1 绪论
1.1 选题背景及意义
土遗址是以土为主要建筑材料的具有历史、文化、和科学价值的古遗址[1]。我国是世界文明古国之一，土遗址包含的历史过程从石器时期绵延至近代。土遗址具有分布广、类型多、组成复杂、历史实证性和不可再生性等特征。在对土遗址的发掘及保护过程中由于外应力和内应力的复合作用，导致遗址土表面松弛起壳形成片状剥蚀现象；在风、雨、水、盐结晶、日晒、冻融等单独或复合作用下，土遗址被不断掏蚀凹陷；各种因素形成的裂隙或裂缝会导致土遗址坍塌或冲沟病害；城市建设（建筑、道路的修建，交通荷载）增加了遗址土的应力，抬高了土遗址周围的高程，改变了土遗址周围的自然环境，加速了遗址土的劣化。因此，正确认识导致土遗址病害的诱发因素极其劣化机制，加强土遗址保护理念，加快修复技术的研发刻不容缓[2]。
河南作为华夏民族文明的重要发源地之一，目前保存的古城址约 320 多座，如新密古城寨、郑韩故城、开封新郑门遗址等。这些土遗址主要由粉土或粉质粘土夯筑而成，由于粉土特殊的颗粒级配特征，颗粒骨架结构稳定性差，毛细管路通畅，水敏性较强[3]。与西北地区干旱少雨环境下的土遗址病害形成机制[4]（风、盐分等）不同的是，河南地区土遗址多为开放景区或周边遍布农田，出现的遗址土劣化多与人为活动或降雨积水、地下水位的反复升降等所导致的荷载及含水率动态变化有关。
新郑门土遗址位于河南省东部华中平原腹地的开封市，钻探形制图如图 1-1 所示。开封市北邻有“地上悬河”之称的黄河，据历史记载遭受数次水患入侵，使数座古城池深深淤埋于地面之下 3 米至 12 米处，上下叠压着 6 座城池，新郑门土遗址“城摞城”的罕见景观便是因此形成，如图 1-2 所示。由于黄河在开封附近多次决堤并侵入开封城，故遗址所在地地势较为平坦，土壤类别多为粉土和粉质黏土。根据勘测时含水层所处位置的土壤条件及水理特征，可判定该遗址发掘区内的地下水类型为潜水，因此对土遗址稳定性造成影响的含水量主要来源于由大气降水及环境湿度变化。
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1.2 研究现状
1.2.1 土遗址保护研究现状
土遗址在外营力作用下，如降水、温度变化、生物活动等，导致其原有的矿物成分、强度和形态等性状无法维持出现劣化。国内外学者针对干湿、冻融循环与盐渍过程对膨胀土、湿陷性黄土、盐渍土等土体性质已进行了较为系统的研究，取得了较为理想的结果。相对而言，土遗址的研究成果较少，尤其遗址土劣化宏观表象的细观结构变化研究较少。针对遗址土劣化的宏观表象，主要集中在对土遗址的修复材料[8-11]、修复技术[12-15]和保存环境[16-18]三个方向进行研究。
应用各种现有材料或新材料经过一定方法处理来对土遗址进行修复或加固是目前常用的文物保护方法。已有的研究包括加固用的水溶性高分子固化材料 SH、钙基液态水硬性加固材料、硅酸乙酯类加固材料和针对裂缝修复用的灌浆材料 PS、烧料礓石改性注浆材料等[8-11]。
魏国峰等[8]针对潮湿土遗址研发了钙基液态水硬性加固剂，通过加固试验验证了该加固剂在保护过程中生成产物渗透性的优越性和对土样加固效果提示的明显性，该加固剂成适合潮湿环境土遗址的一种新型加固材料。
刘建[9]针对土遗址裂隙的治理，对注浆材料与注浆工艺不断尝试改进，丰富了西北地区土遗址裂隙注浆材料的种类，给出了针对不同宽度规模裂隙的注浆工艺，已处于经验型应用阶段，对土遗址裂隙加固具有一定的指导作用。
谌文武[10]通过试验对比了新型高分子材料 SH-（C+F）和常用注浆材料 PS-（C+F）的力学性能、水理性能、抗冻性能等；通过数据分析认为两种材料的力学性能相当，但前者的耐久性相对更好。试验结果对西北地区土遗址裂隙加固材料的多元化有重要的参考意义和指导作用。
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2 新郑门遗址土稳定性力学模型及分
2.1 新郑门土遗址概况
2.1.1 新郑门土遗址历史及现状
开封城，作为北宋都城（称为东京），长达 167 年之久，历经数千年沧海桑田，昔日繁华的东京城，已成为历史遗迹，深埋地下 8-10 米。经文物部门的努力，北宋东京外城遗址的位置与范围已经探明，其中新郑门为外城西墙之“正门”。根据考古成果，平面呈长方形，为一座长方形瓮城，南北长 165 米，东西宽 20 米，主城门宽约 30 米，城墙宽 10-20 米，保存高度在 2-4 米。遗址外围城墙现存宽度约为 18-23 米，遗存高度约为 1-4 米，新郑门遗址整体埋藏深度在 6-8 米。近年来，为展示新郑门的形制，展现开封“城摞城”遗址奇观，在对新郑门遗址本体及周围遗址进行了考古挖掘后，开封市打造了“新郑门遗址博物馆”。目前遗址博物馆已形成展示规模，通过展示可以看出，新郑门的主城门为一门三道布局，分别为中门道、北门道、南门道。北宋时期的各种建筑遗迹和构件基本无存，残存宽度 8 米；北门道现存夯土基槽，基槽平面呈长方形，断面呈倒梯形，开口平面东西 23 米，南北 6 米。在发掘区的北部和南部，遗存可见一个相对完整的清代村落。院落、房屋、道路、农田、水井、灶台、树木等所有生活中的场景在遗址都能得到全面真实的再现。
在发掘区内，以上所述两个时期的遗迹都相对完整的在各自时期的地层中保存着，高度差仅有 4 米之多，给观者以强烈的冲击感，新郑门土遗址开挖现状及三维扫描全景照如图 2-1 和图 2-2 所示。作为土遗址的展示博物馆，新郑门遗址博物馆在土遗址保护上仍有相关技术问题亟待解决：土遗址在被挖掘展现后，遗址土体虽然一直不受地下潜水的影响，但将面临空气中水分、湿度、温度以及人为活动等一系列新环境的影响，进而对土体的强度及其稳定性产生影响，这对土遗址安全保护来说，存在一定的风险。
通过实际调研，博物馆围绕展示遗迹设置了参观路线，今后随着博物馆的开放，大量游客沿参观路线行走，遗址周边的可变荷载随之增大，这种状况，亦将会对土体的稳定造成影响。由于上述问题的存在，目前新郑门遗址博物馆尚未完全对外开放。
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2.2 新郑门土遗址稳定性分析力学模型
2.2.1 突变理论力学模型
突变理论发展成为非线性科学研究中一个重要分支之后，在岩土工程中得到了广泛应用。康仲远[58]在 1984 年建立了最早的岩体失稳破坏的突变模型，其力学模型如图 2-5（a）所示，将岩体简化为水平直梁，水平力 N 作用于两端，中部受集中力 P 的作用。根据挠度曲线函数给出初始形状方程为：
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3.1 有限元模型的建立 .................................. 29
3.1.1 简化计算模型 .................................... 30
3.1.2 物理力学参数 ..................................... 31
4 基于弹性滑体的尖点突变模型分析 .................................. 47
4.1 基于尖点突变的分析方法 ...................................... 47
4.2 刚性滑体的尖点突变模型分析 ........................... 48
5 结论与展望 .................................... 65
5.1 结论 ................................. 66
5.2 展望 ................................ 66
4 基于弹性滑体的尖点突变模型分析
4.1 基于尖点突变的分析方法
基于突变理论的特点，用尖点突变模型分析解决工程地质问题，一般可采取以下步骤：
（1）通过现场勘察和对其所处环境的分析，进行相的实验或模拟等处理方法，建立相应的地质模型；
（2）根据工程实际问题同时考虑地址模型系统中各介质的力学性能，简化出相应的力学模型；
（3）根据力学模型，以能力原理求出系统的势函数表达式V(x)，然后利用泰勒展开、变量替换等手段将势函数化为尖点突变的标准形式：
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5 结论与展望
5.1 结论
本文基于新郑门土遗址历史现状、环境特征、地层岩性特征和水文地质条件等概括分析；利用有限元模拟和数据分析运用 MATLAB 拟合给出了新郑门土遗址非线性介质的本构关系；针对土体失稳存在软弱面以上滑体变形的实际现象，对刚性滑体力学模型进行修正，建立了弹性滑体平面滑动失稳力学模型；基于突变理论的分析方法，建立了遗址土稳定性突变模型，推导得出了按下滑力与抗滑力之比定义的稳定性系数关系式，并给出含水率对土体稳定性影响的关系曲线，得出的主要结论如下：
（1）基于有限元分析和 MATLAB 拟合给出非线性介质本构关系。
参考文献（略）