文物保护工程是21世纪岩土工程领域重要的发展和研究方向之一。生体建筑遗址作为我国文物的重要组成部分,是研究我国历代政治、经济、艺术、建筑、科技诸方面极为重要的形象资料。这些文物古迹不仅是中华民族五千年文明史的实物见证,也是全人类共有的珍贵宝藏。我国西北地区由于气候干旱少雨,数量众多的土建筑遗址得以保存至今,如古丝绸之路上的秦汉长城、烽燧、楼兰遗址、交河故城、高昌故城等,构成了“丝绸之路跨国联合申遗计划”中我国境内文化遗产的重要组成部分。近年来,中国国家文物局会同科技部组织并实施了一系列丝路沿线重大文物保护工程的科研立项和研究,为即将开展的大规模加固和保护工程提供重要的科学理论依据。大体量不可移动文物处于天然开放的环境中,会在自然营力的作用下经历一系列的物理、化学变化,材料的性能和功能不断退化。文物保护的实质就是延缓文物材料的老化进程。因此,文物保护加固,必须首先对文物本体风化机理以及相关影响因素的作用机制进行科学的认识,才能对不同文物、不同类型病害采取针对性的措施,真正达到对文物进行科学保护的目的。本研究得到国家科技支撑计划“土遗址保护关键技术研究”课题的资助(N2006BAK30B02)。本论文主要通过现场调查和室内试验相结合的手段,以交河故城土遗址表部干缩开裂以及结皮层的剥离脱落为研究着眼点,运用岩土工程学的理论和方法,对西北干旱地区土遗址雨蚀病害相关的风化机理进行定量化和系统化研究。首先,测得了交河故城遗址土的收缩特征曲线和土水特征曲线,从土水相互作用的物理力学机理出发,分析和阐明了遗址土的干缩开裂现象,并通过室内试验进行了模拟和验证,同时,利用连续监测和数字化图像处理等手段,确定了表面裂隙结构形态各关键影响因子间的量化关系,首次揭示了土遗址表部结皮层的形成以及剥离机制。研究结果为后续的风化病害机理研究提供了全新的理论研究方向,并为即将开展的大规模土遗址保护和加固工程提供科学理论依据。本文的主要研究内容及取得的研究成果包括：1.土作为可变形的多相孔隙介质,其失水开裂是由一系列变化过程组合而成的,包括失水干燥、体积收缩以及开裂等。研究表明,失水干燥过程中土中水的迁移方式主要分为两种,一种是由边界表面处的蒸发引起的液态水迁移,另一种是由土内孔隙中液态水的蒸发和扩散引起的水分迁移。随着水分的蒸发,土颗粒间液态水表面的水蒸气气压降低,由于土颗粒的亲水特性和其本身的几何特性,气液间压力差逐渐增大,导致颗粒间的相互吸引,土的基质经历一个持续增强的内部压缩过程,进而引起体积的收缩。2.试验结果对比以及模型拟合相关性表明,与卡尺直接测量法相比,液体石蜡法测量土的收缩曲线精度大为提高,而且试验操作简便易行。试验发现,初始饱和度较大的糊状重塑土试样,其收缩过程由初始以重力主要控制的一维竖向收缩逐渐向三维收缩发展。利用改进的测量方法,测得了三种类型土的收缩曲线,结果表明,由于土中封闭不连续的微孔中空气的存在,使得收缩曲线发生一定程度的水平偏移。土中粘粒含量以及粘土矿物类型也对收缩曲线产生一定影响,随着粘粒和膨胀性粘土矿物含量的增大,土的体积收缩率增大,而达到最终稳定状态时的孔隙比则减小。砂粒含量对土的缩限具有重要影响,试验表明,缩限随着砂粒含量的增大而降低。蒸发速率控制着收缩历时的长短,同时对孔隙比和饱和度的变化率产生重要影响,但蒸发速率并不影响土的最终体积收缩量、缩限以及缩限孔隙比。3.室内模拟试验表明,干燥过程中的边界约束是裂隙产生的必要条件。边界约束条件主要归结为三种类型的力所引发：(1)由材料边界摩擦力(或其他牵引力)或位移的产生而导致的约束条件。(2)由材料自身内部平衡应力(又称为特征应力)的集中效应所产生的约束条件。(3)由材料自身特性而产生的约束条件。对于张应力状态下裂隙的初始扩展状态,应用Griffith判别准则可以较好地对其进行模拟,在裂隙的数量、形状、分布方向等不随试样尺寸的变化而变化条件下,该准则适用于对内部裂隙随机分布条件下材料的破坏行为进行判别和分析。土的抗拉强度与吸力和饱和度之间也存在着密切的联系,同时也与Griffith判据中所涉及的临界裂隙状态相关,论文从微观的角度强调了土的结构(内部缺陷的存在)、饱和度和吸力在土的抗拉强度方面所发挥的重要作用。4.利用数字化图像处理技术,对试样表面裂隙的结构形态和分布规律进行了定量分析和研究,引入裂隙节点、区块面积、裂隙率等概念和参数,并利用统计学相关理论和方法对裂隙的有关规律进行了讨论。试验结果表明,随着试样厚度的增加,裂隙间距和裂隙条数减小,裂隙的长度和宽度则出现增大趋势。温度对干缩裂缝的形态结构同样具有重要影响,随着温度的升高,裂隙切割形成的区块数量呈减少趋势,区块的平均面积则随着温度的升高而增大,相应的裂隙长度和宽度也随之增大,但裂隙率则呈现相反的变化趋势。此外,不同的土质成分对裂隙的表面形态也具有一定的影响。5.土的质地是影响表土结皮形成的最重要因素。团聚体稳定性、表面粗糙度、矿物质和交换性离子浓度、降雨历时、降雨强度、前期含水量、湿润速度等因素同样对结皮的形成具有重要影响。土中粘粒含量为20-30%时,极易形成结皮,当粘粒含量超过40%时,团聚体变得较为稳定,结皮形成受到一定抑制。前期含水量和湿润速度对结皮形成也同样具有重要影响。粘粒含量较高的试样在较低的前期含水量情况下更容易形成结皮。湿润速度对表土结皮的影响作用随着粘粒含量的增加而增大,但在土的结构不稳定条件下,其影响作用受到很大限制。6.通过现场调查、取样和室内试验,研究了土建筑表面结皮的物理化学性质,提出了土质墙体表面结皮的形成与剥离机制。粒度分析、粉晶X射线衍射分析、易溶盐离子色谱分析表明,结皮层与下伏母墙相比,粒度偏细,易溶盐含量偏低；红外摄像测温发现,结皮层升温、降温幅度更大。研究认为,土建筑遗址结皮层的形成是墙面土体局部饱和崩解、泥浆蠕移干燥的结果,其形成初期对抵抗土遗址风化起到一定的保护作用；但随后在剧烈的热胀冷缩作用及风蚀作用影响下发生剥离和脱落,反而加速土遗址的劣化进程。111