吐鲁番交河故城保护加固研究
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摘要
交河故城遗址是国务院1961年公布的第一批全国重点文物保护单位，位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市西10km的雅尔乃孜沟村。它是丝绸之路上具有两千多年悠久历史的名城，自公元前2世纪直到公元14世纪一直是西域重镇，是古代西域政治、经济、军事、文化中心之一，在东西方文化交流中起过十分重要的作用，具有极高的历史价值、艺术价值和科学价值。它的建造技法基本上涵盖了土遗址的不同建造形式，是我国乃至世界土遗址的典型代表。目前，土遗址保护的研究还不很成熟，研究交河的保护问题对其它土遗址有借鉴意义。
本文从抢救性保护工程的角度出发，按照《中国文物古迹保护准则》(2004)、《中华人民共和国文物保护法》(2002)的有关要求，采用地质学、岩土工程学、环境学、材料学、建筑学、历史学等相关学科的理论与方法，应用先进的科学仪器，以文物保护的新理念作指导，对交河故城的保存现状、建造技法、赋存环境、土质类型和性能、病害分布及特征进行了全面的野外测绘、调查与测试，研究遗址土的工程特性，分析了病害成因及机理，并就具体保护加固技术进行了室内实验和现场试验研究，提出保护加固的方法和手段。主要内容有：
(1)初步阐述了土遗址保护科学的理论体系，提出了土遗址保护科学的概念，将土遗址保护研究的工作框架概括为：以土遗址赋存环境研究为基础，以土遗址病害分析为核心，以土遗址保护勘察为手段，以土遗址保护工程为目的。
(2)系统研究了交河故城的赋存环境，认为交河故城的环境主要特点是风大，8～10级大风年平均为36.2天；温差大，日地面昼夜温差可达44.5℃；偶有40mm以上的大雨，大降水具有时间短、强度大、范围小、雨量集中等特点；位于新构造活动带。分析了环境对土遗址的作用机理，提出了影响交间古城的主要环境因素是风和雨。
(3)建筑形制和价值评估是土遗址保护科学的重要内容，详细研究了交河故城的建筑形制，其主要建造技术是“减地法”建造、垛泥建造、夯土及土坯和土块建造，其中“减地法”建造和垛泥建造占主要地位。系统地分析了交河故城的历史价值、艺术价值和科学价值，它对研究古代西域的政治、经济、军事、文化、宗教、交通、建筑等历史有重要历史价值，它雄伟的建筑、典型的风蚀地貌和优美的自然环境和人文环境等艺术价值需要很好的保护，它的建筑布局和工艺及凿井技术等科学价值需要认真研究，在保护工程的设计中应充分考虑其价值的体现形式。
(4)病害分析是土遗址保护科学的核心，首次建立了土遗址病害的三级分类系统，即按病害成因、病害表现形式和形成机理的不同进行分类，该分类有利于规范土遗址保护的研究。在全面勘察的基础上，分析了交河故城病害的类型、成因，认为交河故城文物本体的主要病害有片状剥离、掏蚀和裂隙(缝)等，载体(崖体)的主要病害是崩塌。
(5)在前人研究的基础上，通过室内实验和野外试验，研究了PS材料在交河故城应用的可行性及施工技术。结果表明，PS材料可以较好的提高交河故城土体的力学性能及抗风蚀、雨蚀能力，原状土样加固后的抗风蚀能力提高7-16倍。在雨淋、老化、风蚀的组合作用下，加固后的重塑土样比未加固的重塑土样抗风蚀能力提高9倍，而其中由于雨的影响可使土样的抗风蚀能力降低1～2倍。针对PS的渗透施工和做旧，提出了应根据土遗址及其病害类型采用不同施工工艺的观点。
(6)采用现场试验研究了楠竹锚杆和楠竹加筋复合锚杆的锚固力，研究表明楠竹锚杆的单位锚固力可采用5kN／m，单根锚杆的锚固力大于4kN，长度不宜过大；采用楠竹加筋复合锚杆加固土遗址是合适的，当采用水泥砂浆作为灌浆材料时单位锚固力可采用30kN／m，当采用PS-(F+C)浆液灌浆时单位锚固力可采用20kN／m。
(7)应用研究成果，对交河故城进行了保护加固设计，提出了几种典型病害土遗址的保护加固方案，采用PS渗透、裂隙灌浆、锚杆锚固和框架桩等技术进行加固，该方案已获国家文物局批准。
The Ruins of Jiaohe is announced the first group national major preservation unit of cultural relics by China Government in 1961, Jiaohe Ruins is located near Yarnaiz Groove village, 10 km west of Turpan City, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. It is a well-known ancient city with a history more than 2,000 years along the Silk Road, playing important role in politics, economics, military and cultural exchange between East and West from 2 century B.C to 14 century A.D. with high value in history, art and science. Its architectural technique basically cover whole architectural ones of the different ancient earthen architectures, it is typical representative of ancient earthen architectures in china even in the world. Because the conservation studies of the earthen sites is still not very mature, the conservation practice of the Ruins of Jiaohe will apply good reference for the conservation of other earthen sites.
From the viewpoint of rescue protection according to the law of the People's Republic of China on the protection of cultural Relics(2002) and Principles for the Conservation of Heritage Sites in China (2004), field investigation and geotechnical tests are conducted for the present conservation condition, architectural techniques, the lodging environment, soil type and characteristics, the distribute and characteristic of issues. The engineering characteristic of the soil of sites had been studied with advanced scientific instrument; and the cause and mechanism of issues had been analyzed based on the theories and method of the related course, such as Geology, Geotechnical Engineering, Environmental Science, Material Science, Architecture and History. Based these result and the guidance of the new principle of protection culture, the laboratory and field test of protection technologies were carried. Finally the method and means of protection for Jiaohe Acient City were confirmed. The main conclusions are as followings:
1. The concept of conservation science of the earthen sites is put forward, the theories system of conservation science of the earthen sites is primarily illustrated, which is generalized, the research of the lodging environment of the earthen sites is base, the analysis of the issues of the earthen sites is core, the condition survey of the earthen sites is means, the conservation practice of the earthen sites is purpose.
2. The lodging environment of the Ruins of Jiaohe is systematically studied. The major characteristics of environment of the Ruins of Jiaohe is: A. the strong wind, 17.2～28.4 s/m wind are average for 36.2 days every year. B. the differential temperature is very strong, e.g. the difference of ground temperature as high as 44.5°C between day and night. C. Heavy rains, more than 40mm can accidentally occur, characterized by short time, high intensity within small area. D. The site locates at the new active texture belt. After analyzed the reaction mechanism between the environment and the earthen sites, the results indicate that the main environment factors threatening the sites are the wind and rain in the Northwest arid area of China.
3. The architectural configuration and the assessment of values are most important parts of conservation of the earthen sites. This paper illustrates in detail the architectural configuration of the Ruins of Jiaohe. It is found out that the primary construction technique is excavating earth method structure, the stacking mud structure, tamper soil structure, adobe structure and clod one. Excavating earth method and the stacking mud structure are the main ones. This paper also systematically analyzed the historical, artistic, and scientific values of the Ruins of Jiaohe. It has important historical value helping for studying the history of politics, economy, military, culture, religion, transportation, architecture of ancient Western Regions, its artistic value including impressive-looking building, typical wind erosion geography, and daintiness of natural and humanities environment etc. need be integrally and truly protected. Its scientific values including architectural layout and techniques ,and digging well technique etc. need be deeply researched, its values should be fully considered in design of conservation practices.
4. The analysis of issues is core in conservation of the earthen sites science, Firstly the three grade classification system about the issues of earthen sites is established , according to the difference of the cause of issues, the manifestation modality of issues, and engendered mechanism of issues divided into section, it benefits to set up the criterion on research about the protection of the earthen sites. Based on the complete condition surveying, this paper analyzed the type and cause of issues of the Ruins of Jiaohe. The results indicate that the main issues of noumenon are slice-peeling, recess and cranny, that the main issue of precipice is collapse.
5. Through the lab experiment and the field test, possibility of use of potassium silicate (PS) material and applying techniques in the conservation practices of the Ruins of Jiaohe have been studied. The results indicated that the PS material can improve the capacities of anti-wind erosion and anti-rain erosion abilities of the Ruins of Jiaohe. after reinforcing, the anti-wind erosion capacities of undisturbed samples increases 7-16 times and after reinforcing the remolded samples anti-wind erosion abilities increases 9 times than before treatment under the combinative function of rain and wind erosion. For the field applying of the PS, the paper puts forward to viewpoints that the different techniques should be adopted according to the earthen sites and its type of issues.
6 The field tests indicated that the anchoring unit power of bamboo can be adopted 5 kN/m , the anchoring bolting of the single anchor is above 4 kN/ m, its length should not be too long. The bamboo composite anchor is suitable for the reinforcement of the earthen sites. If adopting the cement mortar to be grout material, the anchoring unit power can be adopted 30 kN/m, if adopting the PS-(F+C) to be grout material, its anchoring unit power can be adopted 20 kN/m.
7 Based on the study result, conservation practice plan of the Ruins of Jiaohe is designed.
本文从抢救性保护工程的角度出发，按照《中国文物古迹保护准则》(2004)、《中华人民共和国文物保护法》(2002)的有关要求，采用地质学、岩土工程学、环境学、材料学、建筑学、历史学等相关学科的理论与方法，应用先进的科学仪器，以文物保护的新理念作指导，对交河故城的保存现状、建造技法、赋存环境、土质类型和性能、病害分布及特征进行了全面的野外测绘、调查与测试，研究遗址土的工程特性，分析了病害成因及机理，并就具体保护加固技术进行了室内实验和现场试验研究，提出保护加固的方法和手段。主要内容有：
(1)初步阐述了土遗址保护科学的理论体系，提出了土遗址保护科学的概念，将土遗址保护研究的工作框架概括为：以土遗址赋存环境研究为基础，以土遗址病害分析为核心，以土遗址保护勘察为手段，以土遗址保护工程为目的。
(2)系统研究了交河故城的赋存环境，认为交河故城的环境主要特点是风大，8～10级大风年平均为36.2天；温差大，日地面昼夜温差可达44.5℃；偶有40mm以上的大雨，大降水具有时间短、强度大、范围小、雨量集中等特点；位于新构造活动带。分析了环境对土遗址的作用机理，提出了影响交间古城的主要环境因素是风和雨。
(3)建筑形制和价值评估是土遗址保护科学的重要内容，详细研究了交河故城的建筑形制，其主要建造技术是“减地法”建造、垛泥建造、夯土及土坯和土块建造，其中“减地法”建造和垛泥建造占主要地位。系统地分析了交河故城的历史价值、艺术价值和科学价值，它对研究古代西域的政治、经济、军事、文化、宗教、交通、建筑等历史有重要历史价值，它雄伟的建筑、典型的风蚀地貌和优美的自然环境和人文环境等艺术价值需要很好的保护，它的建筑布局和工艺及凿井技术等科学价值需要认真研究，在保护工程的设计中应充分考虑其价值的体现形式。
(4)病害分析是土遗址保护科学的核心，首次建立了土遗址病害的三级分类系统，即按病害成因、病害表现形式和形成机理的不同进行分类，该分类有利于规范土遗址保护的研究。在全面勘察的基础上，分析了交河故城病害的类型、成因，认为交河故城文物本体的主要病害有片状剥离、掏蚀和裂隙(缝)等，载体(崖体)的主要病害是崩塌。
(5)在前人研究的基础上，通过室内实验和野外试验，研究了PS材料在交河故城应用的可行性及施工技术。结果表明，PS材料可以较好的提高交河故城土体的力学性能及抗风蚀、雨蚀能力，原状土样加固后的抗风蚀能力提高7-16倍。在雨淋、老化、风蚀的组合作用下，加固后的重塑土样比未加固的重塑土样抗风蚀能力提高9倍，而其中由于雨的影响可使土样的抗风蚀能力降低1～2倍。针对PS的渗透施工和做旧，提出了应根据土遗址及其病害类型采用不同施工工艺的观点。
(6)采用现场试验研究了楠竹锚杆和楠竹加筋复合锚杆的锚固力，研究表明楠竹锚杆的单位锚固力可采用5kN／m，单根锚杆的锚固力大于4kN，长度不宜过大；采用楠竹加筋复合锚杆加固土遗址是合适的，当采用水泥砂浆作为灌浆材料时单位锚固力可采用30kN／m，当采用PS-(F+C)浆液灌浆时单位锚固力可采用20kN／m。
(7)应用研究成果，对交河故城进行了保护加固设计，提出了几种典型病害土遗址的保护加固方案，采用PS渗透、裂隙灌浆、锚杆锚固和框架桩等技术进行加固，该方案已获国家文物局批准。
The Ruins of Jiaohe is announced the first group national major preservation unit of cultural relics by China Government in 1961, Jiaohe Ruins is located near Yarnaiz Groove village, 10 km west of Turpan City, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. It is a well-known ancient city with a history more than 2,000 years along the Silk Road, playing important role in politics, economics, military and cultural exchange between East and West from 2 century B.C to 14 century A.D. with high value in history, art and science. Its architectural technique basically cover whole architectural ones of the different ancient earthen architectures, it is typical representative of ancient earthen architectures in china even in the world. Because the conservation studies of the earthen sites is still not very mature, the conservation practice of the Ruins of Jiaohe will apply good reference for the conservation of other earthen sites.
From the viewpoint of rescue protection according to the law of the People's Republic of China on the protection of cultural Relics(2002) and Principles for the Conservation of Heritage Sites in China (2004), field investigation and geotechnical tests are conducted for the present conservation condition, architectural techniques, the lodging environment, soil type and characteristics, the distribute and characteristic of issues. The engineering characteristic of the soil of sites had been studied with advanced scientific instrument; and the cause and mechanism of issues had been analyzed based on the theories and method of the related course, such as Geology, Geotechnical Engineering, Environmental Science, Material Science, Architecture and History. Based these result and the guidance of the new principle of protection culture, the laboratory and field test of protection technologies were carried. Finally the method and means of protection for Jiaohe Acient City were confirmed. The main conclusions are as followings:
1. The concept of conservation science of the earthen sites is put forward, the theories system of conservation science of the earthen sites is primarily illustrated, which is generalized, the research of the lodging environment of the earthen sites is base, the analysis of the issues of the earthen sites is core, the condition survey of the earthen sites is means, the conservation practice of the earthen sites is purpose.
2. The lodging environment of the Ruins of Jiaohe is systematically studied. The major characteristics of environment of the Ruins of Jiaohe is: A. the strong wind, 17.2～28.4 s/m wind are average for 36.2 days every year. B. the differential temperature is very strong, e.g. the difference of ground temperature as high as 44.5°C between day and night. C. Heavy rains, more than 40mm can accidentally occur, characterized by short time, high intensity within small area. D. The site locates at the new active texture belt. After analyzed the reaction mechanism between the environment and the earthen sites, the results indicate that the main environment factors threatening the sites are the wind and rain in the Northwest arid area of China.
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6 The field tests indicated that the anchoring unit power of bamboo can be adopted 5 kN/m , the anchoring bolting of the single anchor is above 4 kN/ m, its length should not be too long. The bamboo composite anchor is suitable for the reinforcement of the earthen sites. If adopting the cement mortar to be grout material, the anchoring unit power can be adopted 30 kN/m, if adopting the PS-(F+C) to be grout material, its anchoring unit power can be adopted 20 kN/m.
7 Based on the study result, conservation practice plan of the Ruins of Jiaohe is designed.
引文
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