第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
我国是世界上土遗址种类最丰富，数量最庞大的国家之一。在人类的发展进程中，生活在黄河流域的祖先们开始认识并掌握土这种天然建材，逐渐造就了诸如半坡遗址、西夏王陵遗址、长城、锁阳城遗址、新疆的楼兰、交河遗址等举世闻名的土质建筑遗址。其中明长城耗时最久、规模最大、防御体系最完善。我国西北地区由于干旱少雨的气候条件使大多土遗址墙体得以留存至今，但是由于复杂特殊的露天开放式赋存环境，以及受自然环境作用、地质灾害及人类活动的影响，大量土遗址正岌岌可危或已经走向消亡[1]，其承载的历史信息大量流失，价值严重受损[2]。调查显示，史书记载的长城，如今有墙体屹立的地方不到三分之一[3]。
甘肃省永登县境内汉代长城和明代长城并存，汉明长城南北贯穿永登境内，汉明长城及沿线烽燧，是汉明时期边防设施的重要组成部分，证明了永登在当时的政治和军事战略的重要性，是研究汉明时期边防军事防御体系的有力证据。其修筑时间跨度大，修筑范围广，具有较高的见证历史生产力和地形地貌演变的价值。但是随着当代农业生产规模的扩大，农田边界逐步逼近长城墙体，灌溉水长期集中积于长城墙体根部，导致墙体基础掏蚀发育，墙体破坏严重，亟待解决。
永登长城是明长城防御体系的重要组成部分，但是随着当代农业生产规模的扩大，农田边界逐步向长城墙体逼近，灌溉时间长灌溉量大，灌溉水长期频繁作用于长城墙体根部，西北地区夏季雨热同期、冬季低温干燥，干湿循环作用显著，导致墙体根部掏蚀病害发育严重、墙体坍塌破坏严重。基于此，本文以永登两个区段的明长城墙体为研究对象，通过野外调查、室内试验和数值模拟，探究农田灌溉对明长城遗址墙体工程地质性质的影响。农田灌溉一般发生在夏季，而遗址所处区夏季高温炎热，降雨量少，蒸发量大。所以遗址根部土体频繁历经灌溉水迁移增湿-高温蒸发减湿的循环作用。设计室内干湿循环试验，探究经历干湿循环后，遗址土物理性质、水理性质、力学性质及微观结构的变化。并利用所获参数和 FLAC3D软件进行数值模拟，得出遗址墙体的应力应变云图，进一步解释灌溉对遗址墙体的影响。
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1.2 研究现状
土遗址保护较石质文物而言，起步较晚、保护研究工作较为薄弱。近年来，经济效益明显改善，国民生活质量显著提高，绿色、环保、生态、可持续成为时代主流。环保、可持续的传统生态民居建筑受到越来越多的人的青睐[4]。夯土建筑以其绿色可持续、环境友好的特点备受推崇。国内外掀起传统夯土遗址研究的热潮。
1.2.1 土遗址病害类型、成因及保护加固技术研究
土遗址保护离不开对病害类型及成因的探索，在调查病害类型及分析病害成因的同时，保护加固措施的探索工作陆续展开。赵海英等[5]概括西北地区土遗址分布的主要病害，并探索其原因。王旭东[6]选取代表性的石窟与土建筑遗址，探索其赋存环境、保护加固材料技术与效果，为今后西北地区遗址保护加固奠定基础。赵海英[7]探究得出甘肃境内长城遗址的主要病害是风蚀及表面风化，开展 PS材料的室内及野外加固遗址试验，验证了 PS 加固材料的抗风化能力。于晓敏[8]、吴少敏等[9]、徐晓君等[10]、梁涛[11]、郝宁等[12]分别以塔城市绥靖城城墙遗址、麟州故城、嘉峪关关城夯土遗址、新疆地区土遗址、高昌故城为研究对象，实地调查病害类型，并分析成因。王旭东[13]就干旱环境下土遗址保护研究现状及主要问题进行分析，总结保护技术的最新研究成果和进展。白建云等[14]调查分析西北地区主要病害及其成因，并提出对应的保护加固措施，证明 PS 材料加固土遗址的有效性。赵明霞[15]就我国土遗址的主要病害及成因进行分析，并提出加固保护方法。周环等[16]以潮湿地区塘山遗址为研究对象，探索 PS（硅酸钾）、WD-10（十二烷基三甲氧基硅烷）、WD-S（低聚甲氧基硅烷）、RTV（聚有机硅氧烷+硅酸乙酯）4 种保护材料各自的优势与劣势。丁梓涵等[17]、赵治瑞[18]、阿布都艾尼·阿不都拉[19]、陈平等[20]、樊东等[21]分别以山丹县小寨段明代夯土长城、骆驼城遗址、高昌故城城墙、榆林明长城遗址、统万城遗址为研究对象，调查主要病害类型，并就相应的加固措施进行探索。
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第二章 遗址赋存环境及灌溉条件下掏蚀病害分布特征
2.1 地理位置概况
研究对象位于甘肃省兰州市永登县。永登县（E 102°36′-E 103°45′，N 36°12′-N 37°07′）地处西北内陆，位于甘肃省中部，省会兰州的西北方向 91 km 处。与景泰县、皋兰县、红古区、西固区、民和回族土族自治县、天祝藏族自治县毗邻。如图 2-1 所示。
图 2-1 永登县地理位置
2.2 区域地质环境
2.2.1 地形地貌
永登县位于青藏高原东北部、黄土高原地带、祁连山支脉东延及陇西沉降盆地的过渡地带，海拔 1590-3650 m，地势由北西向南东倾斜，最高点是与天祝藏族自治县交界的天马岭（海拔 3650 m），最低点是庄浪河河谷（海拔 1590 m）。根据永登县形态特征及地貌成因（图 2-2），可划分为以下三个类型：
（1）剥蚀—堆积黄土丘陵：分布于永登县中南部，为黄土梁、峁。黄土覆盖于白垩系、新近系地层之上。庄浪河西为沟壑—梁峁丘陵。
（2）侵蚀—堆积河谷、盆地平原：分布在庄浪河、大通河河谷及秦王川盆地，南北向平行展布，地势平坦开阔，由北向南倾斜。
（3）侵蚀—构造中低山：分布在县北、西北部一带。山地主要由震旦、奥陶系变质砂岩、片岩、千枚岩以及加里东期闪长花岗岩组成。 由永登县地貌图可知，研究对象位于大通河河谷一侧，部分段落位于黄土低深沟谷坡肩，地形平坦、开阔。
图 2-2 永登县地貌图
第三章 基于干湿循环的物理性质变化规律 ...................................... 17
3.1 试验用土基本物理性质 ......................... 17
3.1.1 颗粒分析试验......................... 17
3.1.2 比重试验............................ 18
第四章 基于干湿循环的力学性质变化规律 ...................................... 44
4.1 表面硬度测试 ................................... 44
4.2 纵波波速测试 .......................................... 46
4.3 无侧限抗压强度试验 ........................ 48
第五章 灌溉条件下墙体的应力应变及稳定性数值分析 .................. 58
5.1 FLAC3D数值模拟 ................................... 58
5.1.1 模型设计.................................... 58
5.1.2 工况设计.................................. 59
第五章 灌溉条件下墙体的应力应变及稳定性数值分析
5.1 FLAC3D数值模拟
5.1.1 模型设计
尺寸设计依据野外勘察结果及历史资料。设计土遗址墙体上宽 2 m，下宽 3 m，高度 5 m，夯土层高度 0.25 m，共计 20 个夯土层，19 个夯土层界面。图 5-1 和图 5-2 分别为原始夯土墙体与经历过灌溉作用影响的墙体。现场调查发现，不同于盐害、风力等形成的弓形柱体状和半弓形柱体状掏蚀病害，墙体底部由于受灌溉引发的干湿交替的外界环境影响，粘聚力大大降低，尤其是夯层界面粘聚力极低，破坏方式主要为沿着夯层界面掉落，所以底部的掏蚀区空间形状近似为长方体。因此设计如图 5-3 和图 5-4 所示的发育掏蚀病害的墙体。
图 5-1 原始墙体 图 5-2 受灌溉影响墙体
第六章 结论与展望
6.1 主要结论
随着当代农业规模的扩大，农田边界逐步向长城墙体靠近，灌溉水长期集中作用于长城墙体根部，导致墙体底部掏蚀病害发育严重、墙体破坏严重。本文以永登明长城中的汪家湾和五里墩两个区段长城墙体为研究对象，通过野外调查、资料收集，探究永登明长城的赋存环境及两个立面底部掏蚀病害的分布规律；通过简化野外环境设计室内干湿循环试验，探究遗址土体在经历过干湿循环之后在物理性质、力学性质及微观结构上的变化；通过易溶盐测试、压汞测试、电镜测试，探究干湿循环和夯层界面对盐分迁移及土体微观方面的影响；通过 FLAC3D数值模拟和稳定性计算，探究灌溉作用及掏蚀病害对墙体内部应力、应变和位移，及稳定性的影响。本文所得主要结论如下：
（1）通过野外调查、资料收集发现，永登县境内的汪家湾长城和五里墩长城紧邻农田耕地，灌溉的影响主要作用于墙体的西立面（靠农田一侧），墙体西立面掏蚀病害的深度和高度显著大于东立面，局部坍塌等病害也较东立面更为严重。
（2）通过室内干湿循环试验发现，干湿循环次数和夯层界面的添加对试样的物理、力学、水理性质都有所影响。物理性质发生改变：当干湿循环次数增加时，试样底面的劣化较为明显，掉渣现象较为严重，同时试样侧面也产生纵向和横向裂纹；质量损失率先保持不变，后逐渐增大；试样的宽度先逐渐增大后保持不变，试样的高度先保持不变，后逐渐下降；试样的干密度先逐渐下降后保持稳定。土颗粒粒径逐渐减小，黏粒含量增加，粉粒含量减小。水理性质有所改变：受制样方式的影响较小，主要受到干湿循环次数和所处位置的影响。力学性能降低：当干湿循环次数增加时，试样不同部位的硬度表现出不一样的变化规律，试样上部变化较小，试样中部硬度值逐渐增加，试样下部硬度值逐渐降低。当干湿循环次数增加时，纵波波速呈现降低趋势；试样的抗压强度整体呈下降趋势，土体的抗压能力减弱；试样的抗剪强度整体呈下降趋势，抗剪强度指标也呈降低趋势。
参考文献（略）