【摘要】：土遺址是古人類生活、生產(chǎn)、文化和宗教等活動(dòng)場(chǎng)所,承載著中華民族的文明歷史,反映一定歷史時(shí)期人類的生產(chǎn)活動(dòng)、社會(huì)活動(dòng)、社會(huì)關(guān)系和經(jīng)濟(jì)文化水平,是我們今天研究古文化的實(shí)物資料。土遺址在當(dāng)時(shí)都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格選址和特殊處理的,由于時(shí)間久遠(yuǎn),長(zhǎng)期受自然和環(huán)境因素影響,各種環(huán)境地質(zhì)病害滋生,人類工程活動(dòng)進(jìn)一步加大了遺址的破壞,甚至瀕危。土遺址賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境,各種病害受遺址所處的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及環(huán)境諸因素影響而產(chǎn)生,遺址原址保護(hù)要結(jié)合這些因素展開(kāi)。目前不少科研單位在西北干旱地區(qū)開(kāi)展土遺址原址保護(hù)并取得許多成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),潮濕多雨的氣候條件使得南方土遺址的環(huán)境地質(zhì)病害不同于北方,相應(yīng)的病害產(chǎn)生機(jī)理和治理措施也不同,目前這方面的研究成果較少。熊家冢土遺址地處潮濕多雨的湖北省荊州市,該遺址由主冢、陪冢、車(chē)馬坑、殉葬墓、祭祀坑等組成,占地面積為11萬(wàn)平方米,這是目前所見(jiàn)規(guī)模最大、陵園分布最完整的楚國(guó)高等級(jí)貴族墓地,其原址保護(hù)意義重大。經(jīng)歷數(shù)次盜墓破壞和生產(chǎn)建設(shè)的影響,熊家冢遺址的保存環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,國(guó)家文物局于2005年11月正式批準(zhǔn)對(duì)該遺址車(chē)馬坑和部分殉葬墓進(jìn)行搶救性考古發(fā)掘。發(fā)掘過(guò)程中發(fā)現(xiàn)熊家冢遺址區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)病害有：水害問(wèn)題、墓坑邊坡表層剝落和掉塊現(xiàn)象。本文采用工程地質(zhì)手段現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查熊家冢遺址區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,室內(nèi)試驗(yàn)研究遺址土體工程性質(zhì),在此基礎(chǔ)上分析導(dǎo)致病害產(chǎn)生的因素是：遺址土為中膨脹土、潮濕多雨的氣候條件和人類工程活動(dòng)的破壞作用。論文重點(diǎn)研究遺址區(qū)膨脹土的強(qiáng)度影響因素、降雨作用下遺址區(qū)的滲流場(chǎng)和墓坑邊坡穩(wěn)定性、遺址區(qū)土體化學(xué)加固后的物理力學(xué)性質(zhì),綜合試驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)算提出遺址原址保護(hù)的治理措施。具體的研究?jī)?nèi)容和取得的成果如下：1、調(diào)查遺址區(qū)的地理位置、自然環(huán)境、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件,建立了遺址區(qū)的水文地質(zhì)模型,歸納出遺址區(qū)的主要環(huán)境地質(zhì)病害。2、研究遺址土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、物理性質(zhì)、剪切性、壓縮性、透水性、脹縮性,并綜合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土體進(jìn)行膨脹土的判別分類,結(jié)果表明第1層為弱膨脹土,第2層為中膨脹土,第3層為中膨脹土,并且土體的脹縮性隨埋深增加而增強(qiáng)。3、墓坑邊坡以中膨脹土為主,膨脹土在大氣作用下濕脹干縮裂縫發(fā)育并發(fā)展,裂縫一方面消弱邊坡土體結(jié)構(gòu),另一方面提供滲水通道,水使土體軟化,強(qiáng)度降低,威脅邊坡的穩(wěn)定性。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究影響膨脹土抗剪強(qiáng)度的因素。采用直剪試驗(yàn)研究膨脹土強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果表明重塑土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的升高而呈指數(shù)降低,并且含水率對(duì)粘聚力的影響大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。采用直剪試驗(yàn)研究膨脹土強(qiáng)度隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果表明重塑土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小,在經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)后土體的強(qiáng)度參數(shù)就明顯降低,經(jīng)歷4次干濕循環(huán)后強(qiáng)度參數(shù)基本趨于穩(wěn)定,并且粘聚力受干濕循環(huán)影響的程度較摩擦角大,土體的脹縮性越強(qiáng)受干濕循環(huán)影響的程度越大。采用壓力板儀研究遺址區(qū)膨脹土的土水特性,然后借用Matlab程序?qū)υ囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,得到Van Genuchten模型參數(shù)。對(duì)比不同土層的VG模型參數(shù)發(fā)現(xiàn)埋深增加,進(jìn)氣值逐漸增加,殘余含水量也逐漸增加,土水特征曲線斜率逐漸減小,表明遺址土的持水能力是逐漸增強(qiáng)的。第三章的試驗(yàn)結(jié)果是上體埋深增加,土樣的粘粒含量逐漸增大,塑性指數(shù)也呈增長(zhǎng)趨勢(shì),膨脹潛勢(shì)也逐漸增強(qiáng)、干密度、飽和含水率也都逐漸增大,對(duì)應(yīng)上體的持水能力也逐漸增強(qiáng)。壓力板儀和VG模型研究的上水特性試驗(yàn)結(jié)果與第三章的土性試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。采用非飽和上直剪儀研究膨脹土的非飽和抗剪強(qiáng)度,設(shè)定軸向壓力為100kPa,研究不同基質(zhì)吸力下的非飽和強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果是抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增加而增大,并且土體達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的位移也隨基質(zhì)吸力的增加而增大。這表明基質(zhì)吸力增加,土體抵抗破壞的能力會(huì)提高,對(duì)應(yīng)的塑性變形也增大。將非飽和直剪的試驗(yàn)結(jié)果代入到Fredlund抗剪強(qiáng)度公式,假定摩擦角φ'不受基質(zhì)吸力影響,計(jì)算結(jié)果是摩擦角φb隨著基質(zhì)吸力的增加而減小。具體體現(xiàn)是基質(zhì)吸力由50kPa增長(zhǎng)到150kPa,摩擦角φb迅速減小,基質(zhì)吸力大于200kPa后摩擦角φb緩慢減小。4、采用第三章和第四章試驗(yàn)得到滲水性參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù),借助數(shù)值模擬計(jì)算遺址區(qū)地下水滲流場(chǎng)和主冢墓坑邊坡的穩(wěn)定性。計(jì)算主冢墓坑邊坡在降雨入滲作用下的滲流場(chǎng),結(jié)果顯示降雨作用首先使邊坡表層土體含水率升高、基質(zhì)吸力降低,隨著降雨持時(shí)的增加,近地表土體含水率趨于飽和,形成暫態(tài)飽和區(qū)并且范圍逐漸向下擴(kuò)大。在降雨作用下邊坡坡腳首先達(dá)到飽和,并且降雨強(qiáng)度越大坡腳處達(dá)到飽和的時(shí)間越短。結(jié)合滲流場(chǎng)計(jì)算了景觀湖、大氣降水和承壓水對(duì)主冢墓坑邊坡的補(bǔ)給量,計(jì)算結(jié)果表明補(bǔ)給量由大到小分別是大氣降水、承壓水,景觀湖。水害治理首要消除大氣入滲補(bǔ)給,文中提出采用防滲鋪蓋+排水溝來(lái)排除大氣降水的影響；承壓水對(duì)主冢邊坡的越流補(bǔ)給量不大,在墓坑坑底采用排水溝暗溝疏導(dǎo)一定范圍的地下水,使主冢墓坑不受承壓水越流的影響。主冢墓坑邊坡穩(wěn)定性計(jì)算：①考慮降雨作用下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明墓坑邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨強(qiáng)度和持時(shí)的增加而減小,并且雨強(qiáng)越大,穩(wěn)定性系數(shù)降低幅度越大。②采用氣候作用層分帶法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性很低,安全系數(shù)僅為0.939,并且最危險(xiǎn)滑面較淺,從坡腳處開(kāi)始破壞。5、膨脹土邊坡容易受大氣影響,強(qiáng)度降低,威脅邊坡穩(wěn)定性,建議采用對(duì)遺址擾動(dòng)較小的化學(xué)加固法,在遺址土表層噴灑化學(xué)加固劑,防止雨水滲入和土體開(kāi)裂,消除大氣對(duì)膨脹土的影響,提高表層土體的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度,達(dá)到邊坡穩(wěn)定的目的,并開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)研究遺址區(qū)土體化學(xué)加固。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)篩選泥土穩(wěn)定劑作為遺址土加固材料,室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比加固前后土體的脹縮性、強(qiáng)度和水穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果表明加固后土體基本無(wú)脹縮性、水穩(wěn)定性好、強(qiáng)度還有一定增強(qiáng)。研究土體初始含水率對(duì)泥土穩(wěn)定劑滲透深度的影響,根據(jù)土體天然含水率的最小值、進(jìn)氣值對(duì)應(yīng)的含水率、塑限,配置了三種含水率的重塑土樣,采用浸泡加固,試驗(yàn)結(jié)束測(cè)定滲透深度、滲透量和強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果土體含水率在17.50%左右時(shí),加固劑滲透深度和滲透量最大。研究遺址土加固前后的結(jié)構(gòu)特征變化,對(duì)比土樣加固前后的掃描電鏡圖像,發(fā)現(xiàn)土體由疏松的絮凝結(jié)構(gòu)變成相對(duì)致密的層流結(jié)構(gòu),土體的片狀顆粒由面—邊接觸為主,變成面—面接觸為主,所以加固土的水穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度較加固前好。6、熊家冢遺址區(qū)的主要環(huán)境地質(zhì)病害治理措施為：1)排和堵相結(jié)合治理遺址區(qū)水害；2)噴灑化學(xué)加固劑和埋設(shè)土釘提高主冢墓坑邊坡穩(wěn)定性。綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算可以得出熊家冢遺址區(qū)環(huán)境地質(zhì)病害產(chǎn)生的主要內(nèi)因是：遺址區(qū)以中膨脹土為主,主要外因是：潮濕多雨的氣候條件和人類的工程活動(dòng)破壞了遺址原有的封閉環(huán)境,使膨脹土暴露在潮濕多雨的氣候條件下,導(dǎo)致病害產(chǎn)生。論文最后結(jié)合病害特點(diǎn)和產(chǎn)生的機(jī)理,以及文物保護(hù)的基本原則,提出了可行的治理措施,為遺址保存提供適宜的地質(zhì)環(huán)境。通過(guò)熊家冢遺址保護(hù)的研究,希望其研究成果能為南方潮濕環(huán)境下土遺址原址保護(hù)工作起到借鑒作用。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TU47

【參考文獻(xiàn)】

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9 劉艷華,龔壁衛(wèi),蘇鴻;非飽和土的土水特征曲線研究[J];工程勘察;2002年03期

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3 周環(huán);潮濕環(huán)境土遺址的加固保護(hù)研究[D];浙江大學(xué);2008年

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本文編號(hào)：2588134