發(fā)布時間：2020-11-20 00:34

　　 在長期自然和人為因素的影響下,夯土遺址病害頻發(fā),其中漸進式劣化是威脅遺址本體長期保存的主要病害之一,根部掏蝕則最為典型且破壞力最強。雨水沖刷、風沙磨蝕、水鹽運移和溫度梯度變化均是脆弱夯土建筑遺址破壞的主要影響因素。受建造工藝影響,夯土遺址層界面相對較脆弱,層界面最先出現(xiàn)表面風化、橫向裂隙發(fā)育、局部掏蝕懸空,在重力作用下局部拉裂或壓碎,最終形成貫通層狀裂隙直至坍塌,這是威脅遺址本體長期保存的主要因素之一。絲綢之路中國段沿線地震頻發(fā),且多屬于強震區(qū),據(jù)統(tǒng)計,有記載以來絲綢之路沿線6級以上地震共220次,7級以上53次,而地震是導致根部掏蝕遺址坍塌的主要誘因,是造成遺址本體坍塌的主要外動力。本文基于對傳統(tǒng)夯筑工藝文獻的梳理,通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合室內(nèi)實驗、現(xiàn)場夯筑工藝和足尺靜動力模擬實驗,在科學認知傳統(tǒng)夯筑工藝質(zhì)量影響因素和控制指標的基礎(chǔ)上,揭示了夯土結(jié)構(gòu)薄弱層界面的影響,闡明了傳統(tǒng)夯筑工藝從相土驗土、結(jié)構(gòu)特征、工具匹配、營造模數(shù)、夯筑技法等系統(tǒng)工序;結(jié)合模擬實驗建立了疊壓夯筑工藝的力學模型,科學分析了傳統(tǒng)夯筑工藝夯擊應(yīng)力的收斂特征;揭示了漸進式根部掏蝕墻體的應(yīng)力重分布和墻體漸變式失穩(wěn)機制;基于足尺原位、掏蝕45%墻厚模擬振臺實驗,通過數(shù)值模擬揭示了夯土墻體的靜動力響應(yīng)特征,建立了靜動力作用下夯土遺址墻體互饋機制及穩(wěn)定性計算模型,提出了夯土遺址穩(wěn)定性評估和夯筑加固技術(shù)控制指標。主要研究結(jié)論及創(chuàng)新點如下:(1)通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合室內(nèi)實驗、現(xiàn)場夯筑工藝實驗,科學認知了傳統(tǒng)夯筑工藝質(zhì)量的影響因素和控制指標,揭示了薄弱層界面對夯土結(jié)構(gòu)的影響,闡明了傳統(tǒng)夯筑工藝從相土驗土、結(jié)構(gòu)特征、工具匹配,到營造模數(shù)、夯筑技法等的系統(tǒng)工序特征。(2)傳統(tǒng)工藝夯擊應(yīng)力及效果測試表明,沖擊應(yīng)力隨著夯擊錘的重量增大、鋪土厚度減薄及夯擊遍數(shù)的增加,整體呈增大趨勢;隨著夯筑遍數(shù)增加,夯窩、夯實厚度、沖擊力及彈性模量等逐漸收斂,夯筑1-4遍增長速率最快,4-6遍次之,6-8遍相對緩慢,8遍以后趨于穩(wěn)定;基于此建立了夯錘重量、鋪土厚度和夯筑遍數(shù)三變夯擊應(yīng)力計算模型和經(jīng)驗式,揭示了逐層疊加夯筑法這一古代夯筑工藝技術(shù)的突出特征。(3)漸進式的掏蝕是遺址根部局部坍塌及整體失穩(wěn)的主要途徑,漸進式掏蝕凹進模擬實驗表明,墻體高厚比2:1~2.5:1時,隨著根部逐漸掏蝕,掏蝕深度在墻厚0-10%范圍內(nèi),墻體自身應(yīng)力無明顯變化,10%-20%時掏蝕側(cè)局部區(qū)域壓應(yīng)力明顯增加,20%-40%時墻體掏蝕壓應(yīng)力迅速增大,未掏蝕側(cè)拉應(yīng)力明顯增大,墻體掏蝕深度超過45%壓應(yīng)力急劇增大,未掏蝕側(cè)拉應(yīng)力顯著增加,且拉應(yīng)力逐漸超掏蝕側(cè)平移,直至掏蝕側(cè)應(yīng)力集中區(qū)壓碎或墻體重心偏移,墻體坍塌破壞。(4)基于足尺原位和掏蝕45%墻厚模擬振臺實驗,形成了一套土體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、位移及加速度,三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)的監(jiān)測裝置,為足尺夯土墻體振臺實驗研究積累了經(jīng)驗。(5)基于足尺原位和掏蝕45%墻厚模擬振動臺實驗結(jié)果,結(jié)合數(shù)值模擬分析了不同工況條件下靜力和在地震荷載作用下的穩(wěn)定性及響應(yīng)特征,分析了夯土遺址建模技巧、研究方法及主要影響因素,建立了夯土墻體靜動力作用下穩(wěn)定性計算模型。(6)通過建模分析原位和掏蝕45%墻厚模型,在靜力和地震荷載作用下的響應(yīng)特征,尋找到了主要破壞面、破壞形式和評價基準,提出了遺址體加固后穩(wěn)定性評價應(yīng)以原位狀態(tài)安全儲備為基準,為加固措施所需抗力和加固效果評價提供了可靠的理論依據(jù)。(7)根部掏蝕深度直接影響夯土墻體的整體穩(wěn)定性,在自重應(yīng)力作用下,墻體漸進式掏蝕深度超過墻體厚度45%時,在地震力作用下8度設(shè)防(400gal)墻體,墻體掏蝕深度超過墻厚的15%時,均從未掏蝕側(cè)的層界面拉裂,直至掏蝕側(cè)壓碎而破壞。地震荷載作用下,需要干預掏蝕深度不足靜力作用下的1/3。以上成果為夯土遺址傳統(tǒng)營造工藝的認知、傳承、挖掘和應(yīng)用提供了技術(shù)支撐,解讀了逐層疊壓式夯筑工藝的受力機制和科學內(nèi)涵,揭示了漸進式根部掏蝕夯土遺址應(yīng)力重分布、靜動力狀態(tài)的破壞機制,提出了根部掏蝕遺址在靜力和8度設(shè)防動力荷載作用下的干預閾值,為夯土遺址穩(wěn)定性評價和夯筑支頂加固技術(shù)深入研究指明了方向,為夯土建筑遺址價值發(fā)掘、工藝技術(shù)傳承和保護技術(shù)的科學化、規(guī)范化提供了支撐。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：K878;TU-87
【部分圖文】：

幾何模型完全按照第三章設(shè)計方案和第五章整體實驗模型實際尺寸建模�；�礎(chǔ)部分尺寸為3.0m×1.4m×0.5m,墻體部分總尺寸為2.72m×0.96m×2.15m(墻體底寬0.96m,整體收分頂部至0.60m),整體誤差不大于5mm�；�礎(chǔ)采用整體建模;墻體部分考慮夯層影響采用分層建模,按實驗要求建立33層墻體,每層層高0.065m,即墻體高度=0.065×33 2.15m,誤差不超過1mm,整體下部夯層相對較薄,上部夯層較厚,相差不超過2mm,夯層層界面薄層建立33層,每層層高取為1/15的墻體高度為0.004m,薄弱層厚度包括在每個夯層中,因此,夯層實際厚度為0.061m,幾何模型如圖6-1所示。(2)掏蝕墻體

幾何模型完全按照第三章設(shè)計方案和第五章整體實驗模型實際尺寸建模�；�礎(chǔ)部分尺寸為3.0m×1.4m×0.5m墻體部分總尺寸為:2.72m×0.96m×2.15m(墻體底寬0.96m,整體收分頂部至0.60m),整體誤差不大于5mm�；�礎(chǔ)采用整體建模;墻體部分考慮夯層影響采用分層建模,按實驗要求建立33層墻體,每層層高0.065m,即墻體高度=0.065×33 2.15m,誤差不超過1mm,整體下部夯層相對較薄,上部夯層較厚,相差不超過2mm,夯層層界面薄層建立33層,每層層高取為1/15的墻體高度為0.004m,薄弱層厚度包括在每個夯層中,因此,夯層實際厚度為0.061m,掏蝕區(qū)域掏蝕深度450mm,掏蝕高度560mm,掏蝕高度在第9層夯層,幾何模型如圖6-2所示。6.1.3 單元格劃分

原位墻體結(jié)構(gòu)劃分為基礎(chǔ)和墻體兩部分,其中基礎(chǔ)部分3.0m×1.4m×0.5m,長度方向單元格墻體接觸區(qū)域為保持和墻體單元格一致,長度方向單元格邊長為136mm,與墻體非接觸邊緣區(qū)域為70mm,寬度方向與墻體接觸區(qū)域為保持和墻體單元格一致,寬度方向單元格邊長為96mm,其余非接觸邊緣區(qū)域為74mm,高度方向單元格邊長均按照100mm分割,共計1920個單元格,單元形狀均為六面體。墻體部分2.72m×0.96m×2.15m,沿高度方向夯層33層,每層厚度為65mm,層界面33層,層界面厚度4mm,為了確保夯層與層界面單元獨立關(guān)系,夯層內(nèi)墻長方向單元邊長均為136mm,墻體寬度方向每層按照墻體收分均分單元格,33層單元格寬度均不同,最大為96mm、最小為60mm,高度方向夯層內(nèi)單元邊長均為65mm,共6760個單元,單元形狀為六面體和棱柱體;層界面墻長方向單元邊長均為136mm,墻體寬度方向每層按照墻體收分均分單元格,33層單元格寬度均不同,最大為96mm、最小為60mm,高度方向夯層內(nèi)單元邊長均為4mm,共6600個單元,單元形狀為六面體。原位模型單元數(shù)量共計15280個(見圖6-3)。圖6-3原位墻體Solid65單元格劃分示意圖
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本文編號：2890668