土遗址城墙EICP加固技术研究

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我国土遗址分布广泛、种类繁多,具有较高的历史文化及科学价值。部分土遗址在发掘开挖后,遭受环境中温度、湿度、风侵、日蚀等多种自然及人为因素的干预,将对土遗址造成不同程度的损坏。因此,加强对土遗址的保护与加固技术研究具有重要意义。脲酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术,通过脲酶将尿素水解出CO32-,与溶液中的Ca2+共同参与到土体矿化中形成碳酸钙沉淀,提高土体强度,为土遗址加固提供新思路。本课题以新郑门土遗址城墙为研究对象,为了减少研究过程对土遗址所造成的破坏,配制物理及力学性能相近的仿遗址土作为试验土样。利用EICP技术,对仿遗址土开展拌合、注浆渗透加固试验,研究EICP技术对仿遗址土的加固效果,并通过扫描电镜对加固机理进行分析;对加固前后土样开展冻融循环试验,研究冻融作用对土样抗剪强度的影响;根据新郑门土遗址城墙基本情况,建立土遗址城墙有限元模型,利用强度折减法分析加固前后城墙稳定性及抗冻融性能,主要研究内容及成果如下:(1)根据新郑门遗址土基本物理性质及古代建筑技术特点,取开封古城墙附近土体为基础土样,加入生石灰进行仿遗址土试验。参照遗址土抗剪强度得到相应石灰掺量的仿遗址土试样,作为后续试验用土。(2)配制不同氯化钙掺量试样,对仿遗址土进行EICP加固,通过直剪试验得出各组土样抗剪强度值,并对土样微观形貌进行分析。结果表明:EICP加固后的土颗粒表面及土颗粒间生成的碳酸钙晶体,加强土颗粒间的连接,并有一定封堵孔隙的作用。其中随着氯化钙掺量的提高,具有胶结作用的碳酸钙晶体生成量不断增加,土样抗剪强度不断升高。(3)采用不同水头压力模拟注浆渗透试验,通过对加固后土样的抗剪强度分析,测定不同水头压力对土样的加固距离及加固效果影响。结果表明,随着注浆压力的增大,加固距离不断增长,在加固距离范围内,随着距离延长,加固效果逐渐降低。根据氯化钙掺量与土样抗剪强度关系,得出加固范围内土体的等效氯化钙掺量。(4)根据注浆渗透试验结果,选择合适的注浆压力,并得出相应的加固距离,按照加固范围内等效氯化钙掺量配制加固土样,进行冻融循环试验,并对冻融作用后的土样进行扫描电镜分析。结果表明,随着冻融循环次数的增多,加固前后两种土样内部孔隙变大、碎屑颗粒脱落、结构密实度逐渐下降,劣化程度不断加强,土样粘聚力及内摩擦角均呈现降低的趋势。对于经历60次冻融循环,加固前、后土样粘聚力分别下降31.17k Pa、35.26k Pa,降幅分别为57.01%、49.36%。经EICP加固后的仿遗址土试样,内部生成的碳酸钙晶体,使土颗粒间胶结作用增强,同时具有封堵孔隙的作用,减缓了土样在冻融作用下的劣化情况。(5)依据新郑门土遗址城墙实际情况,通过有限元软件,建立土遗址城墙模型,结合室内试验结果,对加固前后土遗址城墙稳定性进行研究。结果表明,经EICP加固后土遗址城墙的稳定性有所提高。另外在城墙有滑坡风险时,分析得出加固后的土遗址城墙抗冻融循环次数由303次提高至359次,较加固前提高了18.48%;在土遗址城墙发生失稳破坏时,抗冻融循环次数为415次,提高了17.23%。
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