西北干旱、半干旱地区土遗址典型病害及其相关性研究

王常亚, 石玉成, 刘 琨,2

(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000;2. 中国地震局黄土地震工程重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

土遗址是一种建筑型文物,其蕴含了中国古代建筑的特有技术,反映了各个历史时期人类的社会活动、社会关系、意识形态及利用自然、改造自然的状况[1]。土遗址文物文化价值极高,保存至今的土遗址拥有珍贵的文化旅游资源。根据统计,国务院公布的西北地区重点土遗址文物有104处(其中陕西境内44处,新疆境内25处,甘肃境内22处,青海境内6处,宁夏境内7处),就土遗址分布而言是全国重点保护文物单位最多的区域[2]。

前人对西北地区及丝绸之路沿线土遗址进行了一系列调查研究,唐洪敏等[3]认为土遗址作为开放系统,所受破坏多是因为土体对环境变化的响应造成的[3]。王旭东等[4]通过对西夏王陵的调查研究,总结认为人为破坏对土遗址的稳定性有较大影响,易造成了土遗址的大面积倒塌[4]。张卫喜等[5]发现高昌故城西南大佛寺受裂缝、掏蚀影响有倒塌的可能,应对土遗址进行加固保护[5]。孙满利等[6]发现交河故城的变形裂缝作为墙体最主要的病害,主要有人工开挖窑洞引起的病害和地基不均匀沉降引起的变形裂缝。马长振[7]分析七个星遗址的病害,提出裂缝、掏蚀、冲沟等病害普遍存在,人为破坏与振动破坏不多,但往往破坏程度较高。崇显灿等[8]通过对河西走廊众多明长城的调查,将遗址掏蚀区空间形状简化为弓形柱体状、长方体和半弓形柱体三种主要类型。张影会[9]认为遗址表面剥离是水盐运移过程中易溶盐差异和温度梯度引起不均匀共同作用。

前人对西北地区土遗址的病害现状进行了调查研究,分析总结了西北地区土遗址的病害类型,介绍了西北地区土遗址各类病害的主要特征,并研究了其发生的机理,但是极少研究针对土遗址各类病害之间内在联系。本文通过实地考察,记录分析了西北地区土遗址的典型病害,对研究区域土遗址主要病害进行量化统计,并对病害数据进行分析。通过研究揭示各种病害之间的内在联系,给出典型病害之间的相关性系数。研究结果可为今后西北地区土遗址加固保护提供设计施工的思路,也为确定土遗址加固方法提供重要的参考作用。

本文分别对陕西、宁夏、甘肃、新疆四省土遗址进行了现场实地考察和研究分析,研究调查的土遗址一般处于室外。根据调查结果认为四省土遗址病害种类繁多,病害发育情况严重。本文对具有代表性的病害进行简单归纳总结,主要病害为掏蚀、裂缝、冲沟、倒塌、表面风化、生物破坏和人为破坏等。裂缝是调查区域土遗址极为显著的病害类型,其发育的主要类型有建筑工艺裂缝、变形裂缝、卸荷裂缝、和构造裂缝四种。(1)建筑工艺裂缝主要形成于“夯土版筑”,土遗址在建设时会因为夯筑过程的间断及分层填土形成分界面,或者分段夯筑墙体时,墙与墙连接处形成分界面或者接搓缝。随着时间发展逐渐发育成裂缝病害,此类型裂缝在三种裂缝类型中数量最多。(2)变形裂缝主要是由于应力的重分布而引起土遗址开裂变形产生的裂隙。土遗址开挖洞口处易产生变形裂缝,基础存在不均匀沉降时也会产生变形裂缝。(3)卸荷裂缝主要是由于土遗址应力重分布向临空面释放土体变形形成的裂缝,此裂缝多发于在土遗址临崖面,此类型裂缝病害数量相对较少。(4)构造裂缝主要是由于构造活动产生的裂隙,如地震作用等造成的[10]。几种类型裂缝如图1圈画处所示。

冲沟病害主要是由于雨水在土遗址表面汇集,在形成水流后沿着土遗址表面流动,流动过程中冲刷土遗址土体部分,最终由外到内逐步对土遗址造成侵蚀破坏。调查区域土遗址冲沟病害主要表现出两种类型:裂缝型冲沟和径流型冲沟。其中裂缝型冲沟是水流沿裂隙不断冲蚀、扩大为裂隙型冲沟,其表现为上宽下窄,上部侵入土遗址较深,下部侵入较浅,外观呈“V”形[11]。径流型冲沟通常是因为土遗址顶部存在低洼区域,降雨汇水以后在土遗址表面形成径流,多次冲刷以后形成径流型冲沟。裂隙型冲沟规模相较于径流型冲沟而言更大,且容易沿着裂缝发育,最终贯通土遗址。该类型病害如图2圈画处所示。

图1 裂缝病害Fig.1 Crack disease

图2 冲沟病害Fig.2 Gully disease

掏蚀病害根据其成因,主要可以分为酥碱、风力掏蚀、流水掏蚀、冻融掏蚀等。酥碱病害出现的原因主要是土遗址墙体含有多种可溶盐,可溶盐在遇水后发生溶解-结晶-溶解往复循环演化以后,土体由紧密变得不断疏松,土体结构因此遭到破坏,最终变得蓬松酥软形成酥碱掏蚀。丝绸之路沿线区域环境恶劣,大风天气较多,当大风携带着沙粒吹打土遗址时,会对土遗址不断的磨蚀和旋蚀,形成风力掏蚀病害[12]。流水掏蚀病害主要是因为当降水过程中由于雨水无法快速排掉,且因为地形因素水流汇聚,对土遗址基础部分形成侵蚀凹陷。冻融掏蚀病害主要发生在冬季,冬季降雪时会在土遗址墙体基础部分积存冰雪等,冰雪融化后浸湿墙体,墙体基础部分含水量逐渐增高,当环境温度变低以后墙体部分发生冻结,温度升高后发生融化,在冻结-融化的循环作用下土体强度变低,根部发生掏蚀[13]。该类型病害见图3圈画处。

倒塌病害是一种极为严重的土遗址病害,一旦发生就意味着土遗址的彻底破坏。目前土遗址倒塌多是因为以下几个原因:第一种是因为雨水在土遗址基础部分蓄积,基础部分土体被泡软以后失去强度,在无法支撑土遗址上部重量以后发生倒塌;第二种是因为人为破坏土遗址基础部分引起倒塌;第三种是由于裂缝、冲沟、掏蚀等病害不断积累,各种病害相互作用逐渐减弱土遗址整体的强度,最终在土遗址自身重力作用下或者地震等外力作用下发生倒塌[14]。该类型病害如图4圈画处所示。

图3 掏蚀病害Fig.3 Erosion disease

图4 倒塌病害Fig.4 Collapse disease

表面风化是土遗址普遍发育的一种病害,主要破坏外质营力为风、雨、温度及可溶性盐运移的相互作用[15]。此病害目前主要是因为降雨后土遗址表面墙体吸水饱和,呈稀泥状。降雨停止后温度急剧变化,稀泥状表皮快速失水时形成泥皮;温度缓慢变化,稀泥状表皮缓慢失水形成龟裂纹。最终表现为空鼓、片状剥离、块状脱落等。本次考察土遗址表面风化情况严重,且每处土遗址均表现出整体风化[图5(a)]。

生物病害主要是指由于生物作用对土遗址的破坏,包括动物病害和植物病害。如植物生长过程中,根系扩张破坏土遗址。此外还有虫洞与鼠洞等侵蚀土体,霉菌生长时分泌酸性物质破坏土体[图5(b)]。

人为破坏主要是指人类活动对土遗址的破坏。人类活动对土遗址的影响巨大,如修路、造田活动拆毁墙体,爆破、车辆振动等加剧裂隙发展[16-17],开挖窑洞及攀爬破坏土体稳定性等[图5(c)]。同时部分土遗址还存在破坏性修复的情况,如某些土遗址文物加固保护的时候改变了土遗址的原貌和整体结构,损害了土遗址的完整性和艺术价值。

图5 其他病害Fig.5 Other diseases

根据实地考察情况、记录手册、勘查报告,本文对掏蚀、裂缝、冲沟、倒塌等几种病害进行了定量记录,裂缝长度值采用土遗址各个面超过50 cm以上的裂缝值相加以后除以统计的面数获得;冲沟长度采用各个面冲沟长度值相加除以统计面数获得;掏蚀体积采用各个面基础部分掏蚀体积量相加获得;坍塌面积采用各个面坍塌面积相加获得。表1给出了现场调查土遗址形制信息,表2给出了裂缝长度、冲沟长度、掏蚀体积、倒塌面积等病害数据信息。对各种病害进行数据拟合后可分析病害之间的相互联系,根据相关系数可进行病害影响程度判断[18]。下文将研究各病害之间的相互关系,并进一步揭示病害发展之间的内在联系,并尝试对它们之间的内在联系进行部分理论解释。

因为统计的数据类型分别是长度、面积、体积,数据单位不一致,为了方便对比分析,将表2数据进行归一化处理后得到表3数据。分别将表3中两组数据进行拟合,可以分别得到裂缝-冲沟、裂缝-掏蚀、裂缝-倒塌、冲沟-掏蚀、冲沟-倒塌、掏蚀-倒塌线性拟合曲线(图6),根据拟合曲线可得病害相关拟合函数与相关系数系数(表4)。由图6可以发现裂缝长度、冲沟长度、掏蚀体积、倒塌面积每两组数据之间呈现正相关。根据图6与表2、3可对病害之间的相互关系做如下解释:(1)降雨时裂缝成为水流排泄通道,雨水渗入到裂缝中,使得裂缝扩展形成不同规模的冲沟。土遗址下部夯层因为雨水作用,将导致部分夯层土体强度降低,夯层逐渐脱离,脱离的土体形成基础掏蚀。裂缝的存在会降低墙体的连续性,降低了土遗址的整体稳定性,使得土遗址抵御地震等外部荷载的能力显著减弱,最终发生倒塌。根据拟合数据和现场调查,可以认为裂缝是基础病害。(2)降雨水流汇集导致土遗址表面冲沟发育,同时降雨也会导致掏蚀病害的加重,可以认为冲沟与掏蚀因为发育必备要素水而密切相关。冲沟是引发坍塌的重要因素,雨水汇集形成冲沟的过程中会破坏土遗址墙体的连续性,也会降低冲沟附近土体的力学强度,进而导致墙体在外力及重力作用下发生倒塌。(3)掏蚀病害多数发育在土遗址基础部分,随着掏蚀病害的发展,土遗址基础部分逐渐变小,一方面土遗址形状变得不规则,且重心会逐渐升高,而物体重心越低稳定性越好,重心越高稳定性越低。另一方面掏蚀病害发展会使得土遗址支撑面变小,当掏蚀超过墙体底部基础宽度的一定比例时,在重力或者地震等外力作用下极易出现应力集中造成支撑面破坏,从而发生倒塌[19]。

表1 土遗址数据

表2 土遗址病害数据

表3 土遗址病害归一化数据

图6 土遗址病害相关性Fig.6 Disease correlation of earthen sites

表4 土遗址病害相关性数据

通过对裂缝、冲沟、掏蚀、倒塌等4种病害数据进行线性拟合,从数据角度证明典型病害之间存在不同程度的相互联系。其中裂缝-冲沟、冲沟-掏蚀、冲沟-倒塌、掏蚀-倒塌病害之间的校正判定系数均大于0.5,据此可得到4种典型病害的演化规律如图7所示,倒塌可以视为是裂隙、冲沟、掏蚀等3种典型病害发育和演变的结果,冲沟和掏蚀都是在水作用下对土遗址造成的破坏,因此冲沟病害和掏蚀病害直接相关系数为0.72,冲沟、掏蚀病害和倒塌病害的拟合相关系数分别为0.71和0.80,故而可以认为冲沟和掏蚀是土遗址倒塌最为重要的影响因素。

图7 土遗址典型病害相互关系示意图Fig.7 Relationship between typical diseases of earthen sites

西北干旱、半干旱地区土遗址病害种类繁多,病害严重,本文通过现场调查和典型病害量化拟合分析,得出如下结论:

(1) 自然因素引起的土遗址病害最为普遍,其中片状剥离、裂缝、掏蚀、冲沟、倒塌是最为典型的病害类型。裂缝、掏蚀、冲沟、倒塌等病害有内在的联系,其中裂缝是一种基础病害,裂缝、冲沟、掏蚀病害在自然条件作用下发育演变,最终发生倒塌,因此认为倒塌是多因素控制的最严重病害类型。

(2) 裂缝的发育发展会导致掏蚀、冲沟、倒塌等病害出现或加重,冲沟和掏蚀病害的发育程度直接影响着土遗址倒塌程度,若不对土遗址病害进行综合治理,土遗址最终会在各种病害的相互作用下倒塌并消失。

(3) 对土遗址加固保护时需要考虑多种病害,进行多病害综合治理的方法,控制裂缝向冲沟、掏蚀病害发育的速度,做到最大程度地延缓土遗址破坏。

通过现场调查和数据分析,可以发现土遗址病害直接存在相互联系,为以后土遗址的保护方案设计提供参考。但本次研究尚存在一些不足之处,如进行病害统计时,由于量化尚无标准,量化时会因为统计方法较为粗糙而出现误差。同时土遗址作为一种开放性文物,多种病害相互影响着土遗址的稳定性,因此进行单因素相关性分析时相关性系数较低。后续应尝试将病害量化标准化,同时综合考虑多因素作用下病害之间的相互联系。

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