西夏陵夯補(bǔ)支頂加固工藝質(zhì)量控制研究

張博 王旭東 郭青林 裴強(qiáng)強(qiáng) 楊善龍 李鳳潔

內(nèi)容摘要：土坯砌補(bǔ)與夯補(bǔ)支頂是西北干旱環(huán)境下加固土遺址懸空區(qū)常用的兩種技術(shù)措施，對(duì)于夯筑類土遺址而言，夯補(bǔ)相較于砌補(bǔ)有明顯的優(yōu)勢(shì)，既能保持遺址本體的原有工藝，避免土坯砌補(bǔ)表面處理層脫落露出砌補(bǔ)層影響觀感，同時(shí)夯補(bǔ)體本身具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗風(fēng)蝕、雨蝕能力。但是不同遺址夯土的建筑工藝、土的物理力學(xué)性質(zhì)不同，施工過程中夯補(bǔ)質(zhì)量無法準(zhǔn)確控制。本文針對(duì)西夏陵遺址本體根部夯筑砌補(bǔ)，采用與原遺址相近的當(dāng)?shù)赝?，以固定質(zhì)量夯錘為夯筑工具、并以傳統(tǒng)人工夯實(shí)方法進(jìn)行夯筑，分析研究夯土密度隨鋪土厚度和夯筑次數(shù)的變化規(guī)律，探索最佳鋪土厚度和夯筑次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)使用2kg夯錘進(jìn)行夯筑時(shí)，鋪土厚度為12cm，垂直夯筑4次，即可得到密度較大且密度均勻的最佳夯筑效果。

關(guān)鍵詞：土遺址；夯筑；干密度；密度差

中圖分類號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2016）05-0135-07

Abstract： There are two construction techniques frequently used in reinforcing unsupported regions of earthen structures in arid areas of northwest China： using adobe brick as a masonry complement， and filling the unsupported wall with rammed earth. For archaeological sites made of rammed earth， using soil to fill the top of a structure is better than using adobe brick because this technique is adopted from the original technology of the region and does not affect the physical appearance of the building. In addition， the rammed earth itself has strong stability and resistance to erosion caused by wind and rain. However， the quality of rammed earth cannot be controlled in the construction process precisely due to the different building techniques of the sites and the different physical and mechanical properties of the soil. Focusing on the reinforcement of the foot of a wall of a Western Xia imperial tomb with rammed earth， this study utilizes local soil with the same properties of that used at the time， a pounding tool of fixed mass， and the traditional process of ramming the earth， followed by an analysis of the relationship between the density of the rammed earth and the soil thickness and strike count during pounding to determine the best soil thickness and strike count. The tests indicate that when a pounding tool of two kilos is used， optimal ramming effect can be obtained if the soil is paved twelve centimeters thick and rammed vertically four times.

Keywords： earthen site； ramming； dry density； density difference

1 引 言

夯土技術(shù)最早主要起源于中國和地中海兩個(gè)地區(qū)，隨后被廣泛傳播到世界各地[1]。作為夯土技術(shù)發(fā)源地，中國擁有大量的夯土遺址，這些遺址是我國悠久歷史、燦爛文化的載體，是一類很重要的文物資源[2]。由于西北地區(qū)干旱的自然環(huán)境，大量的土遺址得以在西北保存下來[3]，例如新疆的交河故城、高昌故城，甘肅鎖陽城、玉門關(guān)和河倉城，寧夏西夏王陵等。但受自然因素和人為因素的影響，這些珍貴的文化遺產(chǎn)保存現(xiàn)狀并不樂觀，大批土建筑遺址都已遭到不同程度的破壞[4]。土遺址的病害按照表現(xiàn)形式分為片狀剝離、掏蝕、裂隙縫、沖溝及生物破壞[5]，尤其根部掏蝕會(huì)引起大面積坍塌，對(duì)遺址的破壞極大，一旦發(fā)生就可能使遺址本體面臨毀滅性的破壞。針對(duì)此類病害，過去已經(jīng)開展了多方面此類病害防治方法的研究，夯筑支頂或者土坯砌補(bǔ)輔以錨固灌漿等加固措施已經(jīng)成為常用的綜合治理措施。這些方法的采用有效地防治了遺址本體的進(jìn)一步坍塌和破壞。在支頂加固中，夯補(bǔ)和土坯砌補(bǔ)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。首先土坯砌補(bǔ)可以極大地縮短施工周期，其次當(dāng)墻基掏蝕凹進(jìn)很深或者夯筑振動(dòng)危及遺址本體穩(wěn)定性時(shí)，土坯砌補(bǔ)是一種很好的加固方式。但缺點(diǎn)也較為明顯，為了保持砌補(bǔ)區(qū)域與原遺址外觀的統(tǒng)一性，砌補(bǔ)區(qū)域表面往往需要進(jìn)行處理，一方面對(duì)于土遺址的支頂加固不符合原工藝的加固原則，另外，幾年后風(fēng)化很容易造成表面處理層脫落，使土坯層裸露出來，影響遺址加固的外觀。夯補(bǔ)不僅保持了遺址原有的工藝，而且具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗風(fēng)蝕雨蝕能力，但施工工藝較為復(fù)雜。綜合比較而言，當(dāng)有效控制夯補(bǔ)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)遺址本體的影響時(shí)，夯補(bǔ)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)的人工夯筑受人為影響比較大，如何更好地控制其夯筑支頂區(qū)域的密度，夯層厚度成為遺址本體夯筑支頂工藝的關(guān)鍵。在長(zhǎng)期工程實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)，不同遺址夯土的建筑工藝，土的物理力學(xué)性質(zhì)不同，其遺址本體的耐風(fēng)蝕雨蝕的能力各不相同。在西夏王陵遺址中，遺址不同部位夯土層的干密度、孔隙度差較大[6]，同一夯土層，其上部干密度明顯大于下部干密度，這種密度差在4%—15%之間。

本文針對(duì)西夏陵遺址本體根部夯筑支頂，選用與原遺址相近的當(dāng)?shù)赝?，以固定質(zhì)量夯錘為夯筑工具，采用人工夯實(shí)方法，分析研究夯土密度隨鋪土厚度和夯筑次數(shù)的變化規(guī)律，探索最佳鋪土厚度和夯筑次數(shù)。通過試驗(yàn)為夯補(bǔ)工藝凝練不同夯層類型的夯筑方法，為西夏王陵的夯筑支頂加固提供可靠的技術(shù)參數(shù)。

2 試驗(yàn)方法

土遺址的加固材料一般選用與遺址本體相同或相近的土作為原材料，缺損、掏蝕部位的加固方式主要有夯土和砌補(bǔ)土坯土塊、及垛泥塊等[1]。不同地區(qū)的土遺址有不同的建造工藝及病害特征，加固方式有所不同。西夏陵遺址本體主要用沙礫土夯筑，礫粒含量約20%，夯層厚度為7—11cm。土的顆粒組成見表1。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

（1）土遺址加固專用工具

土遺址加固專用工具是敦煌研究院開發(fā)的一種專用工具，是由木質(zhì)手柄和鋼制杵頭組裝而成的，杵頭有崗山頭、大扁頭、圓錐頭、盤頭以及平頂頭，本次實(shí)驗(yàn)均采用木質(zhì)手柄崗山頭（圖1），崗山頭直徑6cm，夯錘總質(zhì)量約2kg，該工具人工操作方便，適用于小范圍垂直夯筑，能夠確保夯筑質(zhì)量。

（2）電子天平

電子天平量程2000g，精度0.01g。

（3）夯筑材料

西夏王陵是采用粉質(zhì)沙土并加有一定量的礫石夯筑而成的。本次實(shí)驗(yàn)材料采用含鹽量小于0.5%的當(dāng)?shù)赝?，并依?jù)遺址本體的顆粒組成按比例添加一定量的礫粒，得到試驗(yàn)用夯筑土，其顆粒組成見表2。

2.2 夯筑試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)得夯筑土的最優(yōu)含水率為14%，將夯筑土含水率控制為14%，封閉蒙置24小時(shí)。清理遺址本體根部的虛積土至原基礎(chǔ)層，在遺址試驗(yàn)區(qū)域噴灑水使表面濕潤(rùn)，夯土至地面以上放置模板開始試驗(yàn)（圖2）。試驗(yàn)分為4組，鋪土厚度分別為8cm、12cm、16cm、20cm，每組分為6個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域大小0.5m×0.5m，分別進(jìn)行1次、2次、3次、4次、5次、6次夯筑。夯筑使用同樣規(guī)格的夯錘，施力距離約25cm，夯筑結(jié)束后拆除模板，測(cè)量夯層厚度，取塊狀樣測(cè)密度以及含水率。

夯土中含有大量礫石，如果用環(huán)刀測(cè)密度不僅操作不方便，還會(huì)有比較大的誤差，環(huán)刀邊緣如果切掉礫石會(huì)使測(cè)得的密度偏?。画h(huán)刀內(nèi)所切試樣內(nèi)如果含有較大礫石會(huì)使測(cè)得密度大于實(shí)際值。故本次試驗(yàn)采用電子天平浮稱法[7]進(jìn)行密度測(cè)量（圖3）。為了消除礫石造成的試驗(yàn)誤差，塊狀樣質(zhì)量取200g左右，每個(gè)區(qū)域進(jìn)行兩次平行測(cè)定，取兩次測(cè)值的平均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 夯層厚度

通過對(duì)不同鋪土厚度夯筑不同次數(shù)后的夯層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到表3。

將夯土厚度與鋪土厚度相比得到夯土壓縮率（圖4），夯土壓縮率數(shù)值越小，則夯土的壓縮率越大。從圖4可以看出，在4組試驗(yàn)中，前兩遍夯筑鋪土壓縮率較大，鋪土內(nèi)孔隙大幅壓縮，隨后的夯筑壓縮速率減小；在相同夯筑次數(shù)下，鋪土厚度越厚，壓縮幅度越小，鋪土厚度越薄，壓縮幅度越大。夯筑第4遍時(shí)，鋪土厚度8cm已達(dá)到最大壓縮率。夯筑到第5遍時(shí)，鋪土厚度12cm已達(dá)到最大壓縮率，鋪土16cm和20cm。在夯筑4次以后，夯土壓縮率依舊在增大，但增大幅度明顯變緩。

3.2 夯窩深度

在夯筑過程中，除了夯土厚度有明顯變化以外，夯層表面的夯窩每次夯筑后都有不同的特征，圖5顯示了不同鋪土厚度和不同夯筑次數(shù)下的夯層表面的變化。

第1次夯筑結(jié)束后，表面鋪土依舊很松散，看不到夯窩，說明鋪土孔隙率很大。第2次夯筑結(jié)束后，鋪土8cm和12cm可以看到夯窩，但不明顯。鋪土16cm和20cm仍然看不到夯窩。根據(jù)壓縮率可以知道前兩次夯筑使得孔隙大幅度壓縮，鋪土薄的壓縮速率明顯大于鋪土厚的。第3、4、5次夯筑夯土壓縮率呈線性緩慢增長(zhǎng)，使得第3、4次夯筑表面夯窩輪廓清晰。在第5次夯筑結(jié)束后，不同鋪土厚度的夯窩表面區(qū)別不大，但夯窩已經(jīng)很淺；至第6次時(shí)，夯層表面已十分平整。夯層表面過于平整會(huì)使夯層間黏結(jié)力變差。第4次夯筑表面夯窩與遺址本體夯窩最為接近。

3.3 夯土密度

夯土的密度可以間接地反應(yīng)夯筑質(zhì)量。使用相同的夯筑方式及材料，夯土在擁有最大強(qiáng)度的同時(shí)擁有最大密度[8]。通過對(duì)不同鋪土厚度進(jìn)行不同次數(shù)的夯筑，得到密度變化規(guī)律。

從圖6可以看出：夯筑前兩遍4組夯土干密度變化較大，第3、4、5次夯筑使密度呈線性緩慢增長(zhǎng)，第6次夯筑后密度變化已非常?。徊⑶以谙嗤恢螖?shù)下，鋪土厚度越薄，夯土密度越大；隨著夯筑次數(shù)的增加，不同鋪土厚度的夯土在相同夯筑次數(shù)下，密度差逐漸減小；在第6次夯筑時(shí)最終都在1.8g/cm3附近，不同鋪土厚度間密度差約0.6%—1.5%。

通過對(duì)鋪土的壓縮率和干密度進(jìn)行比較，在夯筑第6遍后，4組夯土的干密度已經(jīng)非常接近，最大密度差為2.5%，但不同鋪土厚度壓縮率差別很大，最大達(dá)到了16.7%，初步認(rèn)為這是不均勻壓縮導(dǎo)致的。為了驗(yàn)證夯土密度的均勻性，對(duì)夯層進(jìn)行分層取樣測(cè)干密度。從夯層中間將夯層一分為二，對(duì)夯層上部和底部干密度分別進(jìn)行測(cè)定。鋪土8cm和12cm夯層比較薄，分層不容易取200g樣品，故只對(duì)鋪土16cm和20cm進(jìn)行測(cè)定，而夯筑前3次夯土底部取樣困難，只對(duì)第4次夯筑之后的夯層進(jìn)行分層取樣，對(duì)干密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，夯層頂部與夯層底部的干密度基本都呈線性增長(zhǎng)，但夯層頂部的干密度始終大于底部的干密度，隨著夯筑次數(shù)的增加，二者的密度差逐漸縮小，變化十分小。第4—6次夯筑，鋪土20cm密度差從7.2%縮小為4.3%，鋪土16cm密度差從4.7%縮小為3.6%。鋪土厚度在16cm與20cm時(shí)，夯層上部與下部均產(chǎn)生密度差，這種密度差隨著鋪土厚度減小而減小。由此可以推測(cè)，當(dāng)鋪土厚度在12cm時(shí)，這種密度差已經(jīng)非常小，可以忽略不計(jì)，所以當(dāng)鋪土厚度在12cm時(shí)，可以得到最佳夯筑效果。

4 討 論

土的壓縮量由三部分組成[9]，即土顆粒的壓縮、孔隙內(nèi)水和空氣的壓縮、空氣和水被擠出壓縮。通常情況下，土顆粒和水的壓縮非常小，可以忽略不計(jì)，因此夯土的壓縮主要是孔隙內(nèi)氣體與水被擠出后形成的。當(dāng)夯錘從高處落下時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，夯錘與鋪土瞬間接觸，產(chǎn)生能量交換，土顆粒發(fā)生位移，孔隙被壓縮，夯土發(fā)生形變。夯筑前兩次變形較大，是因?yàn)殇佂量紫堵瘦^大，隨著夯土逐漸變得密實(shí)，孔隙率逐漸縮小。第3、4次夯筑形變逐漸變小，夯錘與鋪土接觸時(shí)間變短，受到的沖擊力增大，使夯土密度進(jìn)一步增大，土粒排列更加密實(shí)。

夯錘產(chǎn)生的沖擊波為球面波[10]，在夯筑過程中，不同深度的應(yīng)力值是不一樣的，越靠近接觸點(diǎn)中心壓力值越大，壓力隨著鋪土厚度的增大而減小，土顆粒骨架不能完全將沖擊力向下傳遞，造成夯層底部的孔隙閉合程度小于頂部，底部密度小于頂部，形成夯層密度的差異。這也是遺址部分區(qū)域形成差異性風(fēng)化、夯層間形成掏蝕凹槽的原因。

本次試驗(yàn)6個(gè)區(qū)域由不同的工人夯筑而成，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的人為誤差，但已經(jīng)能夠得出一些規(guī)律：夯土的密度是隨著夯筑次數(shù)在一定范圍內(nèi)是呈線性增長(zhǎng)的；鋪土厚度在一定范圍內(nèi)，夯錘可以將鋪土完全夯實(shí)；當(dāng)鋪土厚度過厚時(shí)，即使增加夯筑次數(shù)，夯土依舊不能均勻密實(shí)。

（1）鋪土8cm，夯筑4次，壓縮率達(dá)到最大，密度約1.79g/cm3，繼續(xù)夯筑，干密度增加幅度不到1%；但夯層厚度此時(shí)只有4cm，與遺址本體夯層相差較大。

（2）當(dāng)鋪土厚度12cm時(shí)，夯層間的密度差已經(jīng)很小，從圖4可知，鋪土12cm時(shí)，需要夯筑5次，才能達(dá)到最大壓縮率。此次試驗(yàn)僅夯筑了一層，實(shí)際夯筑都是多層夯筑，后一層的夯筑過程會(huì)對(duì)前一層夯土繼續(xù)施加沖擊力，結(jié)合夯層表面夯窩深度，每層夯筑4次可以達(dá)到最佳密度。

（3）鋪土厚度在16—20cm時(shí)，夯筑5次頂部干密度達(dá)到最大，可到1.80g/m3，此時(shí)底部干密度達(dá)到1.65—1.67g/m3，上下層密度差在4%—7%之間，繼續(xù)夯筑干密度變化不大。

5 結(jié) 論

通過對(duì)不同鋪土厚度使用同一規(guī)格夯錘進(jìn)行不同次數(shù)的夯筑試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)夯錘單次功不變時(shí)，夯土的壓縮率和干密度隨著夯筑次數(shù)的增加而增加；當(dāng)夯筑次數(shù)達(dá)到一定值后，夯土的壓縮率不再變化，干密度變化也十分小。

（2）當(dāng)鋪土厚度大于一定值時(shí)，由于夯錘的沖擊力過小，鋪土不能被完全夯實(shí)，夯層的頂部和底部會(huì)形成密度差；鋪土厚度越厚，密度差越大。這種密度差不會(huì)隨著夯筑次數(shù)增大而消除。

（3）在西夏陵遺址夯補(bǔ)加固中，鋪土厚度為16—20cm時(shí)，夯層上部和下部會(huì)產(chǎn)生4%—7%密度差，繼續(xù)夯筑密度差減小幅度不大；鋪土厚度為12cm，每層夯筑4次時(shí)，可以得到最佳夯筑效果，夯筑密度較均勻，干密度可以達(dá)到1.80g/cm3。

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