随着文物保护理念由注重抢救性保护向抢救性与预防性保护并重转变，土遗址保护逐渐由濒危遗址抢救性关键技术攻关，转向预防性保护为目的的机理研究。“十一五”以来，在科技部和国家文物局的持续支持下开展了土遗址关键技术研发与土遗址表面劣化和结构失稳病害机理的初步探索，抢救了一大批濒危土遗址。囿于土遗址预防性保护中的浅表层劣化机理研究仍不够深入，相对于降雨、温度、风沙和盐害等因素，冻融作用诱发的土遗址病害机理尚未得到有效关注，而我国72.4%的土遗址分布在冻土区，土遗址冻融病害成为当前学界关注的焦点。因此，针对冻融环境响应特征不明、浅表层劣化机理不清、劣化宏-微观表征方法不完善、原位监测技术不成熟等难题，土遗址冻融破坏机理与监测技术研究成为土遗址预防性保护的重大科学问题和需求。
项目按照“冻融响应—演化机制—指标表征—应用示范”全链条一体化实施思路，通过风险区划、数值计算、足尺模拟、机制推演、表征分析、装置研发、应用示范等手段有机结合，基于土遗址冻融病害分布特征及赋存环境关系、典型冻融环境下土遗址水—盐—热—力耦合演化机制、土遗址冻融劣化宏—微观表征方法与关系、冻融病害原位监测技术装备研发与应用示范等4个课题的研究，全面实现“土遗址冻融破坏机理与监测技术研究”的总体目标。
项目考虑冻融、积雪天数等频次，周期、幅值等环境要素提出了土遗址冻融区划标准，完成了5个大区、21个亚区、42个小区的划分，构建了土遗址冻融环境多层次区划体系；调查了分布于我国10省的29处土遗址，发现青藏大区、西北大区、东北大区土遗址受冻融作用最为明显，其中甘肃天祝长城、新疆北庭故城、内蒙古元上都遗址分别为上述三个大区冻融因素影响的典型代表；完成了典型区域病害的实地调查，构建了土遗址冻融病害分类方法，总结了冻融病害演化过程，归纳了典型病害诱发—萌生—发育—破坏等不同阶段的特征；构建了病害易发性评估、环境因子与典型冻融病害关系模型，完成了冻融病害空间预测。上述研究成果使我国土遗址冻融环境的分布特征更加清晰，为不同区域土遗址面临的冻融风险提供了空间认知依据。基于此，地方政府可根据自身所处区划和遗址本体的重要性，有针对性地确定冬季巡查重点、监测布点位置和防护等级，以及开展相应保护工程应重点关注冻融影响特点，避免因环境认知不足出现防护措施不到位或投入失衡等问题，为土遗址日常管理和风险预判提供了支撑。
聚焦高寒高湿区、积雪突融区与植被覆盖积雪区等3类典型冻融环境，明确了冻融作用下粉化掏蚀、片状剥落、顶缘滑移和根系层分离等病害的破坏模式和环境特征；深度挖掘土遗址环境与病害海量监测数据，凝练典型冻融区域的环境因子时序数据，确定与实际环境因子序列高度一致的周期性时序特征指标，精简低幅值、高频率、弱响应因子的加载量，明确单一因子的周期性加载参数，基于典型冻融病害的演化模式与相似性理论，构建了考虑时序、幅值与频次等特征的环境高相似度仿真加载数学模型，形成了基于冻融环境多要素模拟的加速实现路径；根据土遗址冻胀粉化破坏的边界条件，设计了标准尺寸试样冻融循环试验极值加载边界条件，为室内足尺模型试验设定了考虑温度、盐分补给、降雪量与阴阳面的环境模拟加载工况；根据片状剥落、顶缘滑移和根系层分离病害特点，分别制备了考虑坡度、密度、浅表层高含水等特征，考虑顶面尺寸、坡度、密度等特征，考虑顶面植被、坡度、密度等特征的室内试验模型和足尺现场试验墙，开展了典型冻融环境下病害发育过程的模拟；通过片状剥落、根部掏蚀、顶缘滑移和根系层分离等病害发育过程的多参数捕捉，揭示了差异冻融环境水—盐—热—力耦合作用下土遗址发生结构变化—物质分异—性能衰退—结构失效的作用机制。通过对典型冻融环境的系统模拟，以往只能在现场长期观察的病害演化过程在实验条件下实现加速再现，使冻融破坏的发生条件和发展规律更加直观可控，为判断不同环境条件下病害的易发类型和发展速度提供了重要参考。
基于冬季降雪冻融期现场调查及室内试验分析，构建了粉化掏蚀浅表层体积膨胀阶段近红外反射光谱与颗粒组成、密度、含水率宏微观映射关系，明确了结构弱化、粉化脱落阶段近红外反射光谱与含水率等关联关系；构建了片状剥落浅表层物质迁移阶段色度与矿物成分、颗粒组成、孔隙分布的宏微观映射关系，明确了颗粒团聚、片状剥落阶段的色度与矿物成分、颗粒组成等关联关系；构建了顶缘滑移浅表层疏松阶段表面孔隙率与密度、波速、土体孔隙率宏微观映射关系，明确了融雪冲刷、滑移垮塌阶段孔隙率与密度、波速等关联关系；构建了根系层分离界面弱化阶段含根量与孔隙度、持水量、干密度的宏微观映射关系，明确了根系层分离阶段含根量与孔隙度、持水量等关联关系。宏-微观映射关系的建立，使冻融病害从经验判断逐步转向基于指标检测的量化识别，为现场病害评估提供了更加客观的技术手段。管理和技术人员可通过颜色变化、波速、根系发育等表面信息，快速判断浅表层结构变化情况，更早发现隐蔽风险，为科学决策和及时干预赢得时间。
根据冻融病害典型类型及宏微观表征方法，考虑原位监测无损微损技术、表征指标精准度的要求，筛选适宜土遗址冻融病害原位监测指标并划分为3级10类；依据冻融病害的作用范围和表现特征，提出由宏观到微观的“大尺度区域环境、中尺度遗址整体状态、小尺度病害发育过程”三级原位监测体系；在监测指标分类体系的基础上，对不同指标的重要性和优先级进行科学排序，划分为“必测项”“一般项”和“选测项”三个级别；研发非接触式监测技术开展土遗址冻融监测，减少对土遗址本体的干扰，融合结构化和非结构化数据进行准确的冻胀力监测分析；构建了高寒高湿区、积雪突融区、植被覆盖积雪区土遗址冻融病害原位监测技术，通过色度、近红外反射光谱等宏观指标，以及矿物成分、孔隙率等微观指标的监测明晰了冻融病害劣化过程及关键节点，并已在3处遗址应用示范获取了连续一年的监测数据。项目所提出的分级监测体系，突出“少而精、分层级”的思路，既满足全面掌握遗址状态的需求，又兼顾基层单位的实际条件，通过明确“必测项”和“一般项”，可有效避免监测项目盲目铺开、数据堆积却难以利用的情况，使有限的人力、资金和设备投入发挥更大效益，提升监测工作的针对性和可持续性。
项目研究解决了土遗址冻胀融蚀响应与赋存环境关联关系、差异冻融过程水—盐—热—力耦合作用下的土遗址劣化机制、冻融劣化细微观特征与宏观现象映射关系等3项科学问题，实现了基于土遗址冻胀融蚀响应的环境边界条件优化、基于冻融环境多要素模拟的加速实现路径、宏观现象动态识别与细微观结构表征、基于宏微观映射关系的无损微损原位监测等4项技术。项目研究成果已在多处典型遗址开展示范应用，验证了相关技术和方法在实际环境中的可行性和稳定性，初步形成了一套可复制、可推广的冻融病害监测与风险管控路径。相关经验可为冻土区土遗址日常维护、年度工作计划制定和保护工程前期论证提供参考，推动土遗址保护工作由被动抢修向主动预防转变。
（作者单位：敦煌研究院）
