陳慧穎　毛維佳　劉軍麟　劉璇清

摘 要：楊官寨遺址墓葬區(qū)的地層剖面包含豐富的歷史文化信息，對(duì)考古學(xué)研究及博物館展示具有重要意義，亟待保護(hù)加固。該地層剖面層位眾多，為掌握不同層位土體的性能及工程分類，對(duì)各地層土樣分別進(jìn)行了X射線衍射、顆粒組成、界限含水率、土體密度及天然含水率的測試。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)各地層剖面的礦物質(zhì)組成基本一致，含水率、密度普遍偏低，土質(zhì)較為疏松，容易風(fēng)化。各地層土均為細(xì)粒土，具體可以分為粉土、黏土和粉質(zhì)黏土三類，不同地層的土體需篩選出具有針對(duì)性的保護(hù)材料及加固工藝，研究結(jié)果可以為篩選提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：楊官寨;地層剖面;工程性質(zhì);分類

引言

楊官寨遺址是研究仰韶文化及廟底溝文化的重要資料，曾經(jīng)先后兩次入選“中國十大考古新發(fā)現(xiàn)”，包括房址、灰坑、環(huán)壕、陶窯和大型墓地等多種類型的遺跡，數(shù)量眾多，意義重大。①其中于2015年發(fā)現(xiàn)的楊官寨墓葬區(qū)遺址②范圍較大，遺址區(qū)內(nèi)部保存有若干隔梁和關(guān)鍵柱，其上賦存豐富的考古地層信息。未來將在原址上建立楊官寨遺址博物館③，考古發(fā)掘過程中遺留的這些地層信息將成為重要的展陳內(nèi)容。

考古地層是古代人類生存環(huán)境、人類文化及發(fā)展信息的載體，是遺址考古發(fā)掘、資料整理研究等各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵資料，通過對(duì)考古地層的研究，可以了解當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)生活環(huán)境及生產(chǎn)力水平高低，具有重要的科學(xué)價(jià)值及意義。④以往多將考古地層剖面視為均質(zhì)土體進(jìn)行保護(hù)，對(duì)各層剖面均采用同種加固材料與加固工藝，并未對(duì)每層土體進(jìn)行針對(duì)性保護(hù)，在保護(hù)修復(fù)后可能會(huì)出現(xiàn)地層間界限模糊等問題。⑤楊官寨遺址墓葬區(qū)地層剖面蘊(yùn)含著廟底溝等時(shí)期的歷史文化信息，不僅對(duì)考古發(fā)掘、資料整理研究有重要意義，還是未來遺址博物館的重要展示內(nèi)容，有利于博物館觀眾更深入地了解楊官寨遺址。受自然環(huán)境的影響，地層表面風(fēng)化嚴(yán)重，出現(xiàn)了裂隙、沖溝及龜裂紋等多種病害，剖面界限模糊，嚴(yán)重影響了對(duì)它的觀察與展示，因此亟須開展防風(fēng)化保護(hù)加固研究。

在現(xiàn)階段的文物保護(hù)工程實(shí)踐中，主要采取對(duì)土體表面噴灑或滴滲保護(hù)材料的方法進(jìn)行防風(fēng)化保護(hù)，根據(jù)目標(biāo)土體的工程性質(zhì)及賦存環(huán)境的特點(diǎn)，選取合適的保護(hù)材料與加固工藝。⑥楊官寨墓葬區(qū)遺址的全部地層剖面共15層，其中廟底溝時(shí)期的文化層有5層⑦，加固的主要目標(biāo)是保持原有的地層結(jié)構(gòu)信息，保持原有顏色、密度、結(jié)構(gòu)等。由于不同地層間土的密度、顆粒成分、礦物成分等存在差異，為實(shí)現(xiàn)地層剖面的差異化加固，需要對(duì)影響加固效果的密度、礦物成分、顆粒組成及界限含水率等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行分析測試，根據(jù)測試結(jié)果研究具有針對(duì)性的加固工藝。

目前，圍繞楊官寨遺址已經(jīng)做過的保護(hù)研究主要包括以下方面：一是對(duì)楊官寨遺址的壕溝、灰坑劣化機(jī)理的研究;二是對(duì)防風(fēng)化保護(hù)材料的初步研究①，已經(jīng)探明包括壕溝、灰坑及文化層部分土壤的含水率、pH值、腐殖質(zhì)、鈣、鎂、氯化物、硫酸鹽、二價(jià)鐵和土壤的微觀結(jié)構(gòu)，但關(guān)于土的礦物組成、土壤密度、顆粒成分及界限含水率等工程性質(zhì)還未有研究，尚不能滿足對(duì)其進(jìn)行科學(xué)保護(hù)的要求。因此，本文將從楊官寨遺址墓葬區(qū)各地層剖面土的顏色、礦物組成、顆粒成分、界限含水率、土壤密度及含水率等方面展開研究，根據(jù)研究結(jié)果對(duì)各地層進(jìn)行合理化分類，并制訂實(shí)驗(yàn)室防風(fēng)化保護(hù)試驗(yàn)方案。

1 試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)方法

1.1 土樣采集

對(duì)遺址西北角正在發(fā)掘的邊緣立面處進(jìn)行取樣并試驗(yàn)，該立面包含全部的15層地層（不含耕土層），從上至下依次編號(hào)為1～15，其中最下方5層地層（編號(hào)11～15）與關(guān)鍵柱上5層廟底溝時(shí)期的文化層對(duì)應(yīng)。采樣時(shí)采用人工從上至下依次采樣，每一地層取兩個(gè)試樣，所有土試樣均妥善密封，防止?jié)穸茸兓瑖?yán)防暴曬或冰凍，避免運(yùn)輸過程的振動(dòng)，土樣具體信息見表1。

1.2 試驗(yàn)方法與樣品制備

試樣的制備主要參照中華人民共和國水利部編寫的土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GT/T50123—2019）。②

1.2.1 礦物成分分析

按照干粉末試樣制備方法進(jìn)行土樣制備，利用日本理學(xué)SmartLab X射線衍射儀（儀器最大功率為9千瓦，金屬銅轉(zhuǎn)靶，XY空間樣品臺(tái)）分別對(duì)15層地層的土樣進(jìn)行測試。

1.2.2 含水率

采用烘干法進(jìn)行試驗(yàn)，每一地層取兩個(gè)試樣進(jìn)行平行測定，取其平均值作為該地層的含水率測試結(jié)果。

1.2.3 密度

采用蠟封法進(jìn)行試驗(yàn)，每一地層取兩個(gè)試樣進(jìn)行平行測定，取其平均值作為該地層的密度測試結(jié)果。

1.2.4 顆粒分析試驗(yàn)

采用粗篩法聯(lián)合激光粒度分析儀法進(jìn)行試驗(yàn)，粒徑大于0.1毫米的部分采用粗篩法進(jìn)行試驗(yàn)，粒徑小于0.1毫米的部分采用珠海歐美克公司的集成LS-909激光粒度分析儀（濕法測試范圍：0.02～2100微米，重復(fù)性誤差：<±0.5%，準(zhǔn)確性誤差：≤1%）進(jìn)行試驗(yàn)（濕法）。

1.2.5 界限含水率試驗(yàn)

采用液塑限聯(lián)合測定法進(jìn)行試驗(yàn)，每一地層取兩個(gè)試樣利用無錫市華南實(shí)驗(yàn)儀器有限公司W(wǎng)X-Ⅱ型光電液塑限聯(lián)合測定儀（圓錐下落至讀數(shù)顯示時(shí)間：5秒，測讀精度：0.1毫米，估讀：0.05毫米）進(jìn)行平行測定，取其平均值作為該地層的界限含水率測試結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 礦物成分分析

土壤礦物的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)土壤理化性質(zhì)、生物化學(xué)性質(zhì)有著深刻影響，對(duì)鑒定土壤類型、識(shí)別土壤形成過程有著重要的作用。試驗(yàn)結(jié)果如圖1及圖2所示，1～15層地層的X射線衍射圖譜衍射峰位置基本一致，但衍射強(qiáng)度有細(xì)微差別。

其中衍射峰位置基本相同，說明1～15地層的土壤礦物成分基本一致，主要為石英、含鎂方解石、高嶺石、白云母及鈉長石，衍射強(qiáng)度有細(xì)微差別說明各地層之間對(duì)應(yīng)的礦物含量存在一定差異，這說明1～15地層是相同或相似的母巖風(fēng)化形成的土壤。總體而言，1～15地層并無明顯差別，因此需進(jìn)一步根據(jù)顆粒組成及界限含水率等結(jié)果對(duì)其工程特性進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。值得一提的是，各地層的礦物成分均有含鎂方解石，這會(huì)造成土體凍融性較差，當(dāng)土體反復(fù)凍融之后，易產(chǎn)生風(fēng)化破壞。

2.2 含水率

土的含水率是影響加固效果的一個(gè)重要因素，含水率試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由于該地層剖面已露明較長時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果也表明含水率趨于一致，1～15地層含水率差別不大，普遍較低，其中第8、10、12地層的含水率介于2%～3%之間，第9地層含水率介于3%～4%之間，其余地層的含水率均處于1%～2%之間。通常情況下，土壤含水率偏低時(shí)，土中基本只有強(qiáng)結(jié)合水，強(qiáng)結(jié)合膜太薄，加上粒間有摩阻力及引力，土顆粒間移動(dòng)性差，不夠密實(shí)，容易受自然環(huán)境的影響，造成病害發(fā)育。

2.3 密度

土的密度不同，土的滲透性能也有較大差異，直接影響加固深度等，土的密度測試結(jié)果見表3。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，1～15地層的土體密度差別較大，按照密度可將土層分為三類，其中第1、2、9地層的密度介于1.6～1.8克每立方厘米之間，第8地層密度介于1.8～1.9克每立方厘米之間，其余地層的密度均處于1.4～1.6克每立方厘米之間。一般情況下，密度較小的土孔隙度較大，土壤通氣性能較好，但是土質(zhì)較疏松，容易因降雨、降雪、刮風(fēng)等氣候變化產(chǎn)生病害發(fā)育，需要做好表面防風(fēng)化保護(hù)加固措施。

2.4 顆粒組成

土的顆粒組成不同，既影響土的密度和孔隙性，也反映土的成分差異，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，1～15地層土的組成粒組為砂粒、粉粒及黏粒，其土壤中顆粒直徑大于0.075毫米的質(zhì)量均不超過全量的50%，因此1～15地層均屬于細(xì)粒土。土壤顆粒組成影響著土體的黏結(jié)性、可塑性、脹縮性及吸附結(jié)合水的能力，由于細(xì)粒土所含粒組多為粉粒及黏粒，故具有一定的黏結(jié)性、可塑性和脹縮性，通氣透水性較差。在選擇防風(fēng)化保護(hù)加固材料時(shí)，應(yīng)選擇滲透性及透氣性較好的保護(hù)材料，在實(shí)際保護(hù)加固中可以取得更好的加固效果。

2.5 界限含水率

界限含水率是判別土的性質(zhì)的重要參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表5。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明第1、3、13地層土的塑性指數(shù)（Ip）均小于10，第8地層土的塑性指數(shù)（Ip）大于17，其余地層土的塑性指數(shù)（Ip）均大于10小于17，根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2011），第1、3、13地層為粉土，第8地層為黏土，其余地層均為粉質(zhì)黏土。黏土與粉質(zhì)黏土均屬于黏性土，在多數(shù)情況下二者工程力學(xué)特征具有一定相似性，均有熱容量大、溫度穩(wěn)定、容水量大、滲透性較差、水穩(wěn)定性好、濕潤時(shí)具有較高的塑性和黏結(jié)性等特點(diǎn)，其中黏土較粉質(zhì)黏土而言，其滲透性較差而膨脹性較好。粉土的性質(zhì)介于砂土與黏性土之間，具有遇水分散、失水凝聚、滲透性好、水穩(wěn)定性較差和崩解性較強(qiáng)等特點(diǎn)。因此在保護(hù)材料的選擇上應(yīng)該充分考慮到這三種土的工程特性，由于三種土滲透性有差別，對(duì)黏土及粉質(zhì)黏土進(jìn)行保護(hù)加固，在保證加固效果的前提下選擇濃度較低、更易滲透的加固材料進(jìn)行常壓滴滲，而對(duì)粉土可以選擇濃度較高的保護(hù)材料進(jìn)行表面噴灑滲透。

3 討論

從實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果來看，1～15地層土體的天然含水率和礦物組成雖然有細(xì)微差別，總體來說基本一致，但土的顏色、顆粒成分、塑性指數(shù)、密度存在較大差異。土的顏色主要有淺褐色、灰褐色、褐色、深褐色四類;由其顆粒組成及界限含水率結(jié)果可將1～15地層細(xì)分為粉土、黏土和粉質(zhì)黏土三類，第1、3、13地層為粉土，第8地層為黏土，其余地層均為粉質(zhì)黏土;從密度上以1.6克每立方厘米為界限可分為兩類。根據(jù)這三類指標(biāo)可以將該地層剖面劃分為九個(gè)類型，即灰褐色高密度粉土（第1層）、灰褐色高密度粉質(zhì)黏土（第2層）、褐色低密度粉土（第3層）、褐色低密度粉質(zhì)黏土（第4～7層）、深褐色高密度黏土（第8層）、深褐色高密度粉質(zhì)黏土（第9層）、灰褐色低密度粉質(zhì)黏土（第10～12層）、深褐色低密度粉土（第13層）、淺褐色低密度粉質(zhì)黏土（第14、15層）。這九類土對(duì)加固材料、加固量、加固工藝等方面要求會(huì)有一定差別，其差別是影響加固效果的主要因素，因此有必要開展不同類型土的防風(fēng)化加固材料及加固工藝的選擇與研究。在進(jìn)行室內(nèi)及室外模擬試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)充分考慮九類土的性能差別，對(duì)其區(qū)分對(duì)待。

4 結(jié)論

通過對(duì)楊官寨遺址墓葬區(qū)關(guān)鍵柱包含地層的土進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

①1～15地層的礦物成分、含水率變化不大，各礦物含量有細(xì)微差異，含水率基本小于3.12%。

②土的顏色主要有淺褐色、灰褐色、褐色、深褐色四類，大部分土的密度小于1.6克每立方厘米，最小1.41克每立方厘米，最大1.81克每立方厘米，土的類別有粉土、黏土、粉質(zhì)黏土三類，主要為粉質(zhì)黏土。根據(jù)顏色、密度、土的類別可將15層土合并為九個(gè)類型。