深入研究青海明長城夯土遺址有著怎樣的特性？
談及明長城，民間有“東起山海關(guān)、西至嘉峪關(guān)”的說法，而對(duì)青海境內(nèi)明長城情況，人們知之甚少。青海境內(nèi)明長城始建于明嘉靖二十五年(1546)，主要由夯土墻、壕塹、敵臺(tái)、關(guān)堡和烽燧等形式構(gòu)成。經(jīng)歷400余年歲月的更替和自然的變遷，大量的遺址已消失殆盡，只有部分得以遺存。遺存著的明長城遺址，長期以來，受自然等因素的影響，許多遺址發(fā)生變形破壞甚至倒塌毀滅。因此，應(yīng)用地質(zhì)工程學(xué)科的理論和方法對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究，為青海境內(nèi)明長城遺址保護(hù)提供有益參考，是件很有意義的事情。
一、建造特征
明代在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，秉承了“因地制宜、就地取材”的原則，建造技法以“夯土版筑”為主，每版寬度大致在2-4m左右，夯土層厚0.12-0.20m，墻體上有栣木，栣木直徑不等。明代長城的修筑技藝集歷代之大成，在結(jié)構(gòu)工藝、用料、修筑質(zhì)量及防范措施都有了較大的改進(jìn)和提高。首先，在用料方面，先選土并翻土，經(jīng)一年多的風(fēng)吹日曬，減少土內(nèi)的鹽分，然后運(yùn)至所筑長城之處，用雨水或河水拌土夯筑，筑墻時(shí)做到筑夯的力度技巧。其次，為使長城堅(jiān)固，筑城者先開挖基槽，逐層夯筑，直到所需高度。從目前保留下來的長城城墻來看，石夯錘與版筑法的廣泛運(yùn)用，保證了長城的夯筑質(zhì)量。
二、物理性質(zhì)特征
物理性質(zhì)是量化研究夯土性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，包括天然含水量、天然密度、比重、孔隙率和顆粒粒度組成等內(nèi)容。通過對(duì)青海境內(nèi)大通、湟中和門源境內(nèi)明長城取得的原狀樣品進(jìn)行的物理性質(zhì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)(表1、表2)，表明青海境內(nèi)明長城具有以下一些特征:首先，夯土體材孔隙較為發(fā)育，因此含水量受雨水影響較大，當(dāng)降雨過后，大量雨水滲入土體的空隙中，造成土體的含水量居高不下，而伴隨著強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，土體含水量很快恢復(fù)到較低的水平。其次，夯土中粘粒含量較少，分布于14-17%之間，級(jí)配多屬不良，不均勻系數(shù)多位于11-19之間，曲率系數(shù)位于1-6之間。再次，土體天然密度不一，在1.51-1.88之間分布，表明夯筑時(shí)夯筑力度與技法存在較大差異?；谝陨先c(diǎn)實(shí)驗(yàn)，不難分析得出以下結(jié)論:由于明長城就地取材和人工夯筑的建造特征，導(dǎo)致其物理性質(zhì)存在較大的差異性和不均一性，從而在含水率、孔隙率、孔隙比、干密度、液限、塑限、塑性指數(shù)、比重、崩解速度等工程地質(zhì)性質(zhì)指標(biāo)的數(shù)值上表現(xiàn)出較大的離散性。
三、水理性質(zhì)特征
水理性質(zhì)是反映土體水穩(wěn)性的重要指標(biāo)參數(shù)，包含崩解性質(zhì)和稠度性質(zhì)兩個(gè)方面，是了解土體相態(tài)變化的基本方法。青海境內(nèi)大通、湟中和門源明長城取得的原狀樣品的崩解實(shí)驗(yàn)和界限含水量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表3):3處的夯土崩解速度都較大，位于11-40.13%之間，其中門源夯土崩解速度最小，而湟中較大;3處夯土的液限含水量分布比較均勻，在16.69-19.8%之間;液限含水量分布則較為離散，在27.66-33.93%之間分布。鑒于青海境內(nèi)幾處明長城遺址夯土的水理特性表現(xiàn)出的上述特征，夯土材料的耐水性較差，在降雨的影響下，很容易發(fā)生飽和，從而引發(fā)雙電層之間產(chǎn)生斥力，使土顆粒的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致土質(zhì)由固態(tài)向液態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，在遺址表面發(fā)生一定距離的流動(dòng)和蠕動(dòng)，進(jìn)而在長城夯土表面形成沖溝和片狀剝蝕等。
四、力學(xué)性質(zhì)特征
力學(xué)性質(zhì)又稱強(qiáng)度，是與土遺址穩(wěn)定性密切相關(guān)的重要參數(shù)，包含抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度三個(gè)方面，是土遺址變形破壞的直接判據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明(圖1、圖2):青海明長城夯土體抗拉抗壓強(qiáng)度較小且具有明顯的各向異性，表現(xiàn)為垂直方向的抗壓強(qiáng)度高于水平方向的抗壓強(qiáng)度;垂直方向的抗拉強(qiáng)度則低于水平方向的抗拉強(qiáng)度;在土體的夯筑過程中累計(jì)擊實(shí)功最大，垂直層面上的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平行層面。抗剪強(qiáng)度總體來說較低，同時(shí)體現(xiàn)出隨著正應(yīng)力增長而線性增長的趨勢(shì);湟中、大通夯土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的數(shù)值均較小，而門源明長城夯土的抗剪強(qiáng)度數(shù)值較為異常，最大可達(dá)400Kpa，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的數(shù)值均超出一般粉質(zhì)粘土的均值范圍。
要對(duì)土遺址實(shí)施有效地保護(hù)，必需從掌握土遺址的構(gòu)筑材料性質(zhì)開始。本研究以湟中、大通和門源境內(nèi)的明長城夯土為例，從夯土的物理特性、力學(xué)特性、水理特性等幾方面對(duì)青海境內(nèi)的明長城開展研究，旨在為日后的文物保護(hù)提供借鑒依據(jù)?？傮w說來，青海境內(nèi)明長城遺址夯土材料的力學(xué)性質(zhì)較差，這與當(dāng)時(shí)的夯筑工藝、取材以及多年的環(huán)境變遷有著極為密切的關(guān)系。
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