遗址土作为一种物质成分和内部结构特征复杂的多组分材料,其劣化机理和力学性能备受关注。以开封州桥遗址为例,随着开封市现代化建设的日益深入,位于开封闹市区的州桥土遗址现状不容乐观。州桥遗址主要以粉质黏土为主,材料强度较低、水敏性差,且所在地区自然环境复杂,遗址表面已经发生大面积开裂,其本体的稳定性逐渐降低。受文物保护的限制,考虑到土遗址具有唯一性,在土遗址表面开展试验研究存在难度。因此,在满足对土遗址最小干预的原则下,分析遗址土劣化机理及演化规律,并建立遗址土宏–微观尺度下物理力学特性之间的联系是遗址保护领域的首要任务。本文以分子动力学和微观结构为基础,选择以数值模拟的方式对遗址土进行研究,建立遗址土材料的微观结构、组成和性能之间的关系,进而分析劣化机理。通过把遗址土假定为土颗粒和孔隙所组成的两相复合材料,构建遗址土微观结构特征与宏观力学性质之间的联系,利用ABAQUS有限元软件对遗址土的损伤和破坏过程进行研究。旨在实时跟踪分析土遗址的劣化进展,并对土遗址的本体安全进行评价,为保护土遗址和修复提供借鉴依据。主要研究内容及结论如下:（1）基于分子动力学（MD）模拟方法,提出了纳观尺度下遗址土的力学性质分析方法。借助Material Studio 7.0模拟软件采用分子动力学方法,建立了主要成分为黏土基矿物（蒙脱石）和水分子组成的州桥遗址土纳观结构模型,其中水和土呈叠层分布的结构特征。通过对周期性边界分子模拟盒施加竖向位移,应用LAMMPS软件对不同的遗址土纳观模型分析力学性能进行分析,得到了不同含水率的遗址颗粒材料的应力应变关系。（2）基于遗址土扫描电子显微镜（SEM）图像,根据遗址土的孔隙率大小和图像二值化处理技术,考虑到计算效率、结构组成及工程需求,选取了放大500倍的SEM图像进行微观结构重建,建立了多边形和圆形孔隙模型。通过对遗址土的电镜图片进行阈值处理,将土样划分为土样和孔隙组成的两相结构,应用ABAQUS软件对土样进行微观结构重建。基于非饱和遗址土孔隙周围颗粒是一种均质材料的假定,孔隙周围的土赋予分子动力学模型得到的力学性质。通过单轴压缩模拟,对比分析了不同孔隙形状对微观模型性能的力学响应及劣化形态产生的影响,发现多边形孔隙模型模拟结果与试验结果较为吻合,更能反应土样在荷载作用下微观结构的变化情况。（3）为探究干缩环境作用对遗址表层开裂的影响,开展了遗址土干缩正交试验,为微观结构模型结果的验证提供试验依据。利用极差分析、图像处理技术、表面强度测定和微观结构特性分析,探究土层厚度、含水率、时间等因素对遗址表层裂隙形态特征的影响。干缩作用下,土层厚度是影响遗址土开裂的最不利因素,土层厚度越薄,含水率越低,开裂越严重;而初始含水率是影响遗址土表面强度降低的最不利因素,表面土样比内部的强度低、裂隙多。分析SEM图片结果发现,在干缩条件下土样内部裂隙的形状特征多为粒间裂隙,由于土样内部的颗粒团聚体的粒径随着裂隙率的减小而减小,基于表面张力的作用机制,当土样的粒径不断增大,土样的持水能力变弱,其颗粒间微观作用力逐渐增大,最终导致土样表面发生裂隙。（4）通过开展遗址土微观尺度裂隙的演化模拟,揭示了遗址土劣化机理和演化规律。通过对建立的多个遗址土微观数值模型进行模拟分析,利用玫瑰图和位移场矢量图分析了多个方位的劣化情况,更精准模拟土样开裂位置情况,得到了微观尺度下分析遗址土劣化机理和演化规律。土样裂隙演化过程可归纳为:拉应力场、单根主裂隙、二级横向、三级竖向裂隙、裂隙网络的形成。上层土比深层土更容易产生较大的收缩变形,并引起竖向裂隙的发展。因水分子迁移路径长度不同,随着水分迁移路径趋于稳定,水平裂隙成为土样裂隙发展的主要因素;分析裂隙率玫瑰图发现,上半部分的土样裂隙率普遍比下半部分高;宏观试验和数值模拟结果较为吻合表明该模型能较好地反映粉质黏土微观损伤的产生和演化发展情况。