荆州市熊家冢遗址土化学加固和墓坑边坡稳定性研究

荆州市熊家冢遗址土化学加固和墓坑边坡稳定性研究

土遗址是古人类生活、生产、文化和宗教等活动场所,承载着中华民族的文明历史,反映一定历史时期人类的生产活动、社会活动、社会关系和经济文化水平,是我们今天研究古文化的实物资料。土遗址在当时都是经过严格选址和特殊处理的,由于时间久远,长期受自然和环境因素影响,各种环境地质病害滋生,人类工程活动进一步加大了遗址的破坏,甚至濒危。

土遗址赋存于一定的地质环境,各种病害受遗址所处的工程地质、水文地质及环境诸因素影响而产生,遗址原址保护要结合这些因素展开。目前不少科研单位在西北干旱地区开展土遗址原址保护并取得许多成功的实践经验,潮湿多雨的气候条件使得南方土遗址的环境地质病害不同于北方,相应的病害产生机理和治理措施也不同,目前这方面的研究成果较少。

熊家冢土遗址地处潮湿多雨的湖北省荆州市,该遗址由主冢、陪冢、车马坑、殉葬墓、祭祀坑等组成,占地面积为11万平方米,这是目前所见规模最大、陵园分布最完整的楚国高等级贵族墓地,其原址保护意义重大。经历数次盗墓破坏和生产建设的影响,熊家冢遗址的保存环境遭到严重破坏,国家文物局于2005年11月正式批准对该遗址车马坑和部分殉葬墓进行抢救性考古发掘。

发掘过程中发现熊家冢遗址区主要环境地质病害有：水害问题、墓坑边坡表层剥落和掉块现象。本文采用工程地质手段现场调查熊家冢遗址区的工程地质、水文地质条件,室内试验研究遗址土体工程性质,在此基础上分析导致病害产生的因素是：遗址土为中膨胀土、潮湿多雨的气候条件和人类工程活动的破坏作用。

论文重点研究遗址区膨胀土的强度影响因素、降雨作用下遗址区的渗流场和墓坑边坡稳定性、遗址区土体化学加固后的物理力学性质,综合试验结果和模拟

计算提出遗址原址保护的治理措施。具体的研究内容和取得的成果如下：1、调查遗址区的地理位置、自然环境、地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件,建立了遗址区的水文地质模型,归纳出遗址区的主要环境地质病害。

2、研究遗址土的物质组成、结构特征、物理性质、剪切性、压缩性、透水性、胀缩性,并综合试验结果对土体进行膨胀土的判别分类,结果表明第1层为弱膨胀土,第2层为中膨胀土,第3层为中膨胀土,并且土体的胀缩性随埋深增加而增强。

3、墓坑边坡以中膨胀土为主,膨胀土在大气作用下湿胀干缩裂缝发育并发展,裂缝一方面消弱边坡土体结构,另一方面提供渗水通道,水使土体软化,强度降低,威胁边坡的稳定性。

通过室内试验研究影响膨胀土抗剪强度的因素。采用直剪试验研究膨胀土强度随含水率的变化规律,试验结果表明重塑土样的抗剪强度参数随含水率的升高而呈指数降低,并且含水率对粘聚力的影响大于对内摩擦角的影响。

采用直剪试验研究膨胀土强度随干湿循环的变化规律,试验结果表明重塑土样的抗剪强度参数随着干湿循环次数的增加而减小,在经历第1次干湿循环后土体的强度参数就明显降低,经历4次干湿循环后强度参数基本趋于稳定,并且粘聚力受干湿循环影响的程度较摩擦角大,土体的胀缩性越强受干湿循环影响的程度越大。采用压力板仪研究遗址区膨胀土的土水特性,然后借用Matlab程序对试验结果进行拟合,得到Van Genuchten模型参数。

对比不同土层的VG模型参数发现埋深增加,进气值逐渐增加,残余含水量也逐渐增加,土水特征曲线斜率逐渐减小,表明遗址土的持水能力是逐渐增强的。第三章的试验结果是上体埋深增加,土样的粘粒含量逐渐增大,塑性指数也呈增长趋势,膨胀潜势也逐渐增强、干密度、饱和含水率也都逐渐增大,对应上体的持水

能力也逐渐增强。

压力板仪和VG模型研究的上水特性试验结果与第三章的土性试验结果具有一致性。采用非饱和上直剪仪研究膨胀土的非饱和抗剪强度,设定轴向压力为

100kPa,研究不同基质吸力下的非饱和强度,试验结果是抗剪强度随基质吸力的

增加而增大,并且土体达到峰值抗剪强度对应的位移也随基质吸力的增加而增大。

这表明基质吸力增加,土体抵抗破坏的能力会提高,对应的塑性变形也增大。将非饱和直剪的试验结果代入到Fredlund抗剪强度公式,假定摩擦角φ’不受基质吸力影响,计算结果是摩擦角φb随着基质吸力的增加而减小。

具体体现是基质吸力由50kPa增长到150kPa,摩擦角φb迅速减小,基质吸力大于200kPa后摩擦角φb缓慢减小。4、采用第三章和第四章试验得到渗水性参数和强度参数,借助数值模拟计算遗址区地下水渗流场和主冢墓坑边坡的稳定性。

计算主冢墓坑边坡在降雨入渗作用下的渗流场,结果显示降雨作用首先使边坡表层土体含水率升高、基质吸力降低,随着降雨持时的增加,近地表土体含水率趋于饱和,形成暂态饱和区并且范围逐渐向下扩大。在降雨作用下边坡坡脚首先达到饱和,并且降雨强度越大坡脚处达到饱和的时间越短。

结合渗流场计算了景观湖、大气降水和承压水对主冢墓坑边坡的补给量,计算结果表明补给量由大到小分别是大气降水、承压水,景观湖。水害治理首要消除大气入渗补给,文中提出采用防渗铺盖+排水沟来排除大气降水的影响；承压水对主冢边坡的越流补给量不大,在墓坑坑底采用排水沟暗沟疏导一定范围的地下水,使主冢墓坑不受承压水越流的影响。

主冢墓坑边坡稳定性计算：①考虑降雨作用下的边坡稳定性计算,计算结果表明墓坑边坡的稳定性系数随着降雨强度和持时的增加而减小,并且雨强越大,

稳定性系数降低幅度越大。②采用气候作用层分带法计算边坡的稳定性很低,安全系数仅为0.939,并且最危险滑面较浅,从坡脚处开始破坏。

5、膨胀土边坡容易受大气影响,强度降低,威胁边坡稳定性,建议采用对遗址扰动较小的化学加固法,在遗址土表层喷洒化学加固剂,防止雨水渗入和土体开裂,消除大气对膨胀土的影响,提高表层土体的水稳定性和强度,达到边坡稳定的目的,并开展室内试验研究遗址区土体化学加固。现场试验筛选泥土稳定剂作为遗址土加固材料,室内试验对比加固前后土体的胀缩性、强度和水稳定性,试验结果表明加固后土体基本无胀缩性、水稳定性好、强度还有一定增强。

研究土体初始含水率对泥土稳定剂渗透深度的影响,根据土体天然含水率的最小值、进气值对应的含水率、塑限,配置了三种含水率的重塑土样,采用浸泡加固,试验结束测定渗透深度、渗透量和强度,试验结果土体含水率在17.50%左右时,加固剂渗透深度和渗透量最大。研究遗址土加固前后的结构特征变化,对比土样加固前后的扫描电镜图像,发现土体由疏松的絮凝结构变成相对致密的层流结构,土体的片状颗粒由面—边接触为主,变成面—面接触为主,所以加固土的水稳定性和力学强度较加固前好。

6、熊家冢遗址区的主要环境地质病害治理措施为：1)排和堵相结合治理遗址区水害；2)喷洒化学加固剂和埋设土钉提高主冢墓坑边坡稳定性。综合现场调查、室内试验、数值计算可以得出熊家冢遗址区环境地质病害产生的主要内因是：遗址区以中膨胀土为主,主要外因是：潮湿多雨的气候条件和人类的工程活动破坏了遗址原有的封闭环境,使膨胀土暴露在潮湿多雨的气候条件下,导致病害产生。

论文最后结合病害特点和产生的机理,以及文物保护的基本原则,提出了可