印山越王朝墓葬坑边坡加固技术研究

印山越王朝墓葬坑边坡加固技术研究

1复合化学材料近年来，预防风化恢复一直是研究户外石头文化遗产的重点之一[1.4]。主要内容包括岩石风化机制和产物分析、岩体稳定性分析、裂缝缝合加固、危险岩体锚架加固（锁）、石材表面处理、石材表面化学加固和保护。其中化学加固与封护会在文物本体上引入其他材料,操作工艺和危险系数增大,因而使用起来必须慎之又慎。现阶段国内常用的化学材料包括无机类材料、小分子化合物、高分子聚合物、复合材料、纳米材料和生物材料等几类,目前对此普遍形成以下认识:(1)无机材料耐老化性能好,但部分情况下会加剧石质文物的风化;(2)砂岩地区应当尽量使用含硅类材料进行加固,因其老化以后二者产物接近;(3)加固前后岩石强度不应差异过大,否则会导致应力分布不均匀;(4)石刻表面整体封护时必须考虑加固材料的渗透深度及其憎水梯度,否则反而会加剧其风化程度。由此可见,石刻表层化学加固与封护存在很多制约因素,只有在某些特定条件(例如降低水气影响等)和充分试验的基础上才可实施。本文结合印山越国王陵墓坑边坡加固实例,根据室内和现场加固试验,研究化学材料对特定岩壁的加固效果,得出一些有益结论,对类似工程也有指导依据。2项目总结2.1墓葬形制及其现存状况印山越国王陵位于绍兴市WS约13km,西距书法圣地兰亭约2.5km。该王陵为越王勾践之父允常的墓葬,也是迄今发现的第一座越国王陵,距今约2500a,为全国重点文物保护单位。印山越国王陵的发现被评为“1998年度全国十大考古发现”之一,因此其具有很高的考古、建筑和艺术价值。该陵墓在山岩中凿成,采用甲字形墓葬形制,由墓坑和墓道两部分组成。其中墓坑北侧和西侧为高11.5m、坡角80°的岩质边坡,北侧边坡长46m,西侧边坡长14m,为斜交坡。墓坑边坡的形态反映了当时陵墓的修建过程,具有一定的历史意义。由于边坡岩体强度较低,并且受雨水入渗侵蚀,加之裂隙较发育,致使岩壁表层风化,并且局部存在崩塌和剥落等破坏现象,威胁到墓坑内的文物和游客安全,因此应当进行加固。2.2合理安排暗沟和集水场根据设计方案,墓室内外防渗措施采取了“堵疏结合”的方法,即在墓室外增加地面防渗铺盖以及排水沟,同时在墓室内设置排水暗沟和集水井。目前该部分工程已经结束,这也为墓坑边坡加固创造了有利条件。2.3法律依据及加固方案本次加固对象主要是墓坑内的边坡。与别处户外石质文物不同,其具备以下几点特殊条件:(1)考古发掘之后,曾经使用锚杆和混凝土连梁对其进行加固,边坡整体处于稳定状态;(2)墓室内外已经采取了防渗措施,基本解决了墓坑内渗水问题;(3)边坡表面不存在题刻或其他图案;(4)墓室整体处于外部保护建筑之内,属于相对封闭的环境。边坡加固设计单位为湖北省文物保护技术中心、中国地质大学(武汉)和龙门石窟研究院,施工单位为南京博物院。施工过程是依据国家文物局批复的设计方案进行的。根据设计方案,边坡化学加固首先需要进行试验研究,内容包括:(1)室内试验分析化学材料的加固效果;(2)通过现场加固试验进行验证。3矿区地质概论3.1印山文化旅游印山越国王陵处于江山—绍兴古陆碰撞拼贴带偏西北侧,区内地貌为山前丘陵地带,呈一系列NE~SW向展布的串珠状剥蚀残丘。无区域性断裂穿过,小褶曲、断裂较发育。印山为相对独立小山包,主峰海拔高41.7m。大墓坐西朝东建于印山135主峰之上。3.2地下水渗流期及其土壤类型本区属于亚热带季风型,气候温润,四季分明,雨量充沛。区内地下水分为强风化基岩孔隙裂隙–第四系孔隙水和基岩裂隙水两类。地下水主要补给源为大气降水入渗。3.3地层及墓坑上的小层岩墓区顶部为第四系残坡积、坡洪积和人工堆积土层,墓道入口及墓坑南壁为寒武系下统荷塘组浅黄色薄层泥岩,墓坑北壁、西壁和墓坑底南侧以及墓道南北两侧为寒武系下统荷塘组灰黑色、灰色薄层硅质岩和黄灰色泥岩,底部夹灰色页岩。此外还有一近EW向的燕山期褐红色、褐色斜长玢岩,主要分布在墓坑中央。3.4层理和节理发育墓坑周围硅质岩以层状结构或层状碎裂结构为主,斜长玢岩以块裂结构或碎裂结构为主。硅质岩岩层产状变化较大,层理和节理发育,岩体被切割成块状,其规模一般为0.01~0.30m3。在各组结构面中,层面多为贯通性结构面,张开度较好,而且倾角大,为降水入渗提供了通道。根据钻孔岩芯的测试结果,岩石风干抗压强度为15.0~21.3MPa,饱和抗压强度为9.5~9.9MPa,RMR=32~44,属于软岩,岩体强度较低。4化学加固试验的过程4.1由裂隙切割成碎块试块的制备取样地点位于墓坑内北侧及东南侧岩壁(靠近墓道附近)。由于条件所限,无法钻孔取样。岩块内含泥量较高,且多被裂隙切割成碎块状,因此现场所取石块尺寸不均。将石块切割加工成20mm×20mm×20mm和50mm×50mm×20mm两种尺寸的试块,误差小于1mm。加工好的试块在110℃烘箱烘干冷却,编号备用。其中前者用于测定试块强度和耐久性能,后者用于测定试块光泽度和色差。4.2岩相分析强化采用X射线荧光光谱仪(XRF)分析化学成分,采用X射线衍射仪(XRD)分析矿物成分,并用数码视频显微镜进行岩相分析。结果表明所取岩样为硅质岩,主要化学成分为SiO2,Al2O3,其次为Fe2O3,K2O等,主要矿物成分为石英,基质为石英、长石和云母,胶结物为黏土和褐铁矿。4.3加固剂和药剂的选用根据设计方案,同时查阅相关资料,最终选择6种化学加固材料(见表1)和配比。其中,苯丙乳液和水性环氧乳液是设计方案中选用的材料,硅丙乳液、水性氟碳乳液(主剂为FEVE树脂)和正硅酸乙酯为增加的材料。正硅酸乙酯对多孔、细粒、颗粒中含有羟基的软弱岩石加固效果明显。为能够对比试验结果,参照以往经验,水性加固材料的固含量统一为5%,非水性的正硅酸乙酯采用原液和原液与无水乙醇体积比1∶1的稀释液。4.4加固条件和测试内容(1)试块渗透加固方法。实验室中石质文物常用的渗透加固方法包括涂刷法、常压渗透法和真空减压渗透法等几种。涂刷法比较接近施工情况,但其渗透深度和均匀性难以保证;常压渗透法(即浸泡法)通过毛细作用将材料渗透至试块内部,操作简单,且有一定可重复性和比较性;真空减压渗透法利用特殊设备提高了材料的渗透深度,主要应用于小型馆藏石质文物加固。综合考虑试验效果和现场加固条件,本次试验采用常压渗透法进行加固。(2)试块渗透加固时间。渗透加固时间并不是越长越好,其主要取决于加固材料的渗透性、固化时间以及试块的孔隙率。经过前期试验观察,由于试块体积较小,且孔隙率较高,故渗透加固5min便基本恒重。为便于和其他试验比较,因此统一固定为浸泡5min。(3)试块养护条件。渗透加固后的试块在不同湿度条件下经过不同时间的养护,对加固效果有较大影响。考虑到设备和时间所限,本次室内试验是将试块加固后直接在空气中放置一个月。(4)试验测试内容。对于文物保护而言,最关心的是文物外观状态的变化、力学强度变化、耐久性能的变化以及材料的渗透性能等。考虑到墓坑内所处环境,本次试验主要选择了以下测试内容:(1)光泽度和色差变化(外观状态);(2)单轴抗压强度变化(力学强度);(3)耐水性能变化(耐久性能中的一类);(4)切样观察(测量材料渗透性能)。5室内试验的结果与分析5.1加固前后两面质量比较对于文物加固应当尽量不改变其原有外观。本次外观试验包括测量试块加固前后光泽度和色差变化。色差值反映了被测物体色调、饱和度和亮度三者综合的变化值,光泽度表示物体表面接近镜面的程度。加固前后两者数值越低,表示加固材料对加固对象外观的改变程度越小。每种加固材料测定3块,每块测3次,结果取平均值。试验结果见表2。由此可知,除正硅酸乙酯外,其余材料加固后外观有较大改变。5.2加压速率用电子万能材料试验机测定化学材料加固前后的试块单轴抗压强度。试验时每样测定5块,加压速率为5mm/min,结果取平均值。由表3可知,经过加固后试块强度均略有提高,其中,以正硅酸乙酯加固试块强度为最高,提高率达32%,其次为正硅酸乙酯与无水乙醇体积比为1∶1的稀释液,提高率为14.4%。5.3加固后试块的性能耐久性能变化是衡量化学材料加固效果的重要指标之一。由于墓坑内最大的地质病害为岩体裂隙渗水,因此水是此次影响加固耐久性能的最主要因素。据此选择试块吸水性能、吸湿性能、耐盐浸湿性能和耐冻融性能等几项测试,其试验结果见表3。(1)吸水性能。水是户外石质文物风化的重要原因之一。水的机械冲刷和结冰时产生的膨胀压力会削弱岩石强度,此外水中的盐类和酸性物质还会加剧岩石的物理化学腐蚀作用,因此化学材料加固后应当适度降低岩石的吸水率,但降低过大也可能会造成透气性的下降,对保护不利。吸水性能常用吸水率表示。本次试验是将试块在水中浸泡48h,然后测量其质量的变化(用百分率表示),即代表试块吸水率。每组各取3块,结果取平均值。未加固试块的吸水率为12.73%,经过加固后,试块吸水率与不加固的相比都略有下降,其中前4种材料加固后吸水率下降幅度较正硅酸乙酯略大。原因是这些材料只能渗透到试块表层,堵塞了表层空隙,且在试块表面成膜,阻碍材料的进一步渗透,同时其憎水性也造成试块表面张力增大,故使加固材料的渗透速度和深度下降。(2)吸湿性能。绍兴处于江南地区,在夏季由于墓室内外温湿度相差较大,且墓室处于相对封闭的环境,故在岩壁表面可能会存在凝结水。凝结水会加剧岩石的物理和化学风化作用。因此加固材料既要阻止液体水的进入,又要使加固后的试块具有一定透气性。室内试验时可以测定吸湿性能来反映试块的透气性。吸湿性能的测定是将试块置于一定湿度下的密闭容器中,测量试块质量随时间的变化,直至质量基本不变,即在该湿度和室温下,吸湿达到平衡。本次测试时先将试块置于烘箱中在50℃低温烘干24h(选择50℃烘干是因为部分加固材料的耐热性在80℃左右,温度提高会使加固材料的质量和性质发生变化),试块烘干后在干燥器中冷却并称重,然后置于相对湿度为97%密闭容器中,定期称重和计算不同时间的吸湿率(即质量增加百分率),每组各测定3块,结果取平均值。由结果可知,试块加固后仍有一定吸湿率,这说明其具有一定的透气性。其中未加固试块吸湿率最大,水性环氧乳液和正硅酸乙酯加固后的试块吸湿率相对较低,综合之前的分析结果,原因是前者在试块表面成膜,阻挡了水气的通过,而后者则是使试块表层或内部孔隙率降低。(3)耐盐浸湿性能。尽管加固后的试块吸水和吸湿性能有所下降,但仍然会受到水的侵蚀。地下水都含有盐分,在反复干燥和饱和过程中,盐分结晶会产生较大压力,从而导致岩质边坡表层酥松和粉化,因此试块的耐盐浸蚀性能也很重要。本次试验采用饱和硫酸钠溶液。将加固后的试块用饱和硫酸钠溶液浸泡12h,再在105℃~110℃下烘干8h,冷却4h后再浸泡12h,如此反复循环,直至其出现严重缺陷为止。由于试块原本多孔脆弱,即使经过加固,其耐盐性仍较差。苯丙乳液、硅丙乳液、水性环氧乳液和水性氟碳乳液加固后的试块均在2个循环后起皮、崩散,相比较而言,经正硅酸乙酯加固的试块3个循环后基本完好,耐盐性相对较好。(4)耐冻融性能。户外石质文物易受冻融作用影响。水结冰时其体积会增大约9%,冰在0℃~-20℃之间不断使其自身体积膨胀,因此可能产生较大压力。在这种力的反复作用下,最终将使岩石崩解或碎裂。冻融作用产生的条件是足够的温差和适量的水分,以上2种条件在印山越国王陵墓室内都具备,再加上岩石自身抗压强度较低,因此有必要对加固后的试块进行耐冻融试验,以检验加固效果。将试块先在水中浸泡8h,取出后立即放置于-10℃低温箱中24h,然后在50℃烘箱中烘干16h,再次取出,如前操作,按此周期反复循环,直至试块破坏。每组3块,共进行8个循环。由结果可知,经过高低温交变循环后,加固后的试块耐冻融性能都略有提高,但表面先后均出现了裂纹。从外观看正硅酸乙酯及其与无水乙醇体积比为1∶1的稀释液的耐冻融性能相对较好。5.4石物理状态的改变来推定加固材料需要渗透到岩石内部才能起到加固作用,因此其渗透深度也是一项重要指标。加固材料的渗透性与其自身性能(如分子量、溶剂类型、固化方式等)、岩石性能(孔隙度、含水率及裂隙充填物等)和渗透时间相关。测量加固材料的渗透深度分为直接和间接2种方法。前者通过切样观测来判断加固材料渗透深度,后者则依靠分析岩石物理状态(如强度、波速等)的改变来推测加固材料渗透深度。两者各有优缺点:直接观测比较直观,但要破坏样品,此外有时还要区分溶剂和溶质的不同渗透深度;间接观测无须破坏样品,且可以结合其他试验共同完成,但此时测量结果仅具有相对比较性。受试块和测试条件所限,本次试验仅采用直接观测来判定在规定时间内加固材料的渗透深度,因此也可以理解为在渗透初期加固材料的渗透速度。将加固材料小心滴加到试块的表面,保持表面有足够的加固材料,1h后吸干表层液体,小心剖开试件,用直尺测量渗透深度,每组测定3块试件,结果取平均值。各种加固材料对试块的渗透深度有明显的差别。水对试块的渗透速度最大,1h完全渗透。其次是正硅酸乙酯,渗透深度为12mm,正硅酸乙酯与无水乙醇体积比1∶1的稀释液加固渗透深度为15mm,而其他加固材料渗透深度仅为1~3mm。岩石一般由极性物质组成,而水、正硅酸乙酯和乙醇也为极性物质,因此从“相似者相容”原理来看,正硅酸乙酯渗透性更好,而其他几种材料则由于在试块表面成膜,故渗透性相对较差。5.5几种加固材料对岩石表面进行改性通过以上试验结果可知,经过正硅酸乙酯加固的岩石试块效果相对较好:其外观状态改变最小,而单轴抗压强度和耐水性能有所提高,此外正硅酸乙酯的渗透性能也优于其他材料。几种化学加固材料具有不同的加固特点和机制:苯丙乳液、硅丙乳液和水性氟碳乳液具有高耐候性、强附着力、耐水性能优良等特点,但会在表面成膜,故加固后会改变岩石表面外观;水性环氧乳液是由主剂和固化剂组成的双组份加固材料,固化后形成坚硬的、热固性的交联聚合物。其特点是黏结强度大,适合作为岩石黏结加固材料,但由于黏度大,难渗透,且易泛黄,故对岩石表面外观影响较大;正硅酸乙酯依靠烷氧基团与岩石内羟基反应,并通过分子间聚合起到增强和加固作用。由于分子量小,因此渗透性较好。6现场试验和结果6.1化学加固试验现场加固试验前必须清除灰尘,否则只能加固岩壁表面灰尘。根据室内试验结果,正硅酸乙酯采用原液与无水乙醇体积比为1∶1的稀释液,选择局部岩壁进行化学加固试验。化学加固方式主要为针管注射、吊瓶滴注以及表面喷淋等几种:(1)对于严重风化的表层部位喷淋正硅酸乙酯若干遍。(2)对于岩体表面裂隙,采用针管注射或者吊瓶滴注正硅酸乙酯进行加固。(3)加固后对岩壁表面进行作旧处理。6.2正硅酸乙酯在岩石学加固中的作用经过一段时间后,对现场加固试验效果进行检测:(1)目测。加固前后岩壁颜色改变不明显,而碎石剥落和崩塌现象则明显减少。(2)手触。岩壁加固前风化层手触感觉较软,手拨轻松可掉;加固后岩壁表层手触感觉明显变硬,手拨不易掉块。(3)色差测定。通过测量加固前后颜色的变化,证明岩壁化学加固前后颜色改变不大,是在可以承受的范围之内。(4)回弹仪测定强度。鉴于条件所限,无法测量加固前后岩体波速的变化,但根据类似经验可以采用加固前后岩体回弹值进行替代。通过测量表明加固后岩壁表层强度略有增加。根据现场试验过程和结果来看,利用正硅酸乙酯进行岩壁加固是可行的,但仍需要注意以下几点:(1)由于正硅酸乙酯渗透性能较好,因此其主要是作为严重风化表层或者细小裂隙部位的渗透加固材料。(2)正硅酸乙酯的浓度和用量需要根据现场情况进行适当调整。(3)对于部分裂隙发育和局部碎裂、掉块部位还要采取其他化学材料进行加固。7加固和表层化学加固根据设计方案,印山越国王陵墓坑边坡加固分为微型锚栓加固和表层化学加固2种方式。保护的主要目的是加固岩壁风化层和防止表层碎石崩塌。为防止锚栓钻孔施工时可能对化学加固产生的影响,应当先埋设微型锚栓后再实施表层化学加固。7.1化学锚栓的加固根据实际情况,此次边坡微型锚栓加固材料选择化学锚栓。化