杨官寨遗址墓葬区地层剖面土的性能特征研究

作者:未知

  摘 要:杨官寨遗址墓葬区的地层剖面包含丰富的历史文化信息,对考古学研究及博物馆展示具有重要意义,亟待保护加固。该地层剖面层位众多,为掌握不同层位土体的性能及工程分类,对各地层土样分别进行了X射线衍射、颗粒组成、界限含水率、土体密度及天然含水率的测试。经研究发现各地层剖面的矿物质组成基本一致,含水率、密度普遍偏低,土质较为疏松,容易风化。各地层土均为细粒土,具体可以分为粉土、黏土和粉质黏土三类,不同地层的土体需筛选出具有针对性的保护材料及加固工艺,研究结果可以为筛选提供科学依据。
  关键词:杨官寨;地层剖面;工程性质;分类
  引言
  杨官寨遗址是研究仰韶文化及庙底沟文化的重要资料,曾经先后两次入选“中国十大考古新发现”,包括房址、灰坑、环壕、陶窑和大型墓地等多种类型的遗迹,数量众多,意义重大。①其中于2015年发现的杨官寨墓葬区遗址②范围较大,遗址区内部保存有若干隔梁和关键柱,其上赋存丰富的考古地层信息。未来将在原址上建立杨官寨遗址博物馆③,考古发掘过程中遗留的这些地层信息将成为重要的展陈内容。
  考古地层是古代人类生存环境、人类文化及发展信息的载体,是遗址考古发掘、资料整理研究等各个环节的关键资料,通过对考古地层的研究,可以了解当时的生产生活环境及生产力水平高低,具有重要的科学价值及意义。④以往多将考古地层剖面视为均质土体进行保护,对各层剖面均采用同种加固材料与加固工艺,并未对每层土体进行针对性保护,在保护修复后可能会出现地层间界限模糊等问题。⑤杨官寨遗址墓葬区地层剖面蕴含着庙底沟等时期的历史文化信息,不仅对考古发掘、资料整理研究有重要意义,还是未来遗址博物馆的重要展示内容,有利于博物馆观众更深入地了解杨官寨遗址。受自然环境的影响,地层表面风化严重,出现了裂隙、冲沟及龟裂纹等多种病害,剖面界限模糊,严重影响了对它的观察与展示,因此亟须开展防风化保护加固研究。
  在现阶段的文物保护工程实践中,主要采取对土体表面喷洒或滴渗保护材料的方法进行防风化保护,根据目标土体的工程性质及赋存环境的特点,选取合适的保护材料与加固工艺。⑥杨官寨墓葬区遗址的全部地层剖面共15层,其中庙底沟时期的文化层有5层⑦,加固的主要目标是保持原有的地层结构信息,保持原有颜色、密度、结构等。由于不同地层间土的密度、颗粒成分、矿物成分等存在差异,为实现地层剖面的差异化加固,需要对影响加固效果的密度、矿物成分、颗粒组成及界限含水率等关键性能指标进行分析测试,根据测试结果研究具有针对性的加固工艺。
  目前,围绕杨官寨遗址已经做过的保护研究主要包括以下方面:一是对杨官寨遗址的壕沟、灰坑劣化机理的研究;二是对防风化保护材料的初步研究①,已经探明包括壕沟、灰坑及文化层部分土壤的含水率、pH值、腐殖质、钙、镁、氯化物、硫酸盐、二价铁和土壤的微觀结构,但关于土的矿物组成、土壤密度、颗粒成分及界限含水率等工程性质还未有研究,尚不能满足对其进行科学保护的要求。因此,本文将从杨官寨遗址墓葬区各地层剖面土的颜色、矿物组成、颗粒成分、界限含水率、土壤密度及含水率等方面展开研究,根据研究结果对各地层进行合理化分类,并制订实验室防风化保护试验方案。
  1 试验样品与试验方法
  1.1 土样采集
  对遗址西北角正在发掘的边缘立面处进行取样并试验,该立面包含全部的15层地层(不含耕土层),从上至下依次编号为1~15,其中最下方5层地层(编号11~15)与关键柱上5层庙底沟时期的文化层对应。采样时采用人工从上至下依次采样,每一地层取两个试样,所有土试样均妥善密封,防止湿度变化,严防暴晒或冰冻,避免运输过程的振动,土样具体信息见表1。
  1.2 试验方法与样品制备
  试样的制备主要参照中华人民共和国水利部编写的土工试验方法标准(GT/T50123—2019)。②
  1.2.1 矿物成分分析
  按照干粉末试样制备方法进行土样制备,利用日本理学SmartLab X射线衍射仪(仪器最大功率为9千瓦,金属铜转靶,XY空间样品台)分别对15层地层的土样进行测试。
  1.2.2 含水率
  采用烘干法进行试验,每一地层取两个试样进行平行测定,取其平均值作为该地层的含水率测试结果。
  1.2.3 密度
  采用蜡封法进行试验,每一地层取两个试样进行平行测定,取其平均值作为该地层的密度测试结果。
  1.2.4 颗粒分析试验
  采用粗筛法联合激光粒度分析仪法进行试验,粒径大于0.1毫米的部分采用粗筛法进行试验,粒径小于0.1毫米的部分采用珠海欧美克公司的集成LS-909激光粒度分析仪(湿法测试范围:0.02~2100微米,重复性误差:<±0.5%,准确性误差:≤1%)进行试验(湿法)。
  1.2.5 界限含水率试验
  采用液塑限联合测定法进行试验,每一地层取两个试样利用无锡市华南实验仪器有限公司WX-Ⅱ型光电液塑限联合测定仪(圆锥下落至读数显示时间:5秒,测读精度:0.1毫米,估读:0.05毫米)进行平行测定,取其平均值作为该地层的界限含水率测试结果。
  2 试验结果
  2.1 矿物成分分析
  土壤矿物的组成、结构和性质对土壤理化性质、生物化学性质有着深刻影响,对鉴定土壤类型、识别土壤形成过程有着重要的作用。试验结果如图1及图2所示,1~15层地层的X射线衍射图谱衍射峰位置基本一致,但衍射强度有细微差别。
  其中衍射峰位置基本相同,说明1~15地层的土壤矿物成分基本一致,主要为石英、含镁方解石、高岭石、白云母及钠长石,衍射强度有细微差别说明各地层之间对应的矿物含量存在一定差异,这说明1~15地层是相同或相似的母岩风化形成的土壤。总体而言,1~15地层并无明显差别,因此需进一步根据颗粒组成及界限含水率等结果对其工程特性进行进一步分析研究。值得一提的是,各地层的矿物成分均有含镁方解石,这会造成土体冻融性较差,当土体反复冻融之后,易产生风化破坏。   2.2 含水率
  土的含水率是影响加固效果的一个重要因素,含水率试验结果见表2。
  由于该地层剖面已露明较长时间,试验结果也表明含水率趋于一致,1~15地层含水率差别不大,普遍较低,其中第8、10、12地层的含水率介于2%~3%之间,第9地层含水率介于3%~4%之间,其余地层的含水率均处于1%~2%之间。通常情况下,土壤含水率偏低时,土中基本只有强结合水,强结合膜太薄,加上粒间有摩阻力及引力,土颗粒间移动性差,不够密实,容易受自然环境的影响,造成病害发育。
  2.3 密度
  土的密度不同,土的渗透性能也有较大差异,直接影响加固深度等,土的密度测试结果见表3。
  试验数据表明,1~15地层的土体密度差别较大,按照密度可将土层分为三类,其中第1、2、9地层的密度介于1.6~1.8克每立方厘米之间,第8地层密度介于1.8~1.9克每立方厘米之间,其余地层的密度均处于1.4~1.6克每立方厘米之间。一般情况下,密度较小的土孔隙度较大,土壤通气性能较好,但是土质较疏松,容易因降雨、降雪、刮风等气候变化产生病害发育,需要做好表面防风化保护加固措施。
  2.4 颗粒组成
  土的颗粒组成不同,既影响土的密度和孔隙性,也反映土的成分差异,试验结果如表4。
  实验数据表明,1~15地层土的组成粒组为砂粒、粉粒及黏粒,其土壤中颗粒直径大于0.075毫米的质量均不超过全量的50%,因此1~15地层均属于细粒土。土壤颗粒组成影响着土体的黏结性、可塑性、胀缩性及吸附结合水的能力,由于细粒土所含粒组多为粉粒及黏粒,故具有一定的黏结性、可塑性和胀缩性,通气透水性较差。在选择防风化保护加固材料时,应选择渗透性及透气性较好的保护材料,在实际保护加固中可以取得更好的加固效果。
  2.5 界限含水率
  界限含水率是判别土的性质的重要参数,试验结果如表5。
  实验数据表明第1、3、13地层土的塑性指数(Ip)均小于10,第8地层土的塑性指数(Ip)大于17,其余地层土的塑性指数(Ip)均大于10小于17,根据建筑地基基础设计规范(GB50007-2011),第1、3、13地层为粉土,第8地层为黏土,其余地层均为粉质黏土。黏土与粉质黏土均属于黏性土,在多数情况下二者工程力学特征具有一定相似性,均有热容量大、温度稳定、容水量大、渗透性较差、水稳定性好、湿润时具有较高的塑性和黏结性等特点,其中黏土较粉质黏土而言,其渗透性较差而膨胀性较好。粉土的性质介于砂土与黏性土之间,具有遇水分散、失水凝聚、渗透性好、水稳定性较差和崩解性较强等特点。因此在保护材料的选择上应该充分考虑到这三种土的工程特性,由于三种土渗透性有差别,对黏土及粉质黏土进行保护加固,在保证加固效果的前提下選择浓度较低、更易渗透的加固材料进行常压滴渗,而对粉土可以选择浓度较高的保护材料进行表面喷洒渗透。
  3 讨论
  从实验及分析结果来看,1~15地层土体的天然含水率和矿物组成虽然有细微差别,总体来说基本一致,但土的颜色、颗粒成分、塑性指数、密度存在较大差异。土的颜色主要有浅褐色、灰褐色、褐色、深褐色四类;由其颗粒组成及界限含水率结果可将1~15地层细分为粉土、黏土和粉质黏土三类,第1、3、13地层为粉土,第8地层为黏土,其余地层均为粉质黏土;从密度上以1.6克每立方厘米为界限可分为两类。根据这三类指标可以将该地层剖面划分为九个类型,即灰褐色高密度粉土(第1层)、灰褐色高密度粉质黏土(第2层)、褐色低密度粉土(第3层)、褐色低密度粉质黏土(第4~7层)、深褐色高密度黏土(第8层)、深褐色高密度粉质黏土(第9层)、灰褐色低密度粉质黏土(第10~12层)、深褐色低密度粉土(第13层)、浅褐色低密度粉质黏土(第14、15层)。这九类土对加固材料、加固量、加固工艺等方面要求会有一定差别,其差别是影响加固效果的主要因素,因此有必要开展不同类型土的防风化加固材料及加固工艺的选择与研究。在进行室内及室外模拟试验时,应充分考虑九类土的性能差别,对其区分对待。
  4 结论
  通过对杨官寨遗址墓葬区关键柱包含地层的土进行试验分析,得到以下结论:
  ①1~15地层的矿物成分、含水率变化不大,各矿物含量有细微差异,含水率基本小于3.12%。
  ②土的颜色主要有浅褐色、灰褐色、褐色、深褐色四类,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,土的类别有粉土、黏土、粉质黏土三类,主要为粉质黏土。根据颜色、密度、土的类别可将15层土合并为九个类型。
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