深入研究青海明長(cháng)城夯土遺址有著(zhù)怎樣的特性？
談及明長(cháng)城，民間有“東起山海關(guān)、西至嘉峪關(guān)”的說(shuō)法，而對青海境內明長(cháng)城情況，人們知之甚少。青海境內明長(cháng)城始建于明嘉靖二十五年(1546)，主要由夯土墻、壕塹、敵臺、關(guān)堡和烽燧等形式構成。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(zhù)的明長(cháng)城遺址，長(cháng)期以來(lái)，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，應用地質(zhì)工程學(xué)科的理論和方法對其進(jìn)行系統研究，為青海境內明長(cháng)城遺址保護提供有益參考，是件很有意義的事情。
一、建造特征
明代在不斷總結經(jīng)驗的基礎上，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(cháng)城的修筑技藝集歷代之大成，在結構工藝、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，減少土內的鹽分，然后運至所筑長(cháng)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(cháng)城堅固，筑城者先開(kāi)挖基槽，逐層夯筑，直到所需高度。從目前保留下來(lái)的長(cháng)城城墻來(lái)看，石夯錘與版筑法的廣泛運用，保證了長(cháng)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容。通過(guò)對青海境內大通、湟中和門(mén)源境內明長(cháng)城取得的原狀樣品進(jìn)行的物理性質(zhì)相關(guān)實(shí)驗(表1、表2)，表明青海境內明長(cháng)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，當降雨過(guò)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(zhù)強烈的蒸發(fā)作用，土體含水量很快恢復到較低的水平。其次，夯土中粘粒含量較少，分布于14-17%之間，級配多屬不良，不均勻系數多位于11-19之間，曲率系數位于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，不難分析得出以下結論:由于明長(cháng)城就地取材和人工夯筑的建造特征，導致其物理性質(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、比重、崩解速度等工程地質(zhì)性質(zhì)指標的數值上表現出較大的離散性。
三、水理性質(zhì)特征
水理性質(zhì)是反映土體水穩性的重要指標參數，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。青海境內大通、湟中和門(mén)源明長(cháng)城取得的原狀樣品的崩解實(shí)驗和界限含水量實(shí)驗結果表明(表3):3處的夯土崩解速度都較大，位于11-40.13%之間，其中門(mén)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。鑒于青海境內幾處明長(cháng)城遺址夯土的水理特性表現出的上述特征，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(guān)結構產(chǎn)生破壞，導致土質(zhì)由固態(tài)向液態(tài)發(fā)生轉變，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(cháng)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(chēng)強度，是與土遺址穩定性密切相關(guān)的重要參數，包含抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度三個(gè)方面，是土遺址變形破壞的直接判據，試驗結果表明(圖1、圖2):青海明長(cháng)城夯土體抗拉抗壓強度較小且具有明顯的各向異性，表現為垂直方向的抗壓強度高于水平方向的抗壓強度;垂直方向的抗拉強度則低于水平方向的抗拉強度;在土體的夯筑過(guò)程中累計擊實(shí)功最大，垂直層面上的承載力遠遠大于平行層面?？辜魪姸瓤傮w來(lái)說(shuō)較低，同時(shí)體現出隨著(zhù)正應力增長(cháng)而線(xiàn)性增長(cháng)的趨勢;湟中、大通夯土內聚力和內摩擦角的數值均較小，而門(mén)源明長(cháng)城夯土的抗剪強度數值較為異常，最大可達400Kpa，內聚力和內摩擦角的數值均超出一般粉質(zhì)粘土的均值范圍。
要對土遺址實(shí)施有效地保護，必需從掌握土遺址的構筑材料性質(zhì)開(kāi)始。本研究以湟中、大通和門(mén)源境內的明長(cháng)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青海境內的明長(cháng)城開(kāi)展研究，旨在為日后的文物保護提供借鑒依據?？傮w說(shuō)來(lái)，青海境內明長(cháng)城遺址夯土材料的力學(xué)性質(zhì)較差，這與當時(shí)的夯筑工藝、取材以及多年的環(huán)境變遷有著(zhù)極為密切的關(guān)系。
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