一种用夯锤夯筑土体加固土遗址的方法与流程

本发明涉及土遗址保护试验研究及保护加固领域，具体是指用传统夯锤夯筑土体加固土遗址科学解读和研究方法。

背景技术：

我国西北地区的新疆、甘肃、宁夏和陕西境内遗存许多古代土遗址，蜿蜒北部的长城，西北苍茫戈壁上的边关古城、烽燧，新疆的交河、高昌、楼兰、尼雅遗址，可谓上下几千年，纵横万里，遍布中华疆域。这些土遗址历史悠久，有的已列为世界文化遗产，有很高的文物考古价值。其首要任务是保护遗址的真实性和完整性，即指遗址本身材料、工艺、设计及其环境所反映的历史、文化、社会等相关信息的真实性，以及遗址本体、载体和周边环境的完整性。遗址本体的保护不仅仅是通过保护措施解决本体和周边环境突显的病害，同时要深入研究遗址营造材料、工艺、结构和病害原因，真实完整的传承原有遗址的工艺技法和材料的使用方法。长期以来，传统夯筑工艺往往凭借经验一代代相传，具体的夯实密度、夯锤的重量、冲击应力以及夯筑土体的优势和缺点很少有人探究。在大量古代土遗址实地考察中发现，土遗址产生的病害除了气候环境对土体的影响外，另外一个原因与夯实密度、夯锤冲击作用等传统工艺有关。夯锤冲击力大，锤坑深，土层实；反之夯锤冲击力小，锤坑浅，土层虚。而土遗址产生的病害往往从土层虚的地方开始侵蚀，使得夯筑体开裂或者与支顶原遗址接触面顶部形成裂缝。因此，科学解读传统夯筑工艺是进一步认知和改良传统夯筑工艺的基础。本发明采用传统工艺技法，借助压力盒检测方法，通过大量实验建立了传统夯筑工艺的力学模型，通过现场试验拟合出了不同夯锤做功受力特点和应力影响范围，为土遗址夯筑支顶加固技术提供技术参数，以此保证夯筑工艺的质量要求。

针对传统夯筑工艺往往通过经验和人为观察、触摸等方式综合评判夯筑质量，受人为主观影响较大的缺陷。本发明的目的旨在提供一种用传统夯锤工艺夯筑土体加固土遗址的方法。通过压力盒监测综合分析夯锤对单层铺土夯实密度的评判以及多层铺土在夯击过程中的做功影响范围，从而为传统夯筑工艺提供科学的指导。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种用夯锤夯筑土体加固土遗址的方法，其步骤包括：

（1）测前检查

土压力盒水平放置，接通电源后应预热半小时，当电路中的电阻稳定后清零，测试其数值波动小于其测量精度，可进行数据采集；

（2）夯实整平

土压力盒布设的基础层，需通过铲除虚土区域整平，并采用石杵至少对基础层夯筑6～8次，确保基础层足够密实；

（3）铺砂

在摆放标记压力盒基础层上的位置铺砂，厚度2-4mm，铺砂面积不小于土压力盒表面积的3倍；

（4）压力盒布设

将土压力盒水平置于所铺砂层之上，一般间距不大于10cm，确保压力盒居中且光洁面向上，压力盒引线从基础层引出；

（5）铺土

用土覆盖土压力盒和引线，铺土厚度为12-20cm；

（6）数据采集

压力盒引线与数据采集器连接，实时采集土压力盒的数据，采样频率为1000hz，

（7）触发传感器安装及夯筑

在夯锤平面处安置触发器，触发器为振动传感器或为电容传感器，其能够在夯锤与土体接触的瞬间激发采集信号，对于同一铺土厚度夯层，一般夯筑八遍，采集每一遍夯锤的冲击力；

夯筑方式按照第一遍冲海窝，第二遍打银锭的方式进行夯筑，第三遍-第八遍夯筑方式冲海窝和打银锭交替进行夯筑；

（8）多层叠压水平应力范围测试

夯锤的水平夯击冲击力影响范围相对较大，不同层数的应力值均不相同，水平方向整体衰减较竖直方向更快，从第一层至第六层整体冲击作用力水平影响范围不超过12cm，且呈直线性下降趋势。

（9）竖直方向夯锤作用力衰减规律

每层夯筑八遍，共有六层铺土，每层铺土厚度分别为20cm，16cm，12cm，12cm，12cm，12cm，随着土遗址墙体高度的增加，土压力盒所检测的冲击应力随土层增加逐渐减小；

曲线变化可以分为三个阶段，墙体高度10cm-20cm为第一阶段，曲线斜率最大且近似直线，20cm-40cm为第二个阶段，曲线斜率变小，40cm-70cm为第三阶段，曲线斜率最小；

（10）制作应力等值曲线图

将不同层水平向、竖直相应力衰减所测的数据从第一层至第n层对齐正向叠加，按照坐标系对这些数据点进行网格划分，将数值相同的点平滑连接即得到应力等值曲线图；

本发明的优点和产生的有益效果是：

（1）通过土压力盒的合理布设，可以检测出夯锤在夯击土体时，土体在夯锤冲击振动作用下，土体内部的应力场的分布状况。

（2）可以检测出不同铺土厚度，在夯锤夯击土体过程中，随夯筑次数的增加，土体逐渐密实过程中冲击应力水平和竖向的变化规律。

（3）本发明可以分测试出夯锤夯击时水平方向及竖直方向应力衰减程度，即夯击振动竖向影响深度远大于水平方向。

（4）本发明可以检测出夯锤每次夯击时有效功的变化，一般随着土体逐渐密实其有效功趋于0，以此可以有效评价夯筑土体的密实程度。

（5）本发明对传统夯土技术中夯锤冲击力进行检测，有助于了解墙体夯筑过程中受力变化及土体挤压变形过程，从而为加固土遗址提供科学夯筑方法，提高土遗址保护工程的质量及效率，对夯筑传统工艺的科学化研究以及土遗址保护维修质量具有十分重要的意义。

（6）本发明方法简单实用，操作方便，费用低，在干旱与半干旱区土建筑遗址夯筑工艺力学研究方面有广泛的应用场景。

附图说明

图1为本发明压力盒平面布设示意图；

图2为本发明夯锤夯击及采集示意图；

图3为本发明夯锤夯筑方式示意图；图左为头夯冲海分位，图右为二夯银绽分位；

图4为本发明信号触发及采集系统夯筑八遍铺土20cm记录仪图像；

图5为本发明六层铺土水平方向应力衰减图；

图6为本发明压力盒所受冲击应力随墙体高度变化规律示意图；

图7为本发明不同深度应力等值曲线图。

具体实施方式

本发明选用质量5.5kg的夯锤，压力盒量程为0.02-2mpa，压力盒直径小于30mm，压力盒数量为10个，动态采样频率为1000hz，测试区域面积为4m²（2m×2m）。

下面结合附图对本发明技术方案再作进一步的说明：

一种用夯锤夯筑土体加固土遗址的方法，其步骤包括：

（1）测前检查

土压力盒1水平放置，接通电源后应预热半小时，当电路中的电阻稳定后清零，测试其数值波动小于其测量精度，可进行数据采集；

（2）夯实整平

土压力盒1布设的基础层，需通过铲除虚土区域整平，并采用石杵（平底夯锤重15kg，直径18cm）至少对基础层夯筑6～8次，确保基础层足够密实；

（3）铺砂

对摆放土压力盒1的点进行标记，在摆放标记土压力盒基础层上的位置铺砂，厚度2-4mm，铺砂面积不小于土压力盒1表面积的3倍，目的是消除介质不均匀引起的应力局部差别；

（4）压力盒布设

将土压力盒1水平置于所铺砂层之上，一般间距不小于10cm，确保土压力盒1居中且光洁面向上，用手轻压土压力盒1两侧，确保其不会发生移动；土压力盒引线5蛇形分布，从基础层引出，对土压力盒的编号及压力盒引线编码做好记录；

（5）铺土

在压力盒引线5上铺压少量的试验用土，固定压力盒引线5，然后从土压力盒1的正上方慢慢压土，覆盖土压力盒1，当所有土压力盒1覆盖完成后，按试验所需在土压力盒1上进行铺土，铺土厚度为12-20cm，确保土压力盒1不会发生偏移；

（6）数据采集

压力盒引线5与数据采集器4连接，实时采集土压力盒1的数据，采样频率为1000hz，数据开始采集之后，为保证数据的准确性，中途不得停止，直至试验完成；

（7）触发传感器安装及夯筑方法

在夯锤2平面处安置触发器3，触发器3为振动传感器或为电容传感器，其能够在夯锤2与土体6接触的瞬间激发采集信号；对于同一铺土厚度夯层，一般夯筑八遍，采集每一遍夯锤的冲击力。从图5可以看出，第一遍，铺土接近基础层，土虚，数据采集器4显示夯锤冲击应力小，随着夯筑遍数的增加，第七遍数据采集仪显示夯锤冲击应力最大，第八遍数据采集仪显示夯锤冲击应力几乎保持不变或开始衰减，此时，土体6已经达到了夯实密度。

夯筑方式按照第一遍冲海窝，第二遍打银锭的方式进行夯筑，第三遍-第八遍夯筑方式冲海窝和打银锭交替进行夯筑，夯筑方向平行于土压力盒布设方向，并采集土压力盒所受压力数据及做功时间；

（8）多层叠压应力影响范围测试

夯锤2的夯击冲击力影响范围相对较大，不同层数的应力值不相同，水平方向整体衰减较竖直方向更快，图5显示多层叠压水平应力范围测试。一般情况铺土6次。从图6可以看出：其夯锤夯击冲击力衰减较快，第六层几乎监测不到夯击冲击作用，其第六层夯击监测冲击力不足第一层铺土厚度夯击冲击力的1/15。

（9）竖直方向夯锤作用力衰减规律

土遗址墙体共有六层铺土，每层夯筑八遍。每层铺土厚度分别为20cm，16cm，12cm，12cm，12cm，12cm，土压力盒1所检测的冲击应力也会越来越小。图6显示，第一层土压力盒的波动示数为0.38kpa，随着土遗址墙体高度的增加，到第六层时土压力盒的波动示数接近其最小量程0.2kpa。曲线变化可以分为三个阶段，墙体高度10cm-20cm为第一阶段，曲线斜率最大且近似直线，20cm-40cm为第二个阶段，曲线斜率变小，40cm-70cm为第三阶段，曲线斜率最小。根据土体夯实密度冲击应力统计值发现，冲击应力y和夯层高度x之间存在y=a+be^x/c，且拟合相对较好（每层均夯筑7遍时冲击应力实测值统计分析见图6，拟合方程见下表）。

夯锤叠压层密实冲击力拟合方程式

（10）制作应力等值曲线图

在夯土中等间隔线性布设土压力盒1，采集不同铺土厚度夯筑土压力，将不同层水平向应力衰减所测的数据从第一层至第n层对齐正向叠加，对这些应力点进行网格划分，将数值相同的点平滑连接即得到应力等值曲线图。