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楊官寨遺址墓葬區地層剖面土的性能特征研究

作者:未知

  摘 要:楊官寨遺址墓葬區的地層剖面包含豐富的歷史文化信息,對考古學研究及博物館展示具有重要意義,亟待保護加固。該地層剖面層位眾多,為掌握不同層位土體的性能及工程分類,對各地層土樣分別進行了X射線衍射、顆粒組成、界限含水率、土體密度及天然含水率的測試。經研究發現各地層剖面的礦物質組成基本一致,含水率、密度普遍偏低,土質較為疏松,容易風化。各地層土均為細粒土,具體可以分為粉土、黏土和粉質黏土三類,不同地層的土體需篩選出具有針對性的保護材料及加固工藝,研究結果可以為篩選提供科學依據。
  關鍵詞:楊官寨;地層剖面;工程性質;分類
  引言
  楊官寨遺址是研究仰韶文化及廟底溝文化的重要資料,曾經先后兩次入選“中國十大考古新發現”,包括房址、灰坑、環壕、陶窯和大型墓地等多種類型的遺跡,數量眾多,意義重大。①其中于2015年發現的楊官寨墓葬區遺址②范圍較大,遺址區內部保存有若干隔梁和關鍵柱,其上賦存豐富的考古地層信息。未來將在原址上建立楊官寨遺址博物館③,考古發掘過程中遺留的這些地層信息將成為重要的展陳內容。
  考古地層是古代人類生存環境、人類文化及發展信息的載體,是遺址考古發掘、資料整理研究等各個環節的關鍵資料,通過對考古地層的研究,可以了解當時的生產生活環境及生產力水平高低,具有重要的科學價值及意義。④以往多將考古地層剖面視為均質土體進行保護,對各層剖面均采用同種加固材料與加固工藝,并未對每層土體進行針對性保護,在保護修復后可能會出現地層間界限模糊等問題。⑤楊官寨遺址墓葬區地層剖面蘊含著廟底溝等時期的歷史文化信息,不僅對考古發掘、資料整理研究有重要意義,還是未來遺址博物館的重要展示內容,有利于博物館觀眾更深入地了解楊官寨遺址。受自然環境的影響,地層表面風化嚴重,出現了裂隙、沖溝及龜裂紋等多種病害,剖面界限模糊,嚴重影響了對它的觀察與展示,因此亟須開展防風化保護加固研究。
  在現階段的文物保護工程實踐中,主要采取對土體表面噴灑或滴滲保護材料的方法進行防風化保護,根據目標土體的工程性質及賦存環境的特點,選取合適的保護材料與加固工藝。⑥楊官寨墓葬區遺址的全部地層剖面共15層,其中廟底溝時期的文化層有5層⑦,加固的主要目標是保持原有的地層結構信息,保持原有顏色、密度、結構等。由于不同地層間土的密度、顆粒成分、礦物成分等存在差異,為實現地層剖面的差異化加固,需要對影響加固效果的密度、礦物成分、顆粒組成及界限含水率等關鍵性能指標進行分析測試,根據測試結果研究具有針對性的加固工藝。
  目前,圍繞楊官寨遺址已經做過的保護研究主要包括以下方面:一是對楊官寨遺址的壕溝、灰坑劣化機理的研究;二是對防風化保護材料的初步研究①,已經探明包括壕溝、灰坑及文化層部分土壤的含水率、pH值、腐殖質、鈣、鎂、氯化物、硫酸鹽、二價鐵和土壤的微觀結構,但關于土的礦物組成、土壤密度、顆粒成分及界限含水率等工程性質還未有研究,尚不能滿足對其進行科學保護的要求。因此,本文將從楊官寨遺址墓葬區各地層剖面土的顏色、礦物組成、顆粒成分、界限含水率、土壤密度及含水率等方面展開研究,根據研究結果對各地層進行合理化分類,并制訂實驗室防風化保護試驗方案。
  1 試驗樣品與試驗方法
  1.1 土樣采集
  對遺址西北角正在發掘的邊緣立面處進行取樣并試驗,該立面包含全部的15層地層(不含耕土層),從上至下依次編號為1~15,其中最下方5層地層(編號11~15)與關鍵柱上5層廟底溝時期的文化層對應。采樣時采用人工從上至下依次采樣,每一地層取兩個試樣,所有土試樣均妥善密封,防止濕度變化,嚴防暴曬或冰凍,避免運輸過程的振動,土樣具體信息見表1。
  1.2 試驗方法與樣品制備
  試樣的制備主要參照中華人民共和國水利部編寫的土工試驗方法標準(GT/T50123—2019)。②
  1.2.1 礦物成分分析
  按照干粉末試樣制備方法進行土樣制備,利用日本理學SmartLab X射線衍射儀(儀器最大功率為9千瓦,金屬銅轉靶,XY空間樣品臺)分別對15層地層的土樣進行測試。
  1.2.2 含水率
  采用烘干法進行試驗,每一地層取兩個試樣進行平行測定,取其平均值作為該地層的含水率測試結果。
  1.2.3 密度
  采用蠟封法進行試驗,每一地層取兩個試樣進行平行測定,取其平均值作為該地層的密度測試結果。
  1.2.4 顆粒分析試驗
  采用粗篩法聯合激光粒度分析儀法進行試驗,粒徑大于0.1毫米的部分采用粗篩法進行試驗,粒徑小于0.1毫米的部分采用珠海歐美克公司的集成LS-909激光粒度分析儀(濕法測試范圍:0.02~2100微米,重復性誤差:<±0.5%,準確性誤差:≤1%)進行試驗(濕法)。
  1.2.5 界限含水率試驗
  采用液塑限聯合測定法進行試驗,每一地層取兩個試樣利用無錫市華南實驗儀器有限公司WX-Ⅱ型光電液塑限聯合測定儀(圓錐下落至讀數顯示時間:5秒,測讀精度:0.1毫米,估讀:0.05毫米)進行平行測定,取其平均值作為該地層的界限含水率測試結果。
  2 試驗結果
  2.1 礦物成分分析
  土壤礦物的組成、結構和性質對土壤理化性質、生物化學性質有著深刻影響,對鑒定土壤類型、識別土壤形成過程有著重要的作用。試驗結果如圖1及圖2所示,1~15層地層的X射線衍射圖譜衍射峰位置基本一致,但衍射強度有細微差別。
  其中衍射峰位置基本相同,說明1~15地層的土壤礦物成分基本一致,主要為石英、含鎂方解石、高嶺石、白云母及鈉長石,衍射強度有細微差別說明各地層之間對應的礦物含量存在一定差異,這說明1~15地層是相同或相似的母巖風化形成的土壤。總體而言,1~15地層并無明顯差別,因此需進一步根據顆粒組成及界限含水率等結果對其工程特性進行進一步分析研究。值得一提的是,各地層的礦物成分均有含鎂方解石,這會造成土體凍融性較差,當土體反復凍融之后,易產生風化破壞。   2.2 含水率
  土的含水率是影響加固效果的一個重要因素,含水率試驗結果見表2。
  由于該地層剖面已露明較長時間,試驗結果也表明含水率趨于一致,1~15地層含水率差別不大,普遍較低,其中第8、10、12地層的含水率介于2%~3%之間,第9地層含水率介于3%~4%之間,其余地層的含水率均處于1%~2%之間。通常情況下,土壤含水率偏低時,土中基本只有強結合水,強結合膜太薄,加上粒間有摩阻力及引力,土顆粒間移動性差,不夠密實,容易受自然環境的影響,造成病害發育。
  2.3 密度
  土的密度不同,土的滲透性能也有較大差異,直接影響加固深度等,土的密度測試結果見表3。
  試驗數據表明,1~15地層的土體密度差別較大,按照密度可將土層分為三類,其中第1、2、9地層的密度介于1.6~1.8克每立方厘米之間,第8地層密度介于1.8~1.9克每立方厘米之間,其余地層的密度均處于1.4~1.6克每立方厘米之間。一般情況下,密度較小的土孔隙度較大,土壤通氣性能較好,但是土質較疏松,容易因降雨、降雪、刮風等氣候變化產生病害發育,需要做好表面防風化保護加固措施。
  2.4 顆粒組成
  土的顆粒組成不同,既影響土的密度和孔隙性,也反映土的成分差異,試驗結果如表4。
  實驗數據表明,1~15地層土的組成粒組為砂粒、粉粒及黏粒,其土壤中顆粒直徑大于0.075毫米的質量均不超過全量的50%,因此1~15地層均屬于細粒土。土壤顆粒組成影響著土體的黏結性、可塑性、脹縮性及吸附結合水的能力,由于細粒土所含粒組多為粉粒及黏粒,故具有一定的黏結性、可塑性和脹縮性,通氣透水性較差。在選擇防風化保護加固材料時,應選擇滲透性及透氣性較好的保護材料,在實際保護加固中可以取得更好的加固效果。
  2.5 界限含水率
  界限含水率是判別土的性質的重要參數,試驗結果如表5。
  實驗數據表明第1、3、13地層土的塑性指數(Ip)均小于10,第8地層土的塑性指數(Ip)大于17,其余地層土的塑性指數(Ip)均大于10小于17,根據建筑地基基礎設計規范(GB50007-2011),第1、3、13地層為粉土,第8地層為黏土,其余地層均為粉質黏土。黏土與粉質黏土均屬于黏性土,在多數情況下二者工程力學特征具有一定相似性,均有熱容量大、溫度穩定、容水量大、滲透性較差、水穩定性好、濕潤時具有較高的塑性和黏結性等特點,其中黏土較粉質黏土而言,其滲透性較差而膨脹性較好。粉土的性質介于砂土與黏性土之間,具有遇水分散、失水凝聚、滲透性好、水穩定性較差和崩解性較強等特點。因此在保護材料的選擇上應該充分考慮到這三種土的工程特性,由于三種土滲透性有差別,對黏土及粉質黏土進行保護加固,在保證加固效果的前提下選擇濃度較低、更易滲透的加固材料進行常壓滴滲,而對粉土可以選擇濃度較高的保護材料進行表面噴灑滲透。
  3 討論
  從實驗及分析結果來看,1~15地層土體的天然含水率和礦物組成雖然有細微差別,總體來說基本一致,但土的顏色、顆粒成分、塑性指數、密度存在較大差異。土的顏色主要有淺褐色、灰褐色、褐色、深褐色四類;由其顆粒組成及界限含水率結果可將1~15地層細分為粉土、黏土和粉質黏土三類,第1、3、13地層為粉土,第8地層為黏土,其余地層均為粉質黏土;從密度上以1.6克每立方厘米為界限可分為兩類。根據這三類指標可以將該地層剖面劃分為九個類型,即灰褐色高密度粉土(第1層)、灰褐色高密度粉質黏土(第2層)、褐色低密度粉土(第3層)、褐色低密度粉質黏土(第4~7層)、深褐色高密度黏土(第8層)、深褐色高密度粉質黏土(第9層)、灰褐色低密度粉質黏土(第10~12層)、深褐色低密度粉土(第13層)、淺褐色低密度粉質黏土(第14、15層)。這九類土對加固材料、加固量、加固工藝等方面要求會有一定差別,其差別是影響加固效果的主要因素,因此有必要開展不同類型土的防風化加固材料及加固工藝的選擇與研究。在進行室內及室外模擬試驗時,應充分考慮九類土的性能差別,對其區分對待。
  4 結論
  通過對楊官寨遺址墓葬區關鍵柱包含地層的土進行試驗分析,得到以下結論:
  ①1~15地層的礦物成分、含水率變化不大,各礦物含量有細微差異,含水率基本小于3.12%。
  ②土的顏色主要有淺褐色、灰褐色、褐色、深褐色四類,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,土的類別有粉土、黏土、粉質黏土三類,主要為粉質黏土。根據顏色、密度、土的類別可將15層土合并為九個類型。
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