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| 內容簡介： |
中原地区土遗址数量众多，历史及文化价值极高，但由于其直接暴露在自然环境，十分容易产生掏蚀、坍塌及裂隙等病害，且目前相关研究较少，病害作用机理不明，给中原地区土遗址保护造成巨大困难。本书通过试验，系统研究了制样条件、干湿循环次数、干湿循环幅度对遗址粉土剪切力学特性的影响规律；然后结合压汞、扫描电镜及核磁共振等微观试验手段探究其内在机制；最后建立考虑非线性强度准则和干湿循环次数的遗址粉土邓肯-张模型，并通过Fortran语言编程对其进行数值化，进而对土遗址根部掏蚀等病害形成机制进行探讨。相关研究成果对中原地区粉土遗址保护有很好的借鉴意义。
文物作为国家的“金色名片”，承载灿烂文明、传承历史文化、维系民族精神，
是中华文明源远流长与生生不息的实物见证，更是传承弘扬中华优秀传统文化的历
史根脉。土遗址作为以土为主要建筑材料的古文化遗存，兼具历史、科学与文化价
值，其本体及赋存环境深刻凝结着中国古代政治制度、经济形态、营造技艺及科技
艺术等多元信息，是历史馈赠中国乃至全人类的不可再生资源。党的十八大以来，
习近平总书记对文化遗产保护高度重视，多次前往山西、陕西、河南等文化遗产积
淀丰厚的省份考察调研，并就文化遗产保护作出重要指示批示， 2025年考察河南
时强调“着力推动文化繁荣兴盛”，要求加强文化遗产整体性、系统性保护，推进
文旅产业高质量发展，将文旅产业真正打造为支柱产业、民生产业、幸福产业。《古
城寨遗址粉土力学性状的干湿循环效应与城墙响应特征》正是响应“全面提升遗产
保护能力”的实践探索，本专著聚焦土遗址本体的环境应力响应机制，旨在为遗址结
构稳定性评估及预防性保护提供科学依据，助力文化遗产保护传承与活化利
用的深度融合。
由于长期暴露于自然环境且与土体直接相连，土遗址普遍存在掏蚀、坍塌及裂
隙等病害，部分遗存甚至面临消亡风险。土遗址病害的形成主要源于赋存环境因素
与遗址本体土性。中原地区土遗址的赋存环境与西北干旱地区存在显著差异：地处
暖温带 -亚热带、湿润 -半湿润季风气候区，多位于黄河流域中下游，其主要由黄
河冲积粉土夯筑而成，且多邻近水域或农田环绕。粉土特殊的颗粒级配特征使其具
有显著的毛细作用与强水敏性；降雨及农田灌溉的积水加剧了遗址根部区域的毛细
水干湿循环效应。以根部掏蚀为例，该病害在中原地区土遗址中普遍存在。尽管短
期内掏蚀可能不影响土遗址整体稳定性，但显著改变土遗址形态；长期发展下，在
特定外营力作用下，掏蚀区可诱发局部坍塌乃至整体失稳。本质上，掏蚀是环境因
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| 關於作者： |
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河南省文物建筑保护研究院业务管理部主任、副研究馆员， 从事中原地区土遗址的研究和保护工作，在古城寨遗址粉土力学性状的干湿循环效应与城墙响应特征等方面进行了深入研究。
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| 目錄：
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第一章绪论 1
11选题背景及研究意义 1
12国内外研究现状 6
121制样方法对土体力学特性的影响 6
122干湿循环作用对土体力学特性的影响 7
123微观结构特征对土体力学特性的影响 11
124土的非线性强度特征描述 13
13主要研究内容与技术路线 15
131主要研究内容 15
132技术路线 16
第二章
古城寨遗址粉土基本物理力学特性与制样方法评价 18
21引言 18
22粉土基本物理性质 19
23试样制备及试验方法 26
231直接剪切试样制备方法 26
232三轴试样制备方法 27
233压汞试验原理及步骤 29
234扫描电镜试验步骤 31
235试验方案 32
24直接剪切试验结果与分析 32
241应力 -位移关系 32
242抗剪强度与强度参数 36
25三轴剪切试验结果与分析 38
251应力 -应变关系曲线 38
252剪切强度 42
253强度参数 44
26不同制样条件下粉土的孔隙分布特性 45
27粉土力学特性的影响机制 48
28本章小结 52
第三章遗址粉土力学特性的干湿循环次数效应54
31引言 54
32河南地区典型土遗址赋存环境 54
33土柱制备及试验方法 56
331土柱制备 56
332干湿循环过程 58
333土柱分层取样 59
334试验仪器及方法 61
34三轴剪切试验结果分析 61
341应力 -应变关系曲线 61
342轴向应变 -体变关系 67
343土的变形特性 69
344土的剪切强度特性 71
35不同干湿循环次数下遗址粉土的孔隙分布特性 75
351压汞试验结果分析 75
352核磁共振试验原理及结果分析 78
36遗址粉土力学特性的干湿循环次数效应机制分析 80
37本章小结 82
第四章遗址粉土力学特性的干湿循环幅度效应83
41引言 83
目录
42试验方案设计 84
421土柱制备 84
422干湿循环过程 84
423干湿循环幅度的确定 85
424试验方案 87
43三轴剪切试验结果与分析 88
431围压对应力 -应变关系的影响 88
432干湿循环幅度对应力 -应变关系的影响 90
433体变 -应变关系 94
434抗剪强度变化规律 95
435强度参数变化规律 99
44不同干湿循环幅度下粉土的孔隙分布特征 103
441压汞试验结果分析 103
442核磁共振试验结果分析 106
45遗址粉土力学特性的干湿循环幅度效应机制分析 107
46本章小结 111
第五章基于非线性强度准则的遗址粉土 Duncan-Chang模型 113
51引言 113
52非线性强度准则 113
53建立基于非线性强度准则的遗址粉土 Duncan-Chang模型 118
531模型简介 118
532模型参数的确定 121
54本章小结 129
第六章城墙干湿循环效应数值分析与根部掏蚀病害机制探讨 130
61引言 130
62UMAT子程序开发 131
63模型程序验证 134
图表目录
图1-1我国各省份古遗址类全国重点文物保护单位数量分布（不含港澳台地区数据） 2
图1-2河南主要古城遗址城垣残存高度比例 3
图1-3河南典型土遗址周边环境 4
图1-4河南土遗址典型病害类型 6
图1-5技术路线 17
图2-1土遗址病害与现场夯补 19
图2-2土遗址修复现场 19
图2-3新密古城寨轮廓 20
图2-4塑性图 23
图2-5击实曲线 26
图2-6压实样、击实样 27
图2-7压样时间与压力关系 28
图2-8击实次数与含水率关系 28
图2-9三轴试样
29
图2-10真空冷冻干燥仪 30
图2-11压汞仪 31
图2-12扫描电镜备样 32
图2-13直接剪切应力 -位移关系曲线35
图2-14抗剪强度变化规律 37
图2-15黏聚力和内摩擦角变化规律 37
图2-16应力 -应变关系曲线40
图2-17压实度为90%的剪切破坏照片41
图2-18压实度为96%的剪切破坏照片41
图2-19压实度为90%、含水率为14%的粉土试样饱和后照片 42
图2-20粉土抗剪强度 43
图2-21不同含水率试样孔径分布密度关系曲线 46
图2-22土的各类孔隙体积比例 47
图2-23土样扫描电镜测试结果 48
图2-24制样过程中土颗粒调整情况 49
图2-25土中颗粒的排列与抗滑力 51
图3-1新密古城寨遗址断面含水率分布 55
图3-2土柱试验装置 57
图3-3土柱击实过程影响深度 57
图3-4土柱吸脱湿过程 58
图3-5土柱干湿循环过程含水率变化 59
图3-6土柱分层取样过程 59
图3-7土柱不同位置干密度与含水率分布 60
图3-8核磁共振分析仪 61
图3-9应力 -应变关系曲线64
图3-10试样剪切破坏形态 65
图3-11不同干湿循环次数作用下土的应力 -应变关系曲线66
图3-12不同干湿循环次数作用下土的轴向应变 -体变关系曲线69
图3-13切线模量 Ei与干湿循环次数的关系70
图3-14切线模量 Ei与围压的关系71
图3-15抗剪强度与干湿循环次数的关系 72
图3-16不同干湿循环次数土的强度包络线 73
图3-17抗剪强度参数与干湿循环次数关系 74
图3-18进汞体积与压力关系曲线 75
图3-19土的孔径分布曲线 77
图3-20不同干湿循环次数作用下土的各类孔隙体积 77
图3-21不同干湿循环次数下饱和土 T2分布曲线80
图3-22不同干湿循环次数下土颗粒调整过程 80
图3-23不同干湿循环次数下土的微观结构 81
图4-1土柱模型 84
图4-2收缩曲线 86
图4-3土柱不同高度处含水率分布 87
图4-4干湿循环幅度 87
图4-5 典型干湿循环幅度下土的应力-应变关系曲线89
图4-6干湿循环幅度1%～11%的应力 -应变关系曲线89
图4-7不同干湿循环幅度粉土的应力 -应变关系曲线93
图4-8不同干湿循环幅度粉土的体变 -应变关系曲线95
图4-9低应力下粉土抗剪强度
96
图4-10常规应力下粉土抗剪强度 96
图4-11不同干湿循环幅度粉土强度损伤度 97
图4-12粉土强度劣化度与土柱高度的关系 98
图4-13Kf′线98
图4-14不同干湿循环幅度粉土的强度包络线 101
图4-15黏聚力变化规律 102
图4-16内摩擦角变化规律 102
图4-17累积进汞曲线 104
图表目录
图4-18不同干湿循环幅度下土样的孔径密度分布曲线 105
图4-19不同干湿循环幅度下粉土的各类孔隙体积 106
图4-20不同干湿循环幅度下土样的 T2分布曲线107
图4-21土柱高度范围内干密度分布 108
图4-22土样的吸脱湿土水特征曲线 109
图4-23Boom clay吸力与饱和度关系 109
图4-24粉土样孔隙及微裂隙发展示意 110
图5-1干湿循环作用下遗址粉土非线性强度包络线 116
图5-2拟合参数 A与干湿循环次数N的关系118
图5-3Duncan-Chang模型 119
图5-4试样中一点极限平衡状态时的应力莫尔圆 120
图5-5三轴剪切实测值与模型拟合曲线 123
图5-6K值与干湿循环次数的关系125
图5-7Kb值与干湿循环次数的关系128
图6-1子程序计算流程
132
图6-2Newton迭代法计算流程 133
图6-3模型边界条件 134
图6-4不同干湿循环次数下应力 -应变关系曲线的计算值与试验值137
图6-5古城寨城墙 138
图6-6古城寨典型断面
138
图6-7有限元几何模型与网格划分 139
图6-8坡顶考察点总位移与干湿循环次数关系 139
图6-9干湿循环15次后模型总位移矢量 140
图6-10断面1不同干湿循环次数下模型总位移云图 140
图6-11断面2不同干湿循环次数下模型总位移云图 141
图6-12断面1不同干湿循环次数下模型拉应变云图 142
图6-13断面2不同干湿循环次数下模型拉应变云图 143
图6-14遗址形态改变演化机制 144
图6-15遗址浅层滑塌演化机制 145
表1-1河南境内土遗址的典型病害类型和特征 4
表2-1颗粒组成 21
表2-2物理指标 21
表2-3黏性土和粉土鉴别方法 23
表2-4新密古城寨土性鉴别 23
表2-5遗址粉土矿物成分 24
表2-6不同制样条件遗址粉土试验方案 32
表2-7抗剪强度参数 45
表3-1典型遗址断面的易溶盐含量 56
表3-2干湿循环作用下土的 Ei拟合参数71
表3-3不同干湿循环次数下 T2分布曲线面积79表4-1试验方案
87
表4-2低应力下抗剪应力的实测值与对应计算值 99
表4-3峰值及对应的孔径 105
表4-4不同干湿循环幅度下土样的 T2分布曲线面积107
表5-1广义幂函数强度准则拟合参数 117
表5-2Duncan-Chang模型参数 124
表5-3干湿循环作用下土的 B、Kb、m参数127
表6-1模型计算参数 134
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