【摘要】：中原地區(qū)土遺址數(shù)量眾多,歷史及文化價(jià)值極高。然而,由于其暴露在自然環(huán)境中且與大地直接相連,土遺址掏蝕、坍塌及裂隙等病害十分普遍。土遺址病害形成主要與賦存環(huán)境及遺址本體土性有關(guān)。中原地區(qū)土遺址以粉土夯筑為主,多臨水修筑或周邊遍布農(nóng)田。由于粉土特殊的顆粒級(jí)配特征導(dǎo)致其毛細(xì)作用顯著,水敏性較強(qiáng)。而降雨及農(nóng)田澆灌所致積水加劇了土遺址根部的毛細(xì)水干濕循環(huán)效應(yīng)。但目前針對(duì)中原地區(qū)土遺址本體性能研究相對(duì)較少,粉土-水相互作用機(jī)制尚不明確,給中原地區(qū)土遺址保護(hù)造成巨大困難。因此,有必要對(duì)遺址粉土力學(xué)特性的干濕循環(huán)效應(yīng)及其微觀機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究,這對(duì)于豐富土遺址保護(hù)理論,指導(dǎo)土遺址預(yù)防性保護(hù)及修復(fù)工程具有重要意義。本文以中原地區(qū)土遺址根部掏蝕等病害為背景,首先從試驗(yàn)出發(fā),設(shè)計(jì)符合中原地區(qū)土遺址賦存水環(huán)境的試驗(yàn)裝置及方法,系統(tǒng)研究了制樣條件、干濕循環(huán)次數(shù)、干濕循環(huán)幅度對(duì)遺址粉土剪切力學(xué)特性的影響規(guī)律;然后,結(jié)合壓汞、掃描電鏡及核磁共振等微觀試驗(yàn)手段探究其內(nèi)在機(jī)制;最后,建立考慮非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則和干濕循環(huán)次數(shù)的遺址粉土鄧肯-張模型,并通過Fortran語言編程對(duì)其進(jìn)行數(shù)值化,進(jìn)而對(duì)土遺址根部掏蝕等病害形成機(jī)制進(jìn)行探討。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)對(duì)靜力壓實(shí)法和動(dòng)力擊實(shí)法制取遺址粉土試樣的力學(xué)特性及其孔隙結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究。發(fā)現(xiàn)制樣方法對(duì)遺址粉土力學(xué)特性存在明顯影響,且與剪切試驗(yàn)方法緊密相關(guān)。直接剪切試驗(yàn)所得靜力壓實(shí)試樣剪切強(qiáng)度及黏聚力均高于動(dòng)力擊實(shí)試樣,而三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果則相反。因此,在粉土遺址工程修復(fù)時(shí),強(qiáng)度參數(shù)的選擇需結(jié)合現(xiàn)場施工方法及可能出現(xiàn)的破壞形式綜合考慮。(2)采用自制的可分層取樣試驗(yàn)裝置開展了長達(dá)15個(gè)月的干濕循環(huán)測試工作。結(jié)果表明,與初始土樣相比,1次干濕循環(huán)土樣的應(yīng)變軟化特征顯著增強(qiáng),但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,其應(yīng)變軟化性減弱;同時(shí),黏聚力、切線模量也都呈現(xiàn)出1次循環(huán)后明顯增大隨后逐漸減小的變化規(guī)律。結(jié)合壓汞和核磁共振試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為遺址粉土力學(xué)特性的干濕循環(huán)次數(shù)效應(yīng)主要受粉土中黏�！叭S網(wǎng)架”的均勻收縮和局部破壞所控制。(3)采用土柱模型試驗(yàn)對(duì)不同干濕循環(huán)幅度下遺址粉土的力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明,粉土試樣剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律與固結(jié)圍壓和吸濕含水率穩(wěn)定值緊密相關(guān)。在圍壓10~40kPa范圍內(nèi),與初始試樣相比,隨著干濕循環(huán)幅度的增大,剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先小幅增大后顯著減小的變化規(guī)律,而在圍壓100~400kPa時(shí)則單調(diào)衰減。在試驗(yàn)圍壓范圍內(nèi),以縮限含水率為分界線,吸濕含水率對(duì)剪切強(qiáng)度的影響存在閾值效應(yīng)。(4)對(duì)比低圍壓與常規(guī)應(yīng)力下遺址粉土抗剪強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)遺址粉土具有一定的強(qiáng)度非線性特征。因此,在土遺址病害修復(fù)工程中,建議采用相應(yīng)應(yīng)力水平下的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。Baker所提出的廣義冪函數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則,能夠較好描述遺址粉土的非線性強(qiáng)度特性,強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)A值隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢,n值受干濕循環(huán)作用影響較小。(5)引入考慮非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則的鄧肯-張模型對(duì)遺址粉土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行描述,得到了各干濕循環(huán)次數(shù)下土的模型參數(shù)值,并建立了模型參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的相關(guān)函數(shù),給出了可描述中原地區(qū)遺址粉土干濕循環(huán)效應(yīng)及非線性強(qiáng)度特征的鄧肯-張模型。(6)利用ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā),通過Fortran語言編程對(duì)改進(jìn)鄧肯-張模型進(jìn)行了數(shù)值化,并結(jié)合室內(nèi)單元試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性�；诟蓾裱h(huán)作用對(duì)古城寨遺址城墻典型斷面的數(shù)值響應(yīng)特征,發(fā)現(xiàn)該數(shù)值模型可較好反映中原地區(qū)粉土遺址根部掏蝕類病害形成過程。
【圖文】：

中華文明源遠(yuǎn)流長和生生不息的實(shí)物見證，是傳承弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化史根脈，是加強(qiáng)社會(huì)主義精神文明建設(shè)的深厚滋養(yǎng)，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展勢資源。加強(qiáng)文物保護(hù)利用，讓收藏在博物館里的文物、陳列在廣闊大地遺產(chǎn)、書寫在古籍里的文字都活起來，對(duì)于堅(jiān)定文化自信、增強(qiáng)中華民族力、滿足人民群眾精神文化需求、促進(jìn)文明交流互鑒、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大中國夢具有重要意義[1]。土遺址是以土為主要建筑材料的具有歷史、文化和科學(xué)價(jià)值的古遺址[2為文化遺產(chǎn)的重要組成部分，其承載著我國歷代政治、經(jīng)濟(jì)、藝術(shù)、建筑技等方面的重要信息，是歷史留給中國乃至世界的無價(jià)瑰寶。中原又稱中土州、華夏，是指洛陽至開封一帶為中心的黃河中下游地區(qū)[3-4]，主要是指今河南省，是中華文明、華夏歷史最重要的發(fā)源地。河南歷史悠久，且長期政治、經(jīng)濟(jì)及文化中心地位，分布著大量的古代聚落遺址、古城址。根據(jù)文物局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示（截止至第七批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位），河南省內(nèi)古類全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位數(shù)量居全國之首，如圖 1.1 所示。中原地區(qū)現(xiàn)存址文化及社會(huì)價(jià)值巨大，做好土遺址保護(hù)工作的意義不言而喻。

域土遺址的賦存環(huán)境更加復(fù)雜，土遺址病害形成及發(fā)育等也與西北干旱地區(qū)相差很大[12-13]。時(shí)，河南省地處黃泛區(qū)，表層多為第四系全新統(tǒng)沖積層內(nèi)土遺址多為粉土夯筑[14-15]。由于粉土具有特殊的級(jí)配定性差，毛細(xì)管路通暢，具有較強(qiáng)的水敏性。土遺址長尤其是在夏季炎熱多雨氣候條件下，降雨、地下水及農(nóng)址本體力學(xué)性能的劣化效應(yīng)明顯，強(qiáng)度及變形參數(shù)衰減幅河南地區(qū)土遺址保護(hù)中存在諸多問題：保存現(xiàn)狀不容樂觀天然礦物顆粒組成的松散材料，，對(duì)環(huán)境因子的敏感性強(qiáng)質(zhì)文物而言相對(duì)脆弱，易受水蝕、風(fēng)蝕、凍融侵蝕及人壞。西北干旱地區(qū)由于獨(dú)特的干旱少雨氣候，土遺址保區(qū)土遺址雖保存數(shù)量較大，但損毀較為嚴(yán)重。根據(jù)《河南[18]，統(tǒng)計(jì)了河南省境內(nèi) 101 處省級(jí)以上文物保護(hù)單位古圖 1.2。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU43

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2656039