夯筑土遗址木锚杆群锚效应研究

As a main method of mechanical stability control, anchorage is playing an important role in the conservation of rammed earth sites due to its adherence to the protection principle of culture heritage and the control of deformation of earthen site. The current research on single wood-bolt anchorage can’t reveal the mechanical process of group anchorage of wood bolt, which probably results in the potential threats of over-anchor or lack-anchor as well as severely restrict the scientific process of anchor design in the conservation of rammed earth sites. With the integration of filed investigation, laboratory physical model test, filed experiment, theory and mathematical analysis, the research project will reveal the historical development and characteristics of wood reinforcement technique among rammed earth sites, depict the mechanical process and influence factors of group anchor (double, triple, quadruple wood bolts) among rammed earth sites, establish theoretical formula and mathematical simulation method for anchor group effect generated by wood bolts among rammed earth sites as well as conduct factor analysis, finally extract the anchor design method with consideration to group anchor effect in the conservation of rammed earth sites. The research results will not only provide the theory support for the wood bolt anchorage design among the rammed earthen sites, but also rich the scientific foundation of wood reinforcement as the traditional building material among the rammed earth sites.

木锚杆锚固技术在遵循文物保护理念的前提下，有效防止遗址的变形破坏，在夯筑土遗址加固中扮演着重要的角色。现有的单锚系统研究成果，无法反映夯筑土遗址木锚杆群锚状态下的受力机制，平均单根锚固力及经验性锚固设计方法，存在“过度加固或不足加固”的潜在威胁，严重制约夯筑土遗址锚固设计的科学化。本项目采用野外调查、室内物理模拟试验、现场原位试验、理论分析与数值分析等手段，开展夯筑土遗址木锚杆群锚效应研究，阐明夯筑土遗址加筋建造的历史演化进程和时代特征，揭示夯筑土遗址中双锚、三锚及四锚等不同群锚状态下的受力机制及影响因子，构建夯筑土遗址木锚杆群锚效应理论公式和数值模拟方法，并开展影响因子分析，最终提出考虑群锚效应作用下夯筑土遗址锚固设计方法。研究成果为夯筑土遗址木锚杆锚固设计的科学化提供基础理论支撑，也丰富了木锚杆作为夯筑土遗址传统建造材料的内涵。

土遗址是重要不可移动的文化遗产之一，尤其在中国古丝绸之路的干旱半干旱自然环境下。保护好、传承好、利用好这些文化遗产，对于继承和发扬中华民族优秀传统文化具有重大意义。土遗址群锚效应研究对锚固技术规范化设计具有重要的科学意义。研究项目首先开展了锚固材料的基本性能试验，测试了白蜡杆在各种状态下的物理和力学性质，从微观角度解释白蜡杆高强度和高韧性机制。在烧料礓石改性浆液的配比优化试验中，对所有的浆液结石体进行室外土体掩埋养护，持续监测180天的物理力学性质，通过SEM观察浆液的固化过程。其次，进行群锚拉拔试验的探索研究，包括尝试不同周期及尺寸的模型，并利用Flac3D数值软件对锚固系统进行模拟计算。在多次尝试与探索的基础上，开展了木锚杆群锚拉拔的正交设计试验，探索夯筑土在双锚、三锚和四锚下的不同锚数、间距和锚固深度条件下的群锚效应。得到包括群锚荷载-位移曲线、群锚失效模式、各基体的破坏特征和各单锚界面剪应力分布与传递特征等。再次，为获得土遗址锚固的长期效果，修建大比例尺的试验墙体。模拟墙的建立实现了传统工艺下的建造模式，研发出适用于墙体的群锚拉拔装置。成果将与室内模型试验相互验证，并进行锚固效果的长期评价。最后，建立基于层状夯土体、杆体、间距、边距、锚固深度及夯土性质等因子下的群锚数值模拟方法，为夯筑土遗址木锚固设计奠定理论基础。研究成果优选出为烧料礓石与石英砂质量比1:1的锚固浆液。解决了多跟锚杆整体拉拔的问题，得到群锚作用下的完整荷载-位移关系，提出群锚系统的破坏模式。边距效应对群锚抗拔力的影响要大于间距效应。而间距效应对剩余有效锚杆的影响更加明显，影响程度高于锚杆质量的差异。正交试验方案比选出锚固深度、锚固间距、锚固数量的影响程度，得到锚杆的最优布置方案。本课题研究中拉拔设计与方案为锚固效果检测提供新的思路，为土遗址锚固的规范化和科学化提供科技支撑，最终服务于土遗址的保护加固工程。