西北地区土建筑遗址表部干缩开裂机制研究

Along the Silk Road in northwest China, a large number of earthen architecture ruins remains. These are valuable materials to study the history of Chinese civilization. However, exposed in the open environment, the earthern ruins suffered a series of physical and chemical weathering induced by natural agency, such as wind, rainfall and so on. Currently, research on the wind erosion has been reported, but study on the rain erosion is rarely mentioned. Under the condition of rainfall, the crusts gradually formed on the surface of the earthern ruins, and then, as the water evaporated, shrinkage cracks formed and expanded. Due to the presence of dessication cracks, the surface continuity of the earthern ruins is destroyed. Meanwhile, these cracks provided the convenient channels for subsequent weathering. This is extremely detrimental to the durability and stability of the earthern ruins. Based on the above, research on desiccation cracking mechanisms of soils on the surface of earthern ruins will be conducted. In this project, research activities will be concentrated on the following topics, these are, 1) shrinkage characteristics of soils during drying, 2) investigation of the special role of boundary constraints in desiccation crack initiation, 3）proposition of criterion used for modeling the strength of soils submitted to tensile states and argumentation of main parameters under critical states, 4) analysis of geometric characteristics and influencing factors of desiccation cracks. The results will be helpful for revealing the mechanism of desiccation cracking of soils, and offer theoretic foundation for further research on consolidation techniques and actual conservation projects of earthen ruins.

西北地区丝绸之路沿线遗存了大量的古代土建筑遗址，是研究中华民族文明史的珍贵实物资料。但在长期严重的风蚀和集中式强降雨等作用下，大批土遗址正遭受毁灭性破坏。目前对土遗址风蚀的研究已有相关报道，然而降雨对土遗址破坏的研究报道尚不多见。降雨使土遗址表部产生结皮层，并在后期发生干缩开裂，这些裂隙不仅破坏了遗址的连续性，又为后期的各种风化作用提供了通道。本项目以此为背景，通过试验和理论分析，对遗址土干缩开裂机理进行系统性研究。具体内容包括：土在失水条件下的收缩变形特性和机理研究；分析约束条件对土中应力的产生以及干缩开裂的影响；建立土的干缩开裂的判据方程，并对临界状态的相关参数进行讨论；对干缩裂隙表面结构形态及影响因素进行研究。本项目旨在揭示土的干缩开裂的本质，为即将开展的大规模土遗址保护加固工程提供理论基础。

本项目以西北地区丝绸之路沿线土遗址风化病害问题为选题方向，重点对土遗址表部的干缩开裂问题展开系统和深入的研究工作，通过室内试验和理论分析，探索了遗址土干缩开裂的影响因素及内在机制。主要研究内容及结论包括以下三个方面：.（1）遗址土收缩特性研究方面，受土中封闭不连续微孔中空气的影响，试验测得的收缩曲线发生一定程度的水平偏移；研究发现，除粘粒外，粉粒与砂粒在土的收缩过程中起着不可忽视的作用，形成的骨架架空结构对土的体积收缩产生重要影响；粘粒含量和粘土矿物颗粒的收缩性是影响土体积收缩的两个直接因素；分析研究了蒸发速率对收缩的影响，试验发现含水率是控制同类型遗址土体积收缩和基质吸力的唯一参数。.（2）干缩裂隙表面结构形态及影响因素研究方面，引入裂隙节点、区块面积、裂隙率等概念和参数，对试样表面裂隙的结构形态、分布规律和影响因素进行了定量分析和研究；定义了干燥速率和干燥系数，试验结果表明干燥系数与开裂含水量两者间存在线性相关；土层厚度对裂隙的形态产生显著影响；温度对表面裂隙形态的影响机理较为复杂，一方面温度升高增大了水分蒸发速率，引起土中基质吸力的增大率，另一方面温度对孔隙水压力产生影响，导致水分运移和土中应力分布受到相应影响。.（3）干缩裂隙产生机理研究方面.研究表明，干燥过程中的边界约束是裂隙产生的必要条件；土的抗拉强度、吸力和饱和度之间存在着密切的联系，同时也与Griffith 判据中所涉及的临界裂隙状态相关；本研究从微观的角度强调了土的结构（内部缺陷的存在）、饱和度和吸力在土的抗拉强度方面所发挥的重要作用；建立了基质吸力与抗拉强度的关系曲线；提出土的进气值是判断开裂的一个重要参数；从土的内部应力状态和微观角度阐述了收缩变形及开裂的机制。.本项目研究结果，为当前国内土遗址风化机理的系统研究提供理论参考，并为随后开展的土遗址大规模防风化保护加固工程提供科学理论依据。