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秦陵遗址土不规则坚硬干土块容重的测定方法*

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 114次




:环刀法是土壤容重测定最常用的基本方法,但对于特别紧实的坚硬干土块,环刀取样非常困难且容易破碎,测定结果误差较大。本文根据阿基米德原理,提出了一种简单、快速而准确测定不规则坚硬干土块容重的方法,并用该方法对秦始皇陵百戏俑坑土遗址不同土样进行了测定,其容重大小顺序为:细夯土>红烧粗夯土>粗夯土>填土烧结块>填土。

关键词:坚硬干土块;容重;遗址土;秦陵

中图分类号:  文献标志码:A  文章编号:

Determination method for bulk density of irregular hard dry clod of earthen site at Qin Shihuang's Mausoleum

Zhang jianguo1, Liu Xiaoyu1, Zhang Shangxin2,3, Xia Yin2,3, Fu Qianli2,3

(1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/ Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Yangling 712100, China;

2. Museum of Emperor Qin Shihuang, Xi’an 710600, China;

3. Key Scientific Research Base of Ancient Polychrome Pottery Conservation of State Administration of Culture Heritage, Xi’an 710600, China)

Abstract: Cutting ring method is the common used and basic measurement of soil bulk density, but cutting ring sampling is very difficult and easily broken for tight hard dry clods sampling, which leads to larger errors of measurement results. Based on principle of Archimedes, we presented a simple, fast and accurate bulk density determination method of irregular hard dry clods, and this method was used to determine the bulk density of clods at different earthen sites in BaiXi Figurines pit of Qin Shihuang Mausoleum, the order of bulk density was: Fine rammed earth > Burning crude rammed earth > sinter lump of fill > fill.

Key words: hard dry soil clod; bulk density; earthen site; Qin Shihuang's Mausoleum

土壤容重指单位体积自然状态下土壤(包括土壤空隙的体积)的干重,是衡量土壤结构和耕性的一个重要指标,对土壤水分运动和养分迁移及耕作等具有重要影响[1~4]。测定土壤容重的方法很多,Keller等[6]提出根据粒径分布与有机质含量估算土壤容重,陈龙珠和吴世明[7]提出用波速法测定饱和土的容重,马玉莹等[8]提出用体积置换法直接测量土壤质量含水率及容重,王庆礼等[9]提出了挖坑法测定森林土壤容重的简易方法。上述方法因测量精度或试验条件要求等原因,均未得到较好的推广和应用。而工程和地质上常采用蜡封法测定不能用量积法或水中称重法测定容重的岩石[10]。农业上我们一般采用环刀法测定土壤容重,方法简单易于掌握[11],农业上也有利用蜡封法测定土壤容重的先例[12],但应用相对较少。

土遗址保护是一门新兴的学科,相关研究主要集中于土遗址病害及破坏机理、土遗址的发掘与现场保护、保护加固技术和材料等方面[13],而有关土壤容重在土遗址研究中的应用基本未见相关文献提及。土壤容重可反映土遗址建造过程中的建筑机理,从而为其相关研究和保护提供理论依据。采样过程中我们发现,环刀容易破坏土样的原有结构,会造成原有土样变得紧实,从而增大样品的实际容重并降低土壤空隙度,而且环刀取样十分困难,而且取样极易造成土块的破裂或破碎,无法达到按环刀体积取样的要求。因此,本文根据阿基米德原理,在液体石蜡蜡封法的基础上进行改进,提出了一种简单、快速而准确测定不规则坚硬土块的容重的方法,并采用该方法对秦始皇陵百戏俑坑土遗址土块样品进行了测定,以期为土遗址相关研究和保护提供理论依据。

1 实验原理与方法

1.1 原理

测定装置如图1所示,根据阿基米德原理,蜡封的干土块所受重力等于土块所受液体浮力和天平拉力之和,计算公式如下:

                          ①

其中,G为土块所受重力,可通过天平称取土块质量而获得;F1为细线对干土块的拉力;为蜡封干土块所受的液体浮力。而由于被石蜡包裹好的干土块的重力被细线所承受,不作用于天平,所以天平读数的增加值即等于被物体排开水的质量,即浮力。也就是说,我们不必考虑F1的大小,最终的目的是通过该方法获取所测土块的体积。

再根据阿基米德原理,浸没在液体中的蜡封土块所受的浮力等于它排开液体的体积,计算公式如下:

                          ②

其中,为液体的密度;g为重力加速度;V为蜡封干土块排开水的体积。

图1试验装置图

蜡封干土块放进烧杯前,天平读数为烧杯和水的质量m1。用尼龙细线拴好蜡封好的干土块放入烧杯,使其完全浸没在水中,获得天平读数m2,注意蜡封干土快不要触及烧杯壁和烧杯底部。因蜡封干土块的重力被细线所承受,并不作用于天平,所以天平读数的变化(m2-m1)g即为蜡封土块排开的水所受的重力,即浮力。根据测定温度下水的密度可通过计算得蜡封土块的体积V,然后通过进一步的计算即可得到土块容重和孔隙度。根据上述原理,测定了秦始皇陵百戏俑坑土遗址坑壁和坑底粗夯土、细夯土及填土等不规则坚硬干土块的容重。

1.2 实验方法

试剂和仪器:千分之一电子天平,温度计(0-100℃),液体石蜡,蒸馏水,烧杯(1000 ml),尼龙细线,铁架台,酒精灯,烘箱,移液管等。

在秦始皇帝陵兵马俑百戏俑坑内分别取粗夯土、细夯土、红烧土、填土的干土块,同一样品一式两份,取样后立即放入封口袋以备下一步分析使用。用千分之一电子天平称取所取的坚硬易破碎干土块的质量,记为m3,然后把该样品系上细线,持线缓缓放入熔化又冷却至60~80℃的液体石蜡中,全部浸没后立即提出,检查如果发现仍留有空隙,把样品通过上述方法重新包裹一次,直到样品完全包裹为止,当有气泡时用针刺破,再用蜡液补平,即完成土块液体石蜡包裹。这样土块周围即包裹上一层石蜡膜,冷却后称取蜡封干土块质量m4。土块放进烧杯前烧杯和水的质量之和记为m1。土块样品放入烧杯后的天平读数为m2。同一样品另一干土块破碎后称取其质量记为m5,然后放入烘箱105℃烘干至恒重,质量记为m6。用移液管测定法测定试验温度下液体石蜡的密度[2]

根据蜡封干土块排开水的质量,计算蜡封干土块的体积V

                              ③

干土块表层所封石蜡的质量为:,根据石蜡的密度,可算出石蜡的体积

                              ④

将蜡封干土块的体积减去所封石蜡的体积即得所测干土块的体积:

              ⑤

干土块质量含水量:

                          ⑥

蜡封干土块的烘干质量m7可通过计算获得:

                                  ⑦

将公式⑤和⑦代入下式即可得到所测干土块的容重:

  ⑧

式⑧中,—容重,g/cm3m3—干土块质量,g;—测定温度下水的密度,g/cm3(不同温度下水的密度见表1)。

表1 不同温度下水的密度

温度

()

密度

(g/ml)

温度

()

密度

(g/ml)

温度

()

密度

(g/ml)

温度

()

密度

(g/ml)

温度

()

密度

(g/ml)

0

0.99984

22

0.99777

38

0.99297

54

0.98618

76

0.97424

2

0.99994

23

-

39

-

55

-

78

0.97303

4

0.99997

24

0.99730

40

0.99222

56

0.98521

80

0.97179

5

0.999965

25

0.997044

41

-

57

-

82

0.97053

6

0.99994

26

0.99678

42

0.99144

58

0.98422

84

0.96926

8

0.99985

27

-

43

-

59

-

85

-

10

0.999700

28

0.99623

44

0.99063

60

0.98320

86

0.96796

12

0.99950

29

-

45

-

62

0.98216

88

0.96665

14

0.99924

30

0.995646

46

0.98979

64

0.98109

90

0.96531

15

0.999099

31

-

47

-

65

-

92

0.96396

16

0.99894

32

0.99503

48

0.98893

66

0.98001

94

0.96259

17

-

33

-

49

-

68

0.97890

95

-

18

0.99860

34

0.99437

50

0.98804

70

0.97777

96

0.96120

19

-

35

0.99403

51

-

72

0.97661

98

0.95979

20

0.998203

36

0.99369

52

0.98712

74

0.97544

100

0.95836

21

-

37

-

53

-

75

-

 

 

注:-表示该温度下水的密度等于上一温度下水的密度。

2 实验结果

土样取自秦始皇帝陵百戏俑坑,分别取自坑壁和坑底已风干的粗夯土、细夯土、原状填土和红烧土。然后根据上述方法测得土块的容重(见表2)。表2的分析结果表明,上述土样容重大小顺序为:细夯土>红烧粗夯土>粗夯土>填土烧结块>填土。测定结果较好地反映了实际情况。

表2 秦始皇陵百戏俑坑不同土块的容重

样品编号

样品描述

容重(g/cm3

1

填土烧结块

1.84

2

填土

1.72

3

粗夯土

2.03

4

细夯土

2.60

5

红烧粗夯土

2.47

3 结语

应用上述方法测定不规则坚硬干土块的容重,不但可以克服环刀法测定容重的缺陷,而且该装置具有简单、快速、精确和易行等优点。秦始皇帝陵百戏俑坑土遗址样品的测定结果佐证了应用该方法测定容重的切实可行性。此外,还可根据容重计算干土块的孔隙度,探讨夯土的夯筑工艺,从而为土遗址相关研究和保护提供理论依据。

参考文献 (References)

[1] 吕殿青, 邵明安, 潘云. 容重变化与土壤水分特征的依赖关系研究[J]. 水土保持学报, 2009, 23(3): 209-212, 216.

[2] 李卓, 吴普特, 冯浩, 等. 容重对土壤水分入渗能力影响模拟试验[J]. 农业工程学报, 2009, 25(6): 40-45.

[3] 脱云飞, 费良军, 董艳慧, 等. 土壤容重对膜孔灌水氮分布和运移转化的影响[J]. 农业工程学报, 2009, 25(2): 6-11.

[4] 李汝莘, 高焕文, 苏元升. 土壤容重和含水量对耕作阻力的影响[J]. 农业工程学报, 1998, 14(1): 81-85.

[5] Baraher B R, Franzmeier D P, Valassis V, et al. Use of saran resin to coat natural soil clods for bulk-density and water-retention measurements [J]. Soil Science, 1966, 101(2): 108-109.

[6] Keller T, Håkansson I. Estimation of reference bulk density from soil particle size distribution and soil organic matter content [J]. Geoderma, 2010, 154, (3-4): 398-406.

[7] 陈龙珠, 吴世明. 用波速法测定饱和土的孔隙率和容重[J]. 浙江大学学报, 1988, 22(6): 25-31.

[8] 马玉莹, 雷廷武, 张心平, 等. 体积置换法直接测量土壤质量含水率及土壤容重[J]. 农业工程学报, 2013, 29(9): 86-93.

[9] 王庆礼, 代力民, 许广山. 简易森林土壤容重测定方法[J]. 生态学杂志, 1996, 15(3): 68-69.

[10] 陈焕强. 应用液体石蜡快速准确测定岩石块体密度[J]. 浙江建筑, 2012, 29(10): 28-30.

[11] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000.

[12] 彭新华, 张斌, 李江涛, 赵其国. 对多孔介质物体孔隙度—蜡封法改进的探讨-以土壤团聚体为例[J]. 土壤通报, 2003, 34(1): 19-20.

[13] 孙满利. 土遗址保护研究现状与进展[J]. 文物保护与考古科学, 2007, 19(4): 645-70.

[14] 王旭东. 中国干旱环境中土遗址保护关键技术研究新进展[J]. 敦煌研究, 2008, (6): 6-12.

[15] 袁传勋. 土遗址保护材料综述[J]. 敦煌研究, 2002, (6): 103-105.



收稿日期

基金项目: 国家自然科学基金项目(41471222)和国家科技支撑计划(2012BAK14B02)共同资助.

作者简介: 张建国(1981-), 男,山东菏泽人,博士, 副教授, 主要从事土壤物理研究.

E-mail: zhangjianguo21@nwsuaf.edu.cn

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