CN108643163B - 一种盐害防治基础及土遗址加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土遗址保护加固领域，具体而言，涉及一种盐害防治基础及土遗址加固方法。该基础包括土层和碎石料层，土层置于所述碎石料层上，且土层中的土料易溶盐总量≤0.2wt％，硫酸根离子含量≤1300mg/kg，氯离子含量≤650mg/kg，具有耐候性好、盐害防治效果好、可提高建筑稳定性等优点。

Description

一种盐害防治基础及土遗址加固方法

技术领域

本发明涉及土遗址保护加固领域，具体而言，涉及一种盐害防治基础及土遗址加固方法。

背景技术

土壤中盐含量过多，易发生盐害，对建筑地基和土遗址有很大危害，使建筑易发生倾倒、塌陷，尤其不利于土遗址的保护。

在我国保存有大量的土遗址，大部分保存在北方，如汉长城、明长城、交河故城等。这些遗址长期暴露于野外，自然环境对其破坏非常严重，比如雨蚀、风蚀和盐害等，而盐害对土遗址的破坏主要发生在遗址根部，在遗址的根部产生酥碱，导致遗址底部出现悬空从而导致遗址发生倾倒、坍塌等毁灭性破坏。目前对于土遗址盐害的问题仅仅还是在认识阶段，没有相关的处理措施，从而导致一些遗址保护加固后，新保护加固的区域继续发生盐害而遭到破坏，甚至比原来更严重。因此在土遗址保护加固中盐害防治是目前土遗址保护加固中面临的一个亟待解决的问题。

目前土遗址保护加固中对于盐害防治的办法处于多理论性的研究，主要对遗址采用物理脱盐的方式和一些化学材料治理。这些方法对于大量的土遗址保护中实施效果差，且实施难度较大。土遗址处于野外恶劣的环境当中，许多有机化学材料的耐候性较差，不适合于盐害防治处理。土遗址墙体厚大，年代久远，数量众多，且土遗址的建造材料为土，目前在壁画和石质文物中使用的用水吸盐的物理脱盐方法不能大范围应用于土遗址的保护加固盐害处理中。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种盐害防治基础，所述的盐害防治基础具有耐候性好、盐害防治效果好、可提高建筑稳定性等优点。

本发明的盐害防治基础，包括土层和碎石料层；所述土层置于所述碎石料层上；所述土层中的土料易溶盐总量≤0.2 wt %，硫酸根离子含量≤1300mg/kg，氯离子含量≤650mg/kg。

本发明的第二目的在于提供一种土遗址加固方法，该方法使用上述盐害防治基础达到土遗址加固的目的，具有实施方便、机械结构稳固等优点。

在一些实施方式中，土遗址加固方法包括以下步骤：

（a）清理建筑底部，并夯实基础；

（b）在所述建筑底部修建所述的基础，包括：

（b1）铺设所述碎石料层并压实；

（b2）铺设所述土层并夯筑。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）碎石料层的铺设可有效阻止地下水通过毛细作用把大地中的易溶盐带入遗址中，使墙体根部免除盐害的侵蚀；

（2）脱盐土的夯筑可有效防止易溶盐的潮解，并加固整体地基结构；

（3）碎石料层铺设厚度较小，对整个建筑的外观不产生影响；

（4）本发明尤其适用于我国西北干旱及半干旱环境下土遗址加固中盐害的防治，符合文物保护的理念与原则，易操作、防治效果好，为保护我国现存的土遗址提供一种切实可行，行之有效的盐害防治的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例制备得到的盐害防治基础的正视图，其中1为遗址本体，2为加固土层，3为碎石料层；

图2为一个实施例制备得到的盐害防治地基的正视图1A-A剖面示意图；

图 3为一个实施例制备得到的盐害防治地基的试验用土颗粒分布曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种盐害防治基础，包括土层和碎石料层，土层置于碎石料层上，且土层中的土料易溶盐总量≤0.2 wt %，硫酸根离子含量≤1300mg/kg，氯离子含量≤650mg/kg。

由于盐害发育部位大部分都位于根部，且大多都悬空凹进，从土遗址稳定性考虑出发，对悬空凹进区域目前多采用夯筑、砌补等方式进行了支顶加固，这种措施对提高土遗址的稳定性起到了很好的作用。虽然在保护加固选土时对加固土的基本物理力学性质、颜色、易溶盐含量都进行了测试，但由于目前缺乏加固用土中易溶盐含量的控制阈值，因此在保护加固工程中使用了易溶盐含量高的土，从而使得加固体在一定的赋存环境下发生二次盐害，导致易溶盐运移再次破坏遗址本体。因此，降低土中易溶盐盐害阈值对于土遗址保护具有重要意义。

土遗址发生盐害主要受到两方面因素的影响，一是土中所含盐分的类型和含量；二是由于环境因素导致的土中水分运移。土体中水分溶解易溶盐，在温度发生变化后，水分发生运移，从而带动土体中盐分运移。当土中的易溶盐含量达到一定值，水分的反复运移情况下就能产生盐害。

因此，本发明从通过减小土遗址保护加固用土中易溶盐含量和阻断水汽运移两方面入手，来防治土遗址在保护加固中盐害的发生。

为达到较好的盐害防治效果，土料中的易溶盐总量、硫酸根离子含量和氯离子含量均应低于阈值，即易溶盐总量≤0.2 wt %，硫酸根离子含量≤1300mg/kg，氯离子含量≤650mg/kg；如在不同实施例中，脱盐处理后的易溶盐总量可以为0.18%、0.15%、0.12%、0.1%、0.08%等等；硫酸根离子含量可以为1200mg/kg、1000mg/kg、800mg/kg、500mg/kg等；氯离子含量可以为600mg/kg、500mg/kg、400mg/kg、250mg/kg等。

土料包括粉土、粉质粘土和砂土中的一种或多种。土料的选择最好与原遗址的土料相同或相似。

土层中的土料经脱盐处理后得到。

优选地，所述脱盐处理方法包括用水清洗；

更优选地，所述水为经过去除盐离子处理的水，例如蒸馏水、去离子水和纯净水中的一种；

优选地，所述土料含水率≤0.01。

土料经过去除盐离子处理的水清洗至少1次，如在不同的实施例中，可以为2次、3次、5次等等，直到易溶盐总量、硫酸根离子、氯离子含量达到阈值以下，可显著降低水中的盐含量。

然后抽水，再将沉淀物晒干，得脱盐土。含水量的降低可减少水分运移造成的盐害的发生。经清洗脱盐后的土，其含水率≤0.01，如在不同的实施例中可以是0.009、0.008、0.005、0.002等等。

该土层的设置通过降低加固材料中的易溶盐的含量从而减缓盐害的发生。

碎石料层置于所述土层之下。碎石料层的铺设可通过增大毛细管直径，降低毛细上升高度，从而阻止地下水通过毛细作用把大地中的易溶盐带入建筑中，使墙体根部免除盐害的侵蚀。

优选地，所述碎石料层为卵石层。

进一步地，碎石料层中的石料粒径为2cm-4cm。

石料的粒径选择，最好既可保证地基的稳固，又可起到阻断水汽的作用，且不影响建筑美观。

同样地，为降低加固材料中的易溶盐的含量，最好对石料进行脱盐清洗。方法同土层中土料的清洗。清洗后，晒干，待用。

碎石料层的设置以毛细阻断理论为基础，通过阻断水汽减缓盐害的发生。

所述盐害防治基础可用于西北地区的新疆、甘肃、内蒙古、宁夏等地的土遗址，如长城、故城、陵墓等。

本发明还提供了一种土遗址加固方法，包括以下步骤：

（a）清理建筑底部，并夯实基础；

（b）在所述建筑底部修建所述的基础，包括：

（b1）铺设所述碎石料层并压实；

（b2）铺设所述土层并夯筑。

优选地，在步骤（a）之后步骤（b）之前还包括：根据夯筑区域的大小进行支模。

首先，清理土遗址底部，并夯实基础。在盐害作用导致底部悬空的土遗址本体需要进行夯筑加固支顶时，要先对悬空区底部进行清理，清除墙根基地剥落的虚土，至到土遗址未风化区域。此步骤的实施，可加快地基的铺设夯筑，并使根基更扎实稳定。

接着进行支模，根据夯筑区域的大小进行支模，对建筑本体作安全防护及支顶。

然后铺设碎石料，碎石料与碎石料相间铺设，形成碎石料层并压实。

优选地，所述碎石料层为2-3层。铺设层数为2-3层，优选为2层，此铺设厚度较小，对整个土遗址的外观不产生影响。

随后，在碎石料层上面铺设制备好的脱盐土进行夯筑。

优选地，所述土层每层铺土厚度不大于15cm，每铺设一层后夯筑再铺设下一层。

每层铺土厚度不大于15cm，如在不同的实施例中，可以为12cm、10cm等等，每铺设一层后夯筑再铺设下一层，目的是使根基更加扎实稳定。

待加固材料应与原土遗址有最大兼容性，相似度达95%。

优选地，所述土层中的土料与原遗址土料相似，即主要矿物质成分相同，含量相差正负5%，且不同粒径的颗粒占总土量百分比相差正负5%。在土层夯筑后还包括：养护和/或表面修整；

优选地，所述养护为用塑料布覆盖夯筑砌补区域进行养护；

优选地，所述修整包括根据建筑形状，对所述基础表面进行修整处理以使得所述基础与原建筑形状协调一致。

夯筑完成后用塑料布覆盖夯筑砌补区域进行养护，养护一周左右，结合建筑本体的形状对加固支顶层进行表面修整处理，使得修葺的建筑与修葺前相比不显得突兀，以使得地基与原建筑形状协调一致，最终完成具有盐害防治功能的土遗址夯筑支顶地基。

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

1 土遗址盐害调查

通过调查新疆、甘肃、内蒙、宁夏等多处遗址盐害，发现西北地区土遗址中阴离子主要为氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子；阳离子主要钠离子、钾离子和钙离子为主（表1）。在盐害比较严重部位取样分析得出，遗址土中平均易溶盐含量为2%，最高部位的含盐量为6.3%。在这些易溶盐中对遗址破坏较大的离子为钠离子、硫酸根离子和氯离子。

由于遗址土中含有大量易溶盐，在水盐运移作用下导致遗址发生破坏，破坏部位主要位于遗址根部偏上部位。选择银川西夏陵三号陵西墙东立面一段盐害发育墙体，从上至下选择4个点取样进行易溶盐测试。结果显示，中上部位易溶盐含量较高，且主要为硫酸钠，其次为氯化钠。

表1 易溶盐测试结果表

2 试验样品制备

根据前研究成果和现场调查结果，在室内主要对这土遗址破坏严重的两种盐分盐害阈值进行了试验研究。

2.1 试验材料及仪器

试验材料：脱盐土（四次脱盐后，易溶盐总量为0.06%）、纯净水、氯化钠、无水硫酸钠。

试验仪器：制样机、离子色谱仪、显微镜、冰箱、烘箱等。

2.2 试验样品制备方法

根据现场调查的盐分含量，在脱盐土中加入相应含量的硫酸钠和氯化钠，并不断减少加入量，多次试验后得出土遗址盐害阈值。分别加1%，3%，5%的硫酸钠试块，放置在室内环境下，观察在制样后4小时、1天、3天后的状态。在高含盐量状态下，土中盐害发育非常明显。

通过多次试验并经过优化后，对不同盐类含量进行了调整（表2），按照调整后的盐分含量制作试块，试块用制样机一次性压制成功，尺寸为5×5×5cm，每个试块制作两个平行样，一个进行干湿循环试验，一个进行力学性质测试。用于干湿循环试验的试块采用拍照和显微镜两种方式观察试块结构变化。

表2试验试块易溶盐配比表

3 干湿循环试验

3.1 试验方法

首先把试块放入烘箱内烘24小时，烘箱温度设定为30℃。然后进行称量、拍照、显微镜拍照，记录试块盐害变化情况，再从试块顶部缓慢加入10%纯净水，放进烘箱进行24小时烘干，这样为一个干湿循环。每次循环都进行相应的试验记录，本次盐害阈值试验共进行了10个干湿循环测试。

3.2 宏观及微观观察结果

试块每次从烘箱内取出后，先用照相机对整个试块进行宏观拍摄，然后再用显微镜观察固定点。下面分别对不同试块组在不同循环后的宏观和微观变化情况进行描述。

4 力学性质测试

在干湿循环试验结束后，对试块进行了抗压强度测试，并与未进行干湿循环的平行样的抗压强度进行对比，表3为试块抗压强度测试结果。

表3试块抗压强度测试结果表

从表3可以明显看出，试块在经过干湿循环后，其抗压强度比未进行干湿循环的试块强度要低，尤其是含盐量越高，其强度降低越明显。未加盐的试块，在经过10个干湿循环后其强度减小一半。试块组A、C、E都为高含盐量的试块组，在经过10个循环后其抗压强度也基本减少30~65%。试块组B虽然含盐量低，但是不同含盐量的试块抗压强度在10个循环后均降低近50%，这主要与硫酸钠结晶破坏试块结构有关，说明如果土中含有0.1%硫酸钠，则存在盐害风险。试块组D，也同样存在这样的现象，随着含盐量的增加，在10个循环后其抗压强度逐渐降低。D试块组中，含盐量为0.2%的试块，在经历10个干湿循环后其抗压强度与未经过干湿循环的试块差别不大，仅仅减小0.08 MPa，基本与未经过干湿循环的试块强度一致，因此该含盐量值可以初步作为干旱环境下土遗址盐害阈值。

5 盐害阈值初步分析

通过干湿循环试验，我们可以初步确定盐害阈值，该阈值主要从氯离子和硫酸根离子含量两个方面进行评价。该阈值为以后土遗址保护加固中，加固材料（主要是土）中易溶盐的含量进行一个相关规定，从而确保加固体不因本身盐分含量而发生破坏。同时为以后土遗址盐害脱盐提供一个依据，即土中如果离子含量大于该值，发生盐害破坏的概率极大，从而进行脱盐处理。

前期现场易溶盐调查发现，西北干旱区大部分土遗址中易溶盐为NaCl和Na₂SO₄。在测试的结果中Cl^-和SO₄ ^2-含量比值基本为0.5，再根据干湿循环测试结果，认为复合盐（A:B=1:2）试块组（D组）的试验情况较符合实际情况，因此以这组试块做为研究对象进行盐害阈值的确定。

根据前文分析，认为0.2%复合盐（A:B=1:2）试块组（D组）可以作为盐害阈值。在干旱环境下（发生干湿循环为主），以0.2%的含盐量为阈值，依此进行计算，以确定土中Cl^-和SO^4-的含量。在总含盐量为0.2%（仅为NaCl和Na₂SO₄时）的土中，经过计算，Cl^-的含量为0.065%（650mg/kg），SO^4-含量为0.13%（1300mg/kg）。该值在土遗址保护加固中，用来评价所选土是否符合加固标准，以土中Cl^-和SO^4-含量来确定保护材料是否符合盐害标准，在经过测试后，其中任何一个值超标，将都有可能会发生盐害。

盐害发生中的盐分主要为硫酸钠和氯化钠，因此盐害阈值主要从氯离子和硫酸根离子含量两个方面进行评价，通过对阈值的限定，对易溶盐的含量进行一个相关的规定，从而确保加固体不因本身盐分含量而发生破坏，同时为以后土遗址盐害脱盐提供一个依据，即土中如果离子含量大于该值，发生盐害破坏的概率极大，从而进行脱盐处理。

待盐害防治和加固的建筑为银川西夏陵。

试验用土的选择。

通过XRD、颗粒分析测试，选用与原遗址土矿物成分及粒径含量相近的粉土。

颗粒分析采用筛分法和密度计法进行分析，试验方法按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-199）进行。结果如图3的所示。

矿物成分分析采用XRD测试，统计结果见表4（ysl-1、ysl-2、ysl-3分别表示1号样、2号样、3号样）。

表4试验用土XRD检测结果表

样品编号	主要物相及百分含量
		ysl-1	石英（58.8%）、方解石（14.2%）、钠长石（18.3%） 白云母（3.6%）、绿泥石（5.1%）
ysl-2	石英（53.4%）、方解石（12.1%）、钠长石（25.6%） 白云母（3.5%）、绿泥石（5.4%）
		ysl-3	石英（56.5%）、方解石（11.1%）、钠长石（23.1%） 白云母（3.7%）、绿泥石（5.6%）

和原遗址进行比较，选择石英（58.8%）、方解石（14.2%）、钠长石（18.3%）、白云母（3.6%）、绿泥石（5.1%），颗粒粒径小于1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm、0.005mm的颗粒占总土质量百分比分别为99.3%、97%、94.7%、71.5%、17.14%的1号样。

将土料进行脱盐处理：把粉土放入纯净水中进行2次浸泡和清洗，然后抽水得沉淀物，并将沉淀物晒干，得脱盐土。测定土中含水率为0.01，.易溶盐总量0.2%，且硫酸根离子含量1300mg/kg，氯离子含量650mg/kg。

挑选直径为2-4cm卵石，并用纯净水清洗2遍，晒干，备用。

对发生盐害墙体根部基础进行清理，然后夯实基础。

在其上铺设两层清洗后的卵石，形成卵石层，压实。

接着，根据夯筑区域的大小进行支模，对遗址本体作安全防护及支顶。

再按照每层15cm的厚度铺设制备的脱盐土进行夯筑，每铺设一层后夯筑再铺设下一层，共2层。

夯筑完成后用塑料布覆盖夯筑砌补区域，养护一周后，根据遗址形状，对表面进行修整处理，使整体与原遗址协调一致。

实施例2

待加固的建筑为明汉长城。

根据实施例1的方法，确定盐害阈值及选择适宜的土料。

在盐害作用导致底部悬空的土遗址本体需要进行夯筑加固支顶时，先对悬空区底部进行清理，清除墙根基地剥落的虚土，至到遗址未风化区域。

然后备料，对土进行脱盐处理，即用纯净水多次浸泡清洗，抽水，将沉淀物晒干，得脱盐土；清洗直到脱盐土含水率≤0.01，易溶盐总量小于0.2%，且硫酸根离子含量≤1300mg/kg，氯离子含量≤650mg/kg为止；然后选择粒径在2-4cm的碎石料，并用纯净水进行冲洗3遍。

备料完成后进行夯筑支顶加固工作，首先根据夯筑区域和范围进行支模，然后在清理出的遗址未风化区域铺设碎石料层两层，并手工压实，碎石料与碎石料相间摆放，形成碎石料层。

在碎石料层上面铺设制备好的脱盐土进行夯筑，夯筑时，每层厚度为12cm，每铺设一层后夯筑再铺设下一层。

夯筑完成后用塑料布覆盖夯筑砌补区域，养护一周后，根据遗址形状，对表面进行修整处理，使整体与原遗址协调一致。

Claims (12)

1.一种盐害防治基础，其特征在于，该基础包括土层和碎石料层；所述土层置于所述碎石料层上；

所述土层中的土料易溶盐总量≤0.2 wt %，硫酸根离子含量≤1300mg/kg，氯离子含量≤650mg/kg；

所述碎石料层中的石料为卵石，所述碎石料层中的石料粒径为2cm-4cm，所述碎石料层中的石料为脱盐处理过后的石料；

所述土层中的土料经脱盐处理后得到；所述脱盐处理方法包括用水清洗；所述水为经过去除盐离子处理的水，所述水选自蒸馏水、去离子水和纯净水中的一种；所述土料含水率≤0.01。

2.根据权利要求1所述的一种盐害防治基础，其特征在于，所述土料包括粉土、粉质粘土和砂土中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种盐害防治基础，其特征在于，所述碎石料层的脱盐处理方法包括用水清洗。

4.根据权利要求3所述的一种盐害防治基础，其特征在于，所述水为经过去除盐离子处理的水，所述水选自蒸馏水、去离子水或纯净水的一种。

5.一种土遗址加固方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）清理建筑底部，并夯实基础；

（b）在所述建筑底部修建权利要求1-4任一项所述的一种盐害防治基础，包括：

（b1）铺设所述碎石料层并压实；

（b2）铺设所述土层并夯筑。

6.根据权利要求5所述的一种土遗址加固方法，其特征在于，在步骤（a）之后步骤（b）之前还包括：根据夯筑区域的大小进行支模。

7.根据权利要求5所述的一种土遗址加固方法，其特征在于，所述土层每层铺土厚度不大于15cm，每铺设一层后夯筑再铺设下一层。

8.根据权利要求5所述的一种土遗址加固方法，其特征在于，所述土层中的土料与原遗址土料相似，即主要矿物质成分相同，含量相差正负5%，且不同粒径的颗粒占总土量百分比相差正负5%。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的一种土遗址加固方法，其特征在于，所述碎石料层为2-3层。

10.根据权利要求5-8中任一项所述的一种土遗址加固方法，其特征在于，在步骤（b2）之后还包括：养护和/或表面修整。

11.根据权利要求10所述的一种土遗址加固方法，其特征在于，所述养护为用塑料布覆盖夯筑砌补区域进行养护。

12.根据权利要求10所述的一种土遗址加固方法，其特征在于，所述修整包括根据建筑形状，对所述基础表面进行修整处理以使得所述基础与原建筑形状协调一致。