为以下5种：(1) 未用PS加固；(2) 浓度为3% PS溶液喷洒第1次，浓度为5% PS溶液喷洒第2次，浓度为7% PS溶液喷洒第3次；(3) 浓度为5% PS溶液喷洒3次；(4) 浓度为7% PS溶液喷洒3次；(5) 浓度为10% PS溶液喷洒3次。

2.1  抗压、抗拉强度试验

2.1.1  原状土

将原状土用5% PS溶液喷洒3次，每次喷洒时间间隔为24 h，全部喷洒完毕后在室内养护至自然风干，测试其单轴抗压和抗拉强度，典型土样JH-029，JH-030，JH-011和JH-012的测试结果如表3所示。

表3  原状土强度试验结果

Table 3  Results of undisturbed soil tests

可以看出：经过PS材料加固后，生土和垛泥的强度得到了明显提高，提高幅度为120%~180%，生土的强度要高于垛泥强度。

2.1.2  重塑土

分别对密度为1.5，1.6和1.7g/cm³的重塑土样进行PS加固，采用与加固原状土同样的处理方式加固后测试其PS固含量(即试块含PS质量)和强度，结果如表4~6所示。

从表4~6可以看出：土的密度越小，吸收PS溶液的能力越强；经PS加固后，重塑土的抗压和抗拉强度明显增大，最大可提高约1.6倍。

表4  重塑土加固后PS固含量

Table 4  Content of PS after remoulded soil being reinforced                 g

表5  重塑土的抗压强度

                                  Table 5  Results of remoulded soil tests                               Mpa

表6  重塑土的抗拉强度

                                    Table 6  Results of tensile soil tests                                Mpa

2.2  抗风蚀试验

抗风蚀能力测试在中国科学院寒区旱区研究所的野外风洞试验室进行，试样水平放置，采用风速为   17 m/s的携沙风，吹蚀时间为10 min。

2.2.1  原状土

对原状土进行(1)~(5) 5种方式的操作进行加  固，结果如表7所示。从表7可见：PS浓度越大，原状土的抗风蚀能力越强，但变化不明显，所以，PS浓度以5%为宜。不同加固方法以及PS浓度不同，风蚀率也略有不同。未加固的原状土风蚀率为加固土风蚀率的6~24倍，说明PS加固后原状土的抗风蚀能力大大提高。

表7  风洞试验后原状土风蚀率

Table 7  Aeolian erosion rate of undisturbed soil after  wine tunnel test             %

2.2.2  重塑土

重塑土风蚀结果如表8和图5所示。从表8、图5可以看出：密度越大，PS加固后抗风蚀能力越强，重塑土加固样的抗风蚀能力提高8~22倍。

1—加固重塑样风蚀；2—加固重塑样雨淋+风蚀；
3—未加固重塑样风蚀；4—未加固重塑样雨淋+风蚀

图5 交河生土风蚀率与密度的关系

Fig.5  Relationship between aeolian erosion rate and density for raw soil of Jiaohe

2.3  雨淋+风洞试验

将交河故城重塑土未加固和加固样进行雨淋，待其在室内放置养护至自然风干后进行风洞试验。

风洞试验在中国科学院寒区旱区研究所的野外风洞试验室进行，采用风速为17 m/s的携沙风，吹蚀时间为10 min，试样水平放置。每次吹3块，试样间隔不能小于12 cm，且不能靠近风箱边缘。结果如表9所示。

从表9可以看出：雨淋对试样的抗风蚀能力影响较明显，一般下降3~10倍。经PS加固后，重塑土的抗风蚀能力越强，抗雨蚀能力得到明显提高，而且密度越大，PS加固效果越明显。抗雨蚀+风蚀能力提高6~13倍。

表8  风洞实验后重塑土风蚀率

                   Table 8  Aeolian erosion rate of remoulded soil after wine tunnel test                     %

表9  雨淋+风洞试验后重塑土风蚀率

                 Table 9  Aeolian erosion rate of remoulded soil after rain drop and wine tunnel test              %

3  结论

(1) 经PS材料加固的古长城和故城土强度都有明显提高，古长城重塑土抗压强度由0.31~2.10 MPa提高到加固后的0.35~3.21 MPa，且当PS浓度为5%，渗透加固3次时加固效果最好。加固后古长城土抗剪强度也得到明显提高，但随密度、土质、PS材料浓度及加固次数不同其提高幅度有所变化。故城土经PS加固后原状土抗压和抗拉强度是未加固土的1.2~1.8倍，重塑土强度最大可提高至1.6倍。

(2) 古长城土经PS加固后耐老化能力提高，辐射300 h内，强度不但没有降低，还会有增大现象，而且随着PS浓度和加固次数增多，其耐老化能力越强。加固后渗透系数略有降低但不明显，而且PS浓度和加固次数的不同对渗透性影响略有差异。经过8次以上冻融循环时，加固试样才出现破坏，但其无侧限抗压强度损失率很小，甚至还会出现强度增大现象。

(3) 对故城土未加固土与加固土进行的风蚀以及雨蚀+风蚀的试验结果表明，PS加固后可使原状土的抗风蚀能力提高6~24倍，使重塑土抗风蚀能力提高8~22倍。重塑土加固后雨蚀+风蚀综合能力提高6~13倍。而且土体密度越大，经PS材料加固后其抗风蚀、抗雨蚀能力越强。

参考文献：

[1] 李最雄. 丝绸之路古遗址保护[M]. 北京: 科学出版社, 2003: 48-118.
LI Zui-xiong. Protection of sites in the Silk Road[M]. Beijing: Science Press, 2003: 48-118.

[2] 王旭东. 西北地区石窟与土建筑遗址保护研究的现状与任务[J]. 敦煌研究, 2007(5): 6-11.
WANG Xu-dong. Actuality and task of protection and research of grotto and earthen architecture in northwest[J]. Dunhuang Research, 2007(5): 6-11.

[3] 李最雄, 王旭东, 孙满利. 交河故城保护加固技术研究[M]. 北京: 科学出版社, 2008: 154-203.
LI Zui-xiong, WANG Xu-dong, SUN Man-li. Research on conservation techniques for conserving the city of Jiaohe[M]. Beijing: Science Press, 2008: 154-203.

[4] 李最雄, 王旭东, 田琳. 交河故城土遗址的加固实验[J]. 敦煌研究, 1997(3): 171-181.
LI Zui-xiong, WANG Xu-dong, TIAN Lin. Reinforcement tests of Jiaohe ancient city[J]. Dunhuang Research, 1997(3): 171-181.

[5] 李最雄, 王旭东, 郝利民. 室内土遗址的加固实验[J]. 敦煌研究, 1998(4): 44-149.
LI Zui-xiong, WANG Xu-dong, HAO Li-min. Reinforcing tests indoors of earthen architecture[J]. Dunhuang Research, 1998(4): 44-149.

[6] 孙满利. 吐鲁番交河故城保护加固研究[D]. 兰州: 兰州大学土木工程与力学学院, 2006: 100-108.
SUN Man-li. A study of the protection and reinforcement about the ruins of Jiaohe, Turpan, China[D]. Lanzhou: Lanzhou University. School of Civil Engineering and Mechanics, 2006: 100-108.

[7] 赵海英. 甘肃境内战国秦长城和汉长城研究[D]. 兰州: 兰州大学土木工程与力学学院, 2005: 82-136.
ZHAO Hai-ying. Study on conservating the Great Wall of Qin Dynasty at the waring states period and the Han dynasty in Gansu Province[D]. Lanzhou: Lanzhou University. School of Civil Engineering and Mechanics, 2005: 82-136.

[8] 赵海英, 李最雄, 汪稔, 等. PS材料加固土遗址风蚀试验研究[J]. 岩土力学, 2008, 29(2): 392-396.
ZHAO Hai-ying, LI Zui-xiong, WANG Ren, et al. Wind erosion experiment of ancient earthen site consolidated by PS material[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(2): 392-396.

[9] 赵海英, 王旭东, 李最雄, 等. PS 材料模数、浓度对干旱区土建筑遗址加固效果的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(3): 558-562.
ZHAO Hai-ying, WANG Xu-dong, LI Zui-xiong, et al. Impact of modulus and concentration of potassium silicate material on consolidation earthen architecture sites arid region[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(3): 558-562.

[10] 周双林. 文物保护用有机高分子材料及要求[J]. 四川文物, 2003(3): 94-96.
ZHOU Shuang-lin. Organic polymer material and require in culture relics[J]. Sichuan Cultural Relics, 2003(3): 94-96.

[11] 李宏松, 魏桦. 岩石材料工程性能的研究—石质文物保护科技的基础性研究方向[J]. 文物保护与考古科学, 2006, 18(2): 57-62.
LI Hong-song, WEI Hua. A study of the engineering capability of stone material the basic research direction of the conservation techniques of stone relics[J]. Sciences of Conservation and Archaeology, 2006,18(2): 57-62.

[12] 和法国. 岩土工程加固新材料试验研究[D]. 兰州: 兰州大学土木工程与力学学院, 2006: 34-51.
HE Fa-guo. Study on the experimentation of new reinforced materials in geotechnical engineering[D]. Lanzhou: Lanzhou University. School of Civil Engineering and Mechanics, 2006: 34-51.

[13] 和法国, 谌文武, 张景科, 等. PS材料加固交河故城土体试验研究[J]. 敦煌研究, 2007(5): 32-35.
HE Fa-guo, CHEN Wen-wu, ZHANG Jing-ke, et al. Research on experiment of soil of Jiaohe ancient city reinforced by PS material[J]. Dunhuang Research, 2007(5): 32-35.

[14] 唐大雄, 刘佑荣, 张文殊, 等. 工程岩土学[M]. 北京: 地质出版社, 1982: 10-54.
TANG Da-xiong, LIU You-rong, ZHANG Wen-shu, et al. Geologic engineering[M]. Beijing: Geology Press, 1982: 10-54.

[15] 张咸恭, 王思敬, 张倬元. 中国工程地质学[M]. 北京: 科学出版社, 2000: 5-70.
ZHANG Xian-gong, WANG Si-jing, ZHANG Zhuo-yuan. Engineering geology of China[M]. Beijing: Science Press, 2000: 5-70.

[16] 王银梅. 西北干旱区土建筑遗址加固概述[J]. 工程地质学报, 2003, 11(2): 189-192.
WANG Yin-mei. A brief of reinforcement of earth structure sites in the arid areas of Northwest China[J]. Journal of Engineering Geology, 2003, 11(2): 189-192.

[17] 潘别桐, 黄克忠. 文物保护与环境地质[M]. 北京: 中国地质大学出版社, 1992: 2-65.
PAN Bie-tong, HUANG Ke-zhong. Cultural relic protection and environmental geology[M]. Beijing: China University of Geosciences Press, 1992: 2-65.

收稿日期：2009-05-22；修回日期：2009-07-30

基金项目：国家“十一五”科技支撑项目(2006BAK30B02)

通信作者：谌文武(1966-)，男，河南信阳人，博士，教授，从事地质工程、岩土工程和文物保护工程的研究；电话：0931-8914308；E-mail: hefg03@lzu.cn

(编辑 赵俊)