排水木锚杆加固田螺山地下土遗址坑壁滑塌病害试验研究

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土遗址作为古代文化遗产的主要载体之一,具有独特的考古、历史、艺术、文化价值。近年来,我国在北方干旱环境土遗址的加固保护技术方面取得了良好进展。与干旱地区土遗址相比较,南方潮湿温热环境下土遗址赋存环境更为复杂,地下土遗址考古发掘出土后,由于赋存环境温湿度、地下水环境周期性的作用,潮湿环境土遗址风化、劣化速度很快甚至消亡。工程实践及研究表明,将干旱环境土遗址加固保护技术直接应用于潮湿环境土遗址,存在一定缺陷和不足。因此,探索潮湿环境下土遗址的加固保护技术,为土遗址中长期展陈提供相适宜的加固保护技术,是当前岩土遗址加固保护领域涵待解决的问题。
  潮湿环境地下土遗址考古发掘出土后,土遗址本体病害类型多样,其中坑壁滑塌病害是影响潮湿环境地下土遗址稳定性的主要病害之一。在遵循土遗址保护基本原则的基础上,结合地下土遗址坑壁滑塌病害机理及特征,课题组提出了柔性排水木锚杆锚固技术用以治理潮湿环境地下土遗址坑壁滑塌病害,并进行了前期探索研究。本文在课题组前期探索研究的基础上,以浙江省余姚市田螺山土遗址为例,采集田螺山考古发掘现场典型遗址土样,通过系列室内试验,对柔性排水木锚杆技术加固田螺山土遗址的性能和效果进行初步试验研究。主要研究内容包括:室内柱状土柱排水固结试验模型的设计制作,柔性排水木锚杆杆径、排水结构层层数对遗址土排水固结特性的影响试验研究,排水木锚杆与遗址土体的界面强度特性拉拔试验研究,排水固结后遗址土体的抗剪强度试验研究等。
  通过系列室内试验研究,主要结论总结如下:
  (1)设计加工的柱状土柱室内试验模型,能够较好的实现排水边界条件的控制,能够实现纯径向排水、纯竖向排水、径向和竖向同时排水,可以为柔性排水木锚杆加固遗址土排水固结特性的深入研究提供试验条件。
  (2)室内固结模型试验研究表明,柔性排水木锚杆径向排水效果良好,对田螺山遗址土具有良好的排水固结效果,对提高潮湿环境土遗址坑壁的稳定性有一定的作用。具体表现为柔性排水木锚杆的径向排水作用,可明显缩短排水路径,在常规固结压力范围内能够保持较好的排水固结性能。在相同锚杆杆径的情况下,排水结构层数的增加对土体固结具有促进作用,说明在固结过程中锚杆周身包裹2~3mm厚度土工布能够提供竖向排水通道;在包裹相同土工布层数的情况下,排水木锚杆杆径占主导作用,一定范围内杆径越大,排水效果越好。
  (3)拉拔试验中,8mm杆径包裹一层土工布极限拉拔力最小为80N,10mm杆径极限拉拔力居中,12mm杆径包裹四层土工布极限拉拔力最大为160N。相同木锚杆杆径情况下,一层、二层、四层研究方案中,界面排水土工布层数每增加一倍,极限抗拔力可以增加30%~40%,相同层数排水土工布情况下,8mm、10mm、12mm,每增加2mm杆径,极限拉拔力提升10%~20%左右。拉拔过程中锚杆均未被拉出体现了良好的加筋作用。木锚杆抗拔力的提升主要表现为增大锚杆与土体之间的界面抗剪强度,当采用增大接触表面积,增大摩擦系数有利于发挥锚杆的极限抗拔力。
  (4)剪切试验中,8mm杆径外裹一层排水土工布排水固结试验后对遗址土进行剪切试验,土体抗剪强度最小为30.25kPa,12mm外裹四层排水土工布处理的饱和软土抗剪强度最大,可提升到50.27kPa,土体自身的抗剪强度随着排水固结程度提高得到不同程度增强,能够起到发挥土体自身的稳定性的作用,排水木锚杆杆径与排水结构层增大,遗址土的剪切强度增大,到达峰值后土体发生剪切破坏。排水木锚杆加固潮湿环境下土遗址具有较好的排水效果,有利于发挥遗址土体的自身抗剪强度,增强潮湿环境地下土遗址坑壁的稳定性。
  (5)柔性排水木锚杆加固技术是一种微扰动、纯物理、可逆性修复技术,符合土遗址加固保护的基本原则和先进理念,试验研究表明柔性排水木锚杆技术在田螺山地下土遗址坑壁滑塌病害治理方面具有一定的应用前景。
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