夯筑土遗址竹木锚固系统界面力学传递机理研究

竹木锚固技术在夯筑土遗址加固中扮演着重要角色，然而相应的锚固系统传力机理研究还未开展，成为新型锚固技术研发的瓶颈，严重制约土遗址保护学科的形成与发展。本项目以在夯筑土遗址加固中应用最为普遍和成熟的竹木锚杆锚固系统为研究对象，对两种锚固系统的力学传递机理进行基础性研究。具体内容包括：室内和现场拉拔测试分析受拉状态下锚固系统中各界面的力学传递规律与特征；构建夯筑土遗址锚固系统力学传递模型，给出其方程表达式；筛选、优化并确立科学合适的锚固系统数值模拟分析方法。本项目旨在揭示夯筑土遗址锚固系统中的力学传递机理，为锚固设计与计算、工艺优化、杆体创新等奠定理论基础，同时开拓土遗址锚固技术基础理论研究和科学化运用的新局面。

夯筑土遗址是土遗址中数量最多的类型，主要分布于我国西北干旱半干旱区。夯筑土遗址力学稳定性控制对于其价值的保存与传播具有重要意义。基于传统材料与工艺科学化视角，竹木锚固技术在夯筑土遗址力学稳定性控制中扮演重要的角色，相应的锚固性能和机理基础性研究对于推动夯筑土遗址保护加固的科学化具有重要意义。. 基于夯筑土遗址加固中广泛应用的竹木锚固技术，研发了土遗址室内锚固试验系统，融合了夯筑材料与工艺、成孔与注浆、拉拔测试系统、应变监测系统等系统，开展了竹/木锚杆基于PS-F、PS-(C+F)、烧料礓石-石英砂、烧料礓石-粉煤灰、烧料礓石-石英砂-粉煤灰等五种优选浆液的锚固性能和杆体-浆体界面应力分布特征；同时，选择甘肃武威市古浪县圆墩长城作为试验现场，开展了以上锚固系统的原位锚固测试。对试验用竹/木杆材、夯土的物理力学性能开展了室内试验，对五种浆液的龄期物理力学特征及浆体的耐久性开展了室内试验，系统查明了试验用材料的物理力学特性。基于室内与原位锚固试验的成果分析，摸索建立夯筑土遗址竹木锚固系统的力学模型和界面本构关系，并尝试给出相应的模型方程式；开展锚固系统的数值模拟分析，确立合理的数值模拟方法，最终开展影响因子分析，为夯筑土遗址竹木锚固设计奠定理论基础。研究表明：（1）竹/木锚杆基于以上五种优选浆液在夯筑土遗址中均可获得良好的锚固性能；可以满足夯筑土遗址锚固的需求。其中，相同浆液下，木锚杆锚固性能优于竹锚杆；相同杆体下，基于烧料礓石浆液的锚固系统性能优于基于PS浆液的锚固系统；（2）从应用的角度，锚固系统失效于杆体-浆体界面，从而实现杆体在夯筑土遗址中与传统建造时期的加筋功能相同，达到良好的兼容性；（3）在拉拔荷载作用下，杆体-浆体界面应力分布不均匀，出现单峰值或多峰值现象；随着荷载的增加，峰值向锚固末端转移；在锚固段的中后部出现轴向压应变现象。（4）受到杆体天然取材而变异性较大的特征，目前确立的夯筑土遗址竹木锚固系统的力学模型和本构关系具有个体性，暂难以形成概化统一的模型；（5）确实的数值模拟方法虽然与实际试验结果具有一定的差距，但在定性规律性上是一致的。本课题研究成果从工程力学的角度证明了夯筑土遗址中竹木杆体锚固的兼容性和科学性，揭示了五种浆体的耐久性，为锚固系统的长期工作性能评价奠定基础。此外，研究成果为夯筑土遗址加固中竹木锚固系统的设计规范化提供理论支撑。