CN111811969B - 一种测试填埋土遗址冲沟加固材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟雨水冲发土遗址形成冲沟的试验装置及测试填埋冲沟的方法，模拟土遗址冲沟是建在板筑夯试验墙上；试验装置包括水箱，水箱内设置有水位开关，水位开关能有效控制注水泵，保证水箱水位在可控范围；水箱与流量泵连通；流量泵由微电脑控制仪控制，使出水流量可控；出水嘴与流量泵连通，出水嘴依据出水量有不同型号匹配；出水嘴设有坡度调节支架，可以调节不同的流水坡角；测试方法通过三维激光扫描技术获取加固后冲沟的原始状态。本发明还提供了填埋土遗址冲沟的复合改性土，被修复夯筑冲沟抗风蚀、抗雨蚀能力得到增强，夯筑土体的强度提高15%，且具有很好的透气渗水能力，对修复古代土遗址冲沟有普遍的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及土遗址试验研究保护技术领域，是一种模拟雨水冲发土遗址形成冲沟的试验装置及测试填埋冲沟的方法。
背景技术
我国的土遗址历史过程包含着从石器时期绵延至近代，是祖国珍贵的文化遗产，是人类文物资源重要的组成部分。截止第六批全国重点文物保护单位普查，现已公布的国家重点文物保护单位的土遗址共计约为400个，分布于全国30个省（直辖市、自治区）。
长期以来，古代土遗址受雨水冲蚀和汇集雨流的冲刷作用，遗址本体形成许多大小纵横不同的冲沟，这些冲沟直接影响土遗址本体的稳定，甚至大的冲沟引起区域性土遗址的崩塌。为了挽救我国现存的土遗址，人为模拟建造板筑夯土墙，通过喷淋流水的冲刷，研制一种填埋材料，用以填埋模拟土遗址冲沟，准确掌握遗址本体在流水冲刷下的破坏机理，确立加固遗址冲沟的理想材料，用于保护现存古遗址有着普遍的指导意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的技术方案在于提供一种模拟雨水冲发土遗址形成冲沟的试验装置；另一目的在于提供测试填埋冲沟的方法，以此，达到修复、保护现存土遗址的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种模拟雨水冲发土遗址形成冲沟的试验装置，包括：进水管、注水泵、三通管、注水管、水位开关、水箱、排气管、微电脑控制仪、电源开关、多孔减压板、出水嘴、进水管、放水阀、流量泵、坡度调节支架。外部水源与进水管连接，进水管通过注水泵、三通管和注水管进入水箱，水箱内设有水位开关，顶部有排气管，底部设有放水阀，与三通管相接的进水管与放水阀，并通过流量泵、多孔减压板和出水嘴连接；出水嘴架设在坡度调节支架上；微电脑控制仪、电源开关通过导线与流量泵连接。
一种测试填埋土遗址冲沟的方法，包括以下步骤：
步骤一、 模拟土遗址，建造试验墙体
选取土样，试验土源选择在遗址南1公里处的台地，取地表0.6米下的土样，测其易溶盐总量为0.14%，土样颗粒粒径为0.01-10mm；通过击实试验土样最大干密度1.71g/cm3，最优含水率为19.5%；
以板筑分层夯实的工艺制备试验墙体，每层填土13cm～18cm ，用夯锤夯实；
步骤二、人工在试验墙体掏挖冲沟，冲沟高0.8米，宽0.25米，深0.2米，模拟好冲沟的试验墙体露天放置30天后进行加固试验；
步骤三、取步骤一的土样，碾散过100目筛拌匀，按最优含水率加入所需的水量，拌匀后闷放24小时；土料加入烧料礓石改性土，再加入胶凝材料粉末，土料、烧料礓石改性土与胶凝材料粉末的质量比为25：1：1，再掺和麻筋，麻筋为拍打成的绒，将土料、麻筋、无机胶凝材料粉末与烧料礓石改性土以0.20～0.30水灰比搅拌15分钟，拌和湿润，掺和搅拌、揉搓为复合改性土，将拌匀复合改性土润湿，覆盖塑料布，闷一昼夜，复合改性土呈黄褐色；
步骤四、在步骤二冲沟内加筋，用步骤三闷制好的复合改性土，以板筑分层将复合改性土填埋冲沟进行加固，夯实，待加试验墙体与冲沟土体粘结覆膜养护28天，卸板；
步骤五、使用模拟冲沟试验装置，将出水嘴安放在加固冲沟顶面，利用坡度调节支架调整出水嘴流水角度，通过流量泵和多孔减压板设定出水流量及出水模式；
步骤六、利用三维激光扫描加固后冲沟的状态；
步骤七、 用三维扫描对四种材料各时间段结束后的冲刷量进行测试；获取时间与冲刷量关系曲线；
步骤八、通过冲刷冲沟四种状态的对比计算冲刷量，综合数次测量数据绘制冲刷量随时间变化关系曲线。
本发明的优点和有益效果体现在以下方面：
（1）在配置土料中掺入一定量的烧料礓石和胶凝材料，这种复合改性土具有很好的透气渗水能力，再掺和麻筋，麻筋与带翅的钢条绞和一起。经试验，夯筑冲沟土体的填埋块体强度提高37%，最大干密度变化不大，透气和渗透能力基本无变化；其比重基本无变化，28天后改性土的收缩率仅是原状土的32%，修复夯筑填埋块体的渗透深度基本和原遗址墙体一致。填埋块体与原遗址土（或近似原遗址土）的相比，被修复夯筑砌补块体抗风蚀、抗雨蚀能力得到增强，尤其单因素的抗雨水冲涮能力明显提高，达到夯筑砌补区域具有较强耐候性的目的，完全满足加固的力学需求和外观兼容需求。与被修复加固文物本体很好兼容，填埋块体与原遗址土牢固结合而不会产生剥离。
（2）本发明应用瓜州破城子遗址填补冲沟实践，在水流量最大为3500mL/min冲刷冲沟，填埋冲沟的块体收缩率小，测试的效果良好，本次试验结果对遗址加固工程具有普遍的指导意义，
（3）该复合改性土的夯筑加固方法符合文物保护修复传统工艺的基本要求。且区域观感无视觉差别，为修复古代土建筑遗址大面积冲沟提供技术支撑。
（4）控制界面采用触摸屏设置，快速准确。注水泵智能操作，水箱水位稳定。流量泵采用进口步进系统，可靠性好，动力强大，不易失误，解决了试验中途停机的难题。
（5）注水管与水箱相连，出水管与流量泵、出水嘴相连，流量泵由微电脑控制仪控制，出水嘴依据出水量在0～3500 mL/min之间可调冲刷沟槽。
附图说明
图1是本发明装置系统示意图；
图2是本发明的测试系统示意图；
图3为本发明冲刷量随时间变化关系曲线；
图4是本发明G–C四种材料在试验中冲刷量随时间变化关系曲线；
图5是本发明G–C四种试验冲沟掏蚀特征图；其中：图5a为G–C1试验冲沟掏蚀特征图；图5b为G–C2试验冲沟掏蚀特征图；图5c为G–C3试验冲沟掏蚀特征图；图5d为G–C4试验冲沟掏蚀特征图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明再做进一步说明。
如图1所示，一种模拟雨水冲发土遗址形成冲沟的试验装置，包括：进水管1、注水泵2、三通管3、注水管4、水位开关5、水箱6、排气管7、微电脑控制仪8、电源开关9、多孔减压板10、出水嘴11、进水管12、放水阀13、流量泵14、坡度调节支架15。外部水源与进水管1连接，进水管1通过注水泵2、三通管3和注水管4进入水箱6。水箱6内设有水位开关5，水位开关5能有效控制注水泵2，保证水箱6内的水位在可控范围；水箱6顶部有排气管7，底部设有放水阀13，与三通管3相接的进水管1与放水阀13，并通过流量泵14和多孔减压板10、出水嘴11连接；出水嘴11架在坡度调节支架15上，坡度调节支架15其下端设置有圆撑，圆撑上有竖杆，竖杆上有可调节螺钉。坡度调节支架15可调出水嘴流水坡角为0°～90°。出水嘴11依据多孔减压板10和流量泵14控制出水流量匹配不同型号的放水阀13，微电脑控制仪8、电源开关9通过导线与流量泵14连接，流量泵14由微电脑控制仪8控制，出水量0～3500 mL/min之间可调，能长时间工作，可连续、定时、定量出水三种工作模式可调。
模拟填埋土遗址冲沟的试验：
本发明试验在瓜州破城子遗址保护维修工程中实施，试验场地选择在瓜州破城子遗址保护维修工程附近进行。瓜州破城子遗址墙体存在大量冲沟，为了确定遗址冲沟加固的适宜工艺及理想材料，本发明选用了烧料礓石、胶凝材料和土料（本土）以夯筑工艺加固冲沟的现场模拟G–C试验，加固工艺及环境温度方面尽量做到与遗址环境接近，试验还拓展了以砌补土坯工艺加固冲沟的现场模拟试验，并进行对比试验。具体步骤如下：
（1）试验土料选择在遗址南1公里处的台地，取地表0.6米的土样测其易溶盐总量为0.14%，土料颗粒含量与遗址基本接近，含SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、MnO、TiO2、P2O5，其粒径为0.01-10mm；按照试验要求，通过击实试验测得土料最大干密度为1.71g/cm3，最优含水率为19.5%。
土料加入烧料礓石，料礓石的主要矿物成分为70%的CaCO3和30%的黏土矿物。烧料礓石的主要成分为CaO、β-CaSiO3和Ca2Al2SiO7。
烧料礓石的制备方法为：
①将料礓石在粉碎机中破碎成碎粒料礓石。
②将碎粒料礓石在焙烧炉中1000℃焙烧3小时后自然冷却。
③将焙烧后的料礓石碎粒在球磨机中研磨，过180目筛后备用，为烧料礓石改性土。
胶凝材料的制备方法是：
①将含99.9%CaCO3石灰石、含~53.90%SiO2、~13.48% Al2O3、~8.40%Fe2O3红粘土和含～48.61%SiO2、~36.28% Al2O3、~3.94%Fe2O3粉煤灰按质量百分比60%、30%和10%混合；
②将①步骤所得混合物在1000℃的焙烧炉中焙烧2～3小时，生成含～66%生石灰（CaO）、～22.3%β-硅酸钙（β-CaSiO3）和～10.2%铝硅酸钙（Ca2Al2Si2O7）的胶凝材料，后自然冷却；
③将②步骤焙烧后的物质2CaO·SiO2(C2S) +2CaO·Al2O3·SiO2(C2AS) +CaO+CO2在球磨机中研磨，过100目筛后得无机胶凝材料粉末，烧料礓石改性土再加入胶凝材料粉末，土料、烧料礓石改性土与胶凝材料粉末质量比为25：1：1，得复合改性土。在复合改性土中再掺和麻筋（试复合改性土适量放入），麻筋经拍打为松软的绒。将土料、麻筋、无机胶凝材料粉末与烧料礓石改性土以0.20～0.30水灰比搅拌15分钟，拌和湿润，掺和搅拌、揉搓2-3遍为复合改性土，将拌匀复合改性土润湿，覆盖塑料布，闷一昼夜，复合改性土呈黄褐色；
（2）试验场地在破城子遗址南偏东100米一废弃的小学操场内，场地在环境与地理等因素与遗址一致。
（3）使用步骤（1）挖掘的土料，板筑形式夯筑长4米，高0.8米，宽1米的试验墙体17，每层夯土厚度为13cm～18cm之间用锤夯筑。
（4）加固前，在试验墙体17上，人工掏挖4条冲沟18，冲沟高0.8米，宽0.25米，深0.2米，挖好冲沟的试验墙露天放置30天后，利用冲沟试验装置进行冲沟模拟试验。
（5）对模拟后的4条冲沟编号G–C1—G–C4，并采用不同的工艺和加固材料及夯筑加固时的密度、含水率，其测试结果见表1，
表1冲沟加固工艺及材料
掏挖冲沟高度每间隔0.27米进行加筋连接，筋为带翅的钢条。然后，土料、麻筋与烧料礓石和胶凝材料掺和搅拌的黄褐色改性土填注入冲沟，每层为8cm～10cm，并用夯锤板筑于冲沟18间；
（6）采用冲沟试验装置分别对不同工艺和材料加固后的冲沟进行冲刷性试验，
①将外部水源与进水管1连接，打开电源开关9，注水泵2将水经三通管3和注水管4抽入水箱6。当水箱水位达到设定液面值，水位开关5自动关闭注水泵2。
②通过控制仪8设定出水模式及出水流量。
③将支架15安放在试验墙面，调节好出水嘴11角度，最后点击控制仪8开始键，流量泵14自动打开，试验开始。将出水嘴11安放在加固冲沟顶面，出水嘴出水流量3500mL/min，出水坡角30°，冲刷时间设置为2分钟、4分钟、6分钟、8分钟和10分钟，
④当设定试验时间及出水流量结束，控制仪8自动关闭流量泵14，最后移去试验装置，打开放水阀13，将水箱6内余水放完，试验结束。
（7）用三维扫描16对各时间段结束后的冲刷量进行测试；（如果设置多个时间段，在流量泵间断停止后分别进行测量）获取时间与冲刷量关系曲。
（8）根据表2试验结果绘制冲刷量随时间变化关系曲线（见图3-4）。
表2冲刷试验三维扫描测试结果
从图3可以看出：出水嘴出水流量为3500mL/min，G–C2黄褐色改性土冲刷量在0-6秒逐渐增大，6秒以后，冲刷量逐渐趋于平稳；图4为G–C1- G–C4四种试验中冲刷量随时间变化关系曲线，以图4中曲线相比较， G–C2和 G–C3显示加固后冲沟耐冲刷量小，基本接近横轴，缘于材料的配比和加固工艺，G–C1和G–C4，以土料、土坯分别砌补冲沟后，冲沟耐冲刷性较差。这些试验结果对古代土遗址加固工程具有借鉴和指导意义。
Claims (1)
1.一种测试填埋土遗址冲沟加固材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、
模拟土遗址，建造试验墙体
选取土料，试验土源选择在遗址南1公里处的台地，取地表0.6米-0.8米的土样，测其易溶盐总量为0.14%，土样颗粒粒径为0 .01-10mm；通过击实试验土样测得最大干密度为1.71g/cm3， 最优含水率为19.5%；
以板筑分层夯实的工艺制备试验墙体（17），每层填土13cm～18cm，用夯锤夯实；
步骤二、人工在试验墙体（17）掏挖冲沟（18），冲沟高0.8米，宽0.25米，深0.2米，挖好冲沟的试验墙露天放置30天后进行加固试验；
步骤三、取步骤一的挖掘的土料，碾散过100目筛拌匀，按最优含水率加入所需的水量，拌匀后闷放24小时；土料加入烧料礓石改性土，再加入胶凝材料粉末，土料、烧料礓石与胶凝材料的质量比为25：1：1，再掺和麻筋，麻筋为拍打成的绒，将土料、麻筋、无机胶凝材料粉末与烧料礓石改性土以0.20～0.30水灰比搅拌15分钟，拌和湿润，掺和搅拌、揉搓为复合改性土，将拌匀复合改性土润湿，覆盖塑料布，闷一昼夜，复合改性土呈黄褐色；
步骤四、在步骤二冲沟（18）内加筋，筋为带翅的钢条，用步骤三闷制好的复合改性土，以板筑分层将复合改性土填埋冲沟（18）进行加固，夯实，待试验墙体（17）与冲沟土体粘结覆膜养护28天，卸板；
步骤五、使用模拟冲沟试验装置，将出水嘴（11）安放在加固冲沟（18）顶面，利用坡度调节支架（15）调整出水嘴流水角度，通过流量泵（14）和多孔减压板（10）设定出水流量及出水模式；
步骤六、利用三维激光扫描仪（16）扫描加固后的流水冲沟的状态；
步骤七、用三维扫描对土料，烧料礓石:胶凝材料:土料=1:1:25，烧料礓石:胶凝材料:土料=1:1:20，土料土坯、土料泥浆四种材料各时间段结束后的冲刷量进行测试；获取时间与冲刷量关系曲线；
步骤八、将土料夯筑加固，在烧料礓石:胶凝材料:土料=1:1:25的复合改性土中掺和麻筋作为加固材料进行夯筑加固，在烧料礓石:胶凝材料:土料=1:1:20的复合改性土中掺和麻筋作为加固材料进行夯筑加固，以及土料土坯与土料泥浆进行砌补加固四种加固工艺的冲刷冲沟进行对比，计算冲刷量，综合数次测量数据绘制冲刷量随时间变化关系曲线。
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