植被覆盖下土遗址根系层分离病害足尺模拟方法研究

Study on full-scale simulation method of root layer separation disease in soil sites under vegetation cover

摘要

我国北方大量土遗址长期处于季冻土半湿润区，受冻融循环、积雪覆盖及植被根系共同作用影响，在反复冻结与融化过程中普遍出现以表层冻胀、界面弱化、根系层滑移为特征的分离型劣化病害. 以元上都遗址为代表，针对该类病害的发生机制与演化规律，基于遗址实际夯筑工艺与环境要素的高度还原性，构建了一套可复制的足尺模拟原位监测体系，首次实现了环境气象、水热响应、结构破坏与表面影像的多源集成监测，并通过土壤水热耦合分析揭示病害前兆特征. 依托该方法开展的现场试验表明，墙体顶部根系层下方阴面存在显著的高湿-低温耦合界面，为病害潜在发育的敏感带. 尽管监测周期内未出现实景滑移破坏，但系统已成功识别病害前兆区域，为寒区土遗址复杂病害的长时段演化监测与动态预警模型构建提供了理论依据和技术路径.

Abstract

A large number of soil sites in northern China have long been located in the semi-humid area of seasonal frozen soil. Due to the combined effects of freeze-thaw cycle， snow cover and vegetation roots， separation diseases characterized by surface frost heave， interface weakening and root slippage are commonly observed. Based on a highly reductive construction of the actual ramming process and site environmental conditions， a multi-source integrated monitoring of environmental meteorology， hydrothermal response， structural failure and surface image was realized for the first time， and the precursor characteristics of the disease were revealed through hydrothermal coupling analysis. Field experiments based on this method demonstrate that a distinct high-humidity and low-temperature coupled interface exists on the shaded side beneath the root layer at the top of the wall， representing a sensitive zone for potential damage development. Although there is no real-world slip failure during the monitoring period， the system has successfully identified the precursor areas of diseases， which provides a theoretical basis and technical path for long-term evolution monitoring and dynamic early warning model construction of complex diseases in cold soil sites.

土遗址作为人类历史文明的重要载体，在我国分布广泛、类型多样，囿于复杂环境影响而面临严峻挑战^［1］. 中国有大量土遗址分布于季冻土半湿润区，在长期冻融循环、积雪覆盖与植被根系扰动的共同作用下，出现以表层土体冻胀破坏、界面弱化滑移为特征的根系层分离病害，严重威胁土遗址本体的安全保存与永续利用. 以元上都遗址为代表，该遗址地处内蒙古高原中东部，属温带大陆性季风气候区，位于典型草原区与森林草原区过渡带^［2］，具有独特的草原风貌. 在Chen等^［3］提出的中国土遗址冻融环境区划中，属于华北大区Ⅳ-IMP-1亚区，对冻融劣化的易感性为中低等级. 该区域多年冻融频繁、草本植物茂密、积雪期长，形成了冻融-积雪-植被耦合作用的典型病害演化环境.

目前，已有研究主要聚焦于冻融循环对土体力学性质与微观结构的劣化机制. 刘宽等^［4］、郑方等^［5］和郑郧等^［6］通过显微观测和剪切试验，揭示了冻融引发的孔隙破坏、水-冰相变及强度衰减等规律. 积雪和植被对浅层土体热湿迁移的影响也受到广泛关注. 刘倩倩等^［7］、张小磊等^［8］和付强等^［9］指出，积雪覆盖通过延缓冻结、加速融水下渗，加剧土体含水率波动，显著改变土体水热状态. 金会军等^［10］、Luo等^［11］和王根绪等^［12］研究则表明，植被类型与覆盖度对活动层厚度和地温分布具有重要影响. 在根系作用方面，Wang等^［13］、吴青柏等^［14］和徐华等^［15］发现生物根系结构可增强土体抗剪强度并改善其水力特性，具有加筋固土效果. 尽管已有研究在单因子环境作用下已取得一定成果^［16］，但系统探讨冻融-积雪-植被多因子耦合机制的研究仍较少，特别是在足尺尺度下监测根系层分离全过程的研究尚属空白. Edwards等^［17］与常晓丽等^［18］指出，植被与积雪的协同效应在寒区土体变化中常被忽视. 朱晶等^［19］则进一步强调了尺寸效应对夯土响应机制研究的重要性.

综上，虽然已有研究从不同角度探讨了单一影响因子，但尚缺乏多因子协同作用机制的系统性实证支撑，特别是原位足尺条件下的动态演化过程尚未揭示. 元上都遗址位于典型的半湿润季冻区的草原-森林草原过渡带，具有频繁冻融、积雪期长、草本根系发达等环境特征，其地理位置、气候条件和植被格局具有较好的代表性，能够反映华北大区土遗址的普遍环境背景. 因此，以元上都为研究对象，具有典型性和代表性. 本研究基于元上都遗址实际环境，构建足尺模拟平台，集成多源传感监测，系统模拟植被覆盖积雪环境下根系层分离病害的形成与演化机制. 需要说明的是，本研究结果主要适用于与元上都遗址所在气候带、地貌环境和土质特征相近的遗址，对于差异显著区域的遗址，还需进一步通过多点试验进行验证.

1 试验方案

1.1 遗址概况

元上都遗址地处滦河上游闪电河北岸的金莲川草原，位于东经116°09′50″~116°11′40″，北纬42°20′52″~42°22′13″，海拔1 265~1 281 m^［20］. 从地形上看，遗址东南方向多为丘陵，呈东北-西南走向，海拔略高于遗址，在 1 300 m左右；遗址北方大部为浑善达克沙地，呈西北-东南走向，地势平坦^［21］. 由于缺少高山对气流的阻隔，该地区的风蚀地貌以及遗址的风蚀病害广泛发育［图1（a）］. 元上都遗址在布局上呈三重城垣结构，由外城、皇城与宫城依次嵌套组成. 根据考古调查和史料记载，元上都三重城垣并非同时期建筑，皇城与宫城修建较早，建筑规格与构筑方式基本相同，墙体夯土比较纯净，夯层均匀；外城在皇城的基础上扩展而来，墙体则由黄色杂土夯筑而成，且夯层厚度不均^［21］. 从遗址城墙保护现状来看，皇城［图1（c）］与宫城［图1（d）］城墙保存相对较好，外城城墙严重风化，外形特征不明确［图1（b）］.

1.2 环境特征

元上都遗址属温带大陆性气候，昼夜温差大. 根据多伦淖尔气象站数据（距遗址约30 km，数据来源于rp5.ru）［图2（a）］，当地冬季自10月下旬持续至翌年3月，气温低且历时长；夏季短促凉爽（6—8月），平均气温约20 ℃. 年际气温变化总体稳定，但冬季低温持续时间有所延长，极端低温事件频率下降. 冻融循环多发生在10—11月及翌年3—4月，单日温差平均约14 ℃，是遗址冻融破坏的关键期. 受蒙古-西伯利亚气流影响，秋冬季大风频发，最大风力可达9级以上，主导风向为西风和西北风［图2（b）］. 寒潮来临时气温骤降并伴随强风，风寒效应显著.

元上都遗址所在金莲川草原属草甸草原类型，典型植被包括克氏针茅、大针茅、羊草、隐子草、冷蒿及杂类草^［22］. 遗址墙体植被以多年生草本为主［图3（a）］，少量分布灌木［图3（b）］，皇城东、西墙处局部见乔木 ［图3（c）］. 草本根系主要集中于0~30 cm浅层，形成致密网状结构，有助于固土护坡.

受土壤多孔介质特性和可溶盐类影响，土壤在-4~0 ℃区间呈水-冰两相态. 为研究冻融作用，将单日内气温最高高于0 ℃、最低低于0 ℃的过程视为一次冻融循环. 根据近20年气温统计（图4），遗址区年均冻融天数为198 d，其中冬季冻融期41 d，全冻期104 d，春季冻融期53 d.

1.3 病害特征

元上都自忽必烈时期修建，至今已七百余年，城墙轮廓较为清晰，部分墙体高6 m，遗址表面整体植被层覆盖，墙体上草本植物覆盖度较高，在风蚀作用下，墙体表面出现磨损、剥落、粉化等病害，短时间的强降雨在遗址表面形成较为明显的冲沟，特别是受冬季低温、积雪和反复冻融影响，植被覆盖的遗址表层出现根系层分离滑移病害较为普遍，对元上都遗址的完整性与历史价值构成了极大威胁.

植被根系层分离病害发生于冻融循环期，遗址表层在反复冻结消融交替作用下，土壤水分在液态与冰晶态之间转换. 尤其是冰晶体积膨胀对土体产生压力，积雪冻融期反复消融、渗透，植被覆盖层和界面区域含水率急剧上升，全冻阶段冻胀压力和体积膨胀达到极值，特别是根系层与遗址土体界面因体积膨胀差异，容易形成层界面的胀裂变形甚至分离；消融阶段，土体孔隙增大，结构严重受损，逐渐松散.经多次冻融循环，遗址表层10~20 cm范围内，植物根系可发挥加筋固土作用，黏土颗粒相对稳定，植被覆盖层与遗址土体界面颗粒间黏土矿物逐渐被迁移，黏结力大幅降低，致使植被覆盖层土体特性与下部土体产生差异，形成分离界面. 春季融雪水的侵蚀增加了土体含水量，进一步降低土体抗剪强度，植被覆盖层土体在自身重力作用下，易沿层界面发生分离滑移. 此外，风力通过植物茎干传至根系，使根系及周围土体受到额外作用力，受多种因素综合影响，极大削弱了上部土体稳定性，最终导致滑移滑塌现象（图5），严重威胁遗址的完整性与稳定性.

2 现场试验场设计

2.1 试验场选址

大型模拟试验场的选址决定试验结果与原址病害的相似性，要充分考虑试验场与原址区域环境特征的高度一致性，试验墙体的走向、外形体量、工艺和材料等均要尽量相同，也应考虑试验场不影响遗址的整体风貌. 只有在相似环境下开展模拟试验墙的风化机理研究与监测，所获取的数据和所捕捉的破坏现象才能真实反映遗址在自然环境下的实际情况，为遗址本体病害机理研究、原位监测和保护措施制定提供依据，经过严谨考量与实地勘察，元上都试验地选定在遗址区外城北墙中段南侧约300 m处，精确坐标为东经116°11′24″，北纬42°21′36″.试验场与遗址城墙的相对位置如图6所示.

从景观协调性看，该位置位于皇城与外城间，周边是广袤草场，在此试验不破坏景区风貌，未来景区规划时试验区域易融入整体景观，无须大规模改造. 选址距遗址有一定间隔，避免试验研究干扰游客参观，对专业团队和研究者可以开放参观，试验地与遗址处于同一区域，光照、气温变化规律相同，自然侵蚀作用一致，风力条件相当，风蚀程度和破坏模式能准确对应.植被以羊草、克氏针茅等多年生草本为主，覆盖率相近，植物根系对土壤的固持与扰动作用类似，试验墙与遗址环境在多方面高度契合，试验场地用土与元上都遗址土同属一个地质构造区域，均以粉砂质土壤为主，土壤颗粒组成、孔隙结构、理化性质相似，颗粒黏结力、水分保持与渗透能力相近.

2.2 试验墙设计

元上都遗址的夯土墙体采用版筑工艺，夯层厚度约7 cm，外部包砌砖石以增强结构稳定性和防御性能. 调查发现，墙体的根系层分离发生在墙体风化、外包砖脱落之后，典型根系层分离病害如图7所示.为精准模拟病害环境，试验墙采用裸露夯土结构，去除外包砖，以消除附加结构对病害发育的干扰.当地季节性冻土深度约为1.2~1.4 m，为了避免墙体发生严重的冻胀破坏，应确保墙体不因底部传导而双向冻结.同时，保持试验墙结构稳定，墙体厚度应大于两倍的冻土深度. 同时保留部分高约1~2 m的直立结构，其下方为遗址墙体风化堆积坡段. 利用无人机三维扫描技术，对城墙进行测绘，生成三维模型，提取墙体截面形态进行分析，结果显示，堆积坡坡度为30°~50°，墙体顶部与堆积坡植被覆盖度相当，植被类型以多年生草本植物为主. 根系层分离病害主要集中于皇城与宫城的城墙顶部，多见于阳面及迎风面. 其主要表现为上部植被根系层与下部土壤分离，并沿分离界面向墙体外侧滑移，滑动植被覆盖土体部分，会因降雨、降雪、风蚀等因素风化脱落，导致仍与下部墙体相连的根系层中的植物根系暴露在外，根系层分离导致墙体表面出现不规则隆起. 多年生草本植物根系在浅层土壤蔓延生长，是引发根系层分离病害的关键因素之一；阳面及迎风面受强光照、冻融作用影响，会加速墙体风化，削弱墙体结构稳定性，这与病害高发密切相关. 考虑到植被生长期长、人工培育困难，试验墙体采用原生土壤和根系揭取草皮的方式，移植栽种至试验墙体浅表层，经夯实回填以确保根系层与夯土墙体的紧密连接.

综上，为使试验墙形制更接近遗址现状，试验墙主体形状设计为底面长、宽均为3 m，高3 m，上宽 2 m的棱台，在主体墙底四周夯筑坡度为45°，坡长为0.9 m的堆积坡，同时在墙体顶面和堆积坡面采用人工移植方式铺设草皮.

2.3 监测体系的建立

现场足尺模拟试验监测系统旨在精准捕获植被覆盖积雪冻融环境作用下，根系层与遗址层界面冻胀疏松和分离滑移的破坏演化过程，通过建立集区域环境、试验墙外部病害现象捕捉和内部特征监测于一体的系统，为墙体内部特征与外部变化关联的研究提供数据支撑. 调查发现，冻融引发的根系层分离病害与气温、日照辐射、植被覆盖度、降雪强度等因子紧密相关，气温和日照驱动覆盖积雪融化渗透、水分迁移、土体冻胀、消融流散，覆盖度影响降雪对土体的侵蚀程度，降雪为土体增添水分，改变土体湿度，其频率与强度决定水分在土体中的渗透深度与速度，深度参与冻融循环中的水分变化过程. 植被覆盖层由于根系的加筋改变了与原遗址响应的特征，根系层与遗址土层界面是最大的变形结构面. 为了精确掌握植被根系层分离过程中墙体内部的水-热运移状况，全面揭示生物根系作用下土遗址冻胀界面弱化和根系层分离演化过程，建立元上都现场足尺试验墙综合监测体系.

2.3.1 环境气象站

本试验专注于足尺试验墙周边小范围区域的环境变化监测，气象站的布设位置与试验墙体之间需保持适宜距离，以便有效捕捉该区域的环境变化全过程. 同时，为保证监测数据的精准可靠，气象站的选址需避开墙体阴影区域，且选择主导风向的上风向位置.

在仪器设置方面，为降低风场扰动，防止湍流对风速监测造成干扰，风速仪与墙体的间距至少要大于1.5倍墙高. 为减少热辐射干扰以及避免尘土和积雪的影响，气温传感器需要配备防辐射罩. 鉴于元上都遗址区存在极端低温天气，所选用的传感器工作温度区间应能满足-40~40 ℃的严苛要求，气温测量分度值要小于1 ℃，湿度测量分度值应小于1%RH. 另外，为有效预防雷击，确保设备在复杂天气条件下稳定运行，还要求传感器的接地电阻较小.

综合上述环境监测的各项需求，本试验采用超声波一体式小型气象站. 此气象站功能齐全，涵盖风速、风向、空气温度、空气湿度、雨量、光照强度等多个监测指标，其温度量程为-50~80 ℃，在气温与湿度的监测精度方面表现出色，精度分别达到了0.1 ℃和0.1%RH. 该气象站位于试验墙西北-东南对角线的西北向延长线上，与墙体水平距离5 m，垂直地面高度4 m的位置，以此实现对试验墙周边环境的全面、精确监测.

2.3.2 宏观现象捕捉设备设计

宏观监测采用延时摄影、人工测绘和取样分析等方法.试验场中，在试验墙南北距离墙体立面2 m处，各安置一台与试验墙体等高的近距离ATL3500延时摄影机，用于监测阴阳墙体植被根系的变化情况. 在墙体西面距离4 m处，设置一台垂直高度为2.5 m的较远距离延时摄影机，监测墙体迎风墙面的总体变化特征. 此外，在围场的东南角和西北角距墙体分别为5 m、6 m处各安装一台高视角全场影像监测摄影机，并于东南角加装全景监测摄像机. 考虑到对试验墙体的影响最小化，将风光一体发电机放置在试验场东北角，使其处于试验墙体阴面和主导风向下风向，在发电机下方安装数采仪柜，采用CR1000X数据采集仪采集传输试验场监测数据，确保实时监测. 同时，在发电机旁边设置电源箱储备电力，以便在发电功率不足时，仍能保证设备正常供电. 各宏观监测设备空间位置关系如图8（a）所示，与试验墙主体的相对布设位置如图8（b）所示.

2.3.3 墙内传感器设计

为获取试验墙内部精细的水热变化规律，采用集成水热监测功能的MTD15型传感器，温度与含水率监测精度分别达0.1 ℃、0.01%. 考虑到墙体阴阳面受太阳辐射差异影响显著，以南北中轴线为参照，在墙体及堆积坡内部对称布设温湿度传感器，监测不同光照及植被覆盖条件下的水热迁移过程. 根据墙体水热演变规律及病害敏感部位，将监测区域划分为重点监测区和补充监测区：前者布设密度较高，以捕捉病害关键节点与突变特征；后者布设密度适中，兼顾监测精度与经济性. 重点监测区包括顶部根系分离区（FL）、潜在滑移区（HY）、主体界面及风化区（FH）、堆积坡风化区（DJ）；补充监测区包括基础监测区（JC）和主体监测区（ZT）. 具体布设情况见表1及图9. 以单侧布设为例，FL区（为保证根系层的完整性，顶部根系层分离区传感器布设于根系层与下部夯土之间的交界面）：水平布设，呈“两横一纵”对称分布，纵向7个，横向两路共12个；HY区（高245~259 cm，南北对称布设）：垂直布设，间距14~21 cm，单侧3个，共计6个；FH区（主体墙浅表层，高112~224 cm，南北对称布设）：统一埋深2 cm，垂直间隔56 cm，单侧3个，共计6个；DJ区（堆积坡风化带监测区，高28~84 cm）：埋深7~35 cm，单侧4个，共计8个；JC区：埋深0 cm、25 cm、50 cm，各布设7个，共计21个；ZT区：分两组布设，一组埋深60 cm，高度28~252 cm，南北对称布设，单侧6个，共计12个；另一组沿中心线分布，高度28~224 cm，共4个. 上述所有传感器均布设在墙体南北轴线所在的垂直平面内，除分布在墙体中心的传感器外，其余传感器均沿墙体南北截面的中轴线对称分布.

墙体表面风化、植被生长及降雪厚度监测，采用试验墙体外部安装长时序摄影定点采集，用深植于土体的亚克力棒标尺获取各项指标变化. 亚克力棒通体透明，其上红黄相间，间隔5 cm，均匀布设于墙体顶部及堆积坡南北中轴线往东偏20 cm，东西中轴线往南偏20 cm，布设间隔为顶部52 cm，堆积坡为20 cm.

通过高精度传感器实时监测并记录变化，可细致观察冻融循环过程中墙体结构的宏观变形特征以及土体微观结构的动态变化，直观呈现墙体内部温度场的时空演变、水分运移路径与速率，以及根系层在冻融交替作用下的响应特征. 此试验墙体不仅能模拟单个冻融周期内的土体变化，还可多次重复试验，积累大量数据，特别是长期监测可实现文化遗产长时序累积作用影响的特征模拟，可为深入探究根系层在长期冻融效应下的演化规律提供有力支撑.

3 试验墙的制作与运行

3.1 墙体制作

试验土取自闪电河下游河畔（去除表层20 cm根系层土），其颗粒级配与遗址土相似（图10），并采用轻型击实仪进行击实试验测得最优含水率为14.36%，最大干密度为1.74 g/cm³. 为保证夯筑质量，试验土均按最优含水率配制，并经闷土处理以使水分分布均匀. 夯筑过程中每批次闷制土样中随机抽取3组检测含水率与干密度（图11），确保其与最优含水率的偏差控制在3%以内，最大干密度的偏差控制在0.6 g/cm³以内. 为避免初始含水对墙体内部水热耦合效应造成干扰，试验墙在运行前应处于低含水或近干燥的初始状态. 其判据为：墙体表层含水率控制在10%以内，且内部含水率在24 h内变化幅度不超过5%.

在试验墙选定位置使用木制模具搭设试验墙主体框架，挖去土体表层20 cm的植被及根系层，采用平底夯锤夯实基础. 按照元上都遗址墙体夯层厚度铺土逐层夯筑试验墙，夯层厚度为7 cm，允许误差为±0.2 cm，按照传感器设计布设位置进行埋置，逐层夯筑至39层，铺设顶部传感器，第39层夯筑完成后，对其顶面进行界面糙化处理，并喷洒细粒土浆，以增强与上覆根系层的黏结与咬合. 第40层夯土采用虚夯工艺，以较低夯击能量控制密实度，形成由致密夯层向根系层的渐变过渡. 随后将分块挖取的草皮覆盖于墙体顶部，并轻度夯实使其与虚夯层紧密结合，前期定时浇水养护以保证草皮成活和界面稳定. 拆除模具，待墙体失水相对稳定后，根据试验墙设计主体尺寸与形状，用工具切削修整墙体，使其外观与尺寸符合设计，误差不大于±5 mm. 试验墙底部堆积层夯筑工艺相同，栽培夯实草皮并浇水养护. 试验墙制作流程如图12所示.

3.2 监测系统安装

在单层墙体夯筑完成后，按照传感器布设图（图9）的位置，安装MTD15型传感器［图13（a）］. 传感器均待夯筑完成后通过二次开挖埋设，确保其位置符合设计坐标要求，坐标误差不大于10 mm. 在安装前，应清除布设位置处的夯窝，平整布设面，以保证传感器安装位置的准确性和稳固性. 按照设计要求测量确定传感器放置位置，理顺接线，并覆土固定传感器及其接线. 完成该层所有传感器的安装后，将传感器接入CR1000X数据采集仪［图13（e）］，监测频率设为5 min/次，核验其正常运行，然后按照既定的夯筑流程进行下一层的夯筑施工.

在试验墙夯筑完成后，根据外部监测设备布置图（图8），在试验墙周边安装ATL3500摄影机［图13（c）］、一体化气象站、全景影像机［图13（d）］以及风光一体发电机［图13（b）］，拍摄间隔设定为10 min/次，并将所有监测设备统一接入数据采集仪［图13（f）］. 延时摄影可直观记录墙体顶部根系层的融雪渗透、冻胀侵蚀及根系分离滑塌等动态变化过程. 结合墙体上布设的亚克力棒，可精确观测墙体表面的风化深度、墙顶植被生长和积雪厚度，为监测植被覆盖积雪冻融环境墙体病害的时空演变规律提供更全面的数据支持. 布设完成后的试验场如图14所示.

4 结果与分析

本试验针对植被覆盖积雪环境下根系层分离病害，建立了足尺大型模拟试验场，并实现了监测系统的稳定运行. 研究重点包括试验区域气象特征监测、墙体内部水热迁移规律总结、潜在滑移界面识别，以及整体仿真方法体系的可行性评估. 本试验结果与分析主要基于秋末至初冬阶段的监测数据，旨在验证系统运行的可行性并识别病害潜在发育区域. 后续研究将重点纳入冬季全冻期及春季融雪冻融频发期的典型监测数据，以进一步揭示根系层对温湿分布的时空调控作用和病害演化机理. 由于目前试验周期较短，尚未实景观测到滑移破坏现象，但通过对环境及水热监测数据的系统分析以及结构响应特征的综合判断，已初步推测出病害发育的前兆特征，为后续长时段观测与模拟研究提供了可靠基础和技术支撑.

4.1 环境监测与冻融趋势分析

试验期间，超声波气象站成功获取了连续的气温、相对湿度、风速风向等环境参数，形成了完整的区域气象数据集. 如图15所示，2024年9—10月期间，试验场区域日均气温整体呈下降趋势，10月下旬首次出现最高温度大于0 ℃而最低温度低于0 ℃的典型冻融循环日，标志着冬季冻融循环期的正式开始. 相对湿度在进入10月后波动幅度显著增大，空气湿润度对土体水热迁移的显著影响逐步显现.

风速与风向监测结果（图16）显示，秋季后期西风（W）和西北风（NW）频率显著增强，最大瞬时风力达到9级. 试验场主导风向与多伦淖尔气象站记录主风一致，且风力强度足以对墙体热交换、积雪搬运及表层干扰产生实质性影响.

4.2 试验墙内部水热响应

墙体内部温度与含水率变化数据如图17所示，数据采集时间为2024年10月15日23时，处于典型的夜间低温时段. 从温度等值图可以看出，墙体整体呈现由外向内温度上升的梯度分布，外围坡体和墙体底部温度较低，最低接近0 ℃，而墙体顶部植被覆盖区域温度相对较高，中心最高可达13.5 ℃，热量主要集中在墙体阳面（南面）上方区域，反映出日照积热的滞后释放效应. 在墙体顶部根系层阴面，等温线较为密集且总体温度较低，表明该区域存在明显的温度梯度，热量传输受限，散热迅速，且夜间降温幅度较大. 这种热分布特征使得该部位容易形成冷陷区，冻结锋面更早到达并向墙体内部推进，加剧土体局部冻结速率.

从含水率等值图来看，墙体含水分布整体呈现中心高、边缘低的特征，高含水区集中分布于墙体内部中心区域，最大值可达32%. 墙体内部形成水分富集是多因素耦合作用的结果：一方面，顶部植被覆盖层具备较强的保湿与截留融水能力，使得融雪水优先在根系层及其下方区域渗透积累；另一方面，墙体结构热场分布不均，夜间冷陷区优先冻结形成水分迁移屏障，加剧了中心区域水分汇聚. 同时，墙体夯层结构致密、渗透性不均，进一步限制了水分扩散，强化了水热迁移向墙体中心集中的趋势. 对于墙体顶部根系层而言，在综合作用下，根系层下部阴面区域形成了明显的高湿集聚带，成为潜在冻胀与界面破坏的敏感区. 相较之下，阳面含水率略低但分布更均匀，说明热量主导下的蒸发与渗透过程更为充分，水分迁移趋势趋于稳定.

总体来看，含水率分布与温度场变化存在明显耦合特征，即低温高湿区域集中于墙体顶部和阴面根系层下方，是未来滑移或剥离病害发生的重点敏感区.

4.3 潜在病害发育区预测

通过分析试验墙内部水热数据可知，顶部根系层阴面下方区域是墙体热湿响应最为敏感的部位，具备发展为根系层分离病害核心区的潜在风险. 本研究对病害前兆区域的识别并非依赖单一量化阈值，而是基于机理性判断：监测结果显示该区域形成了显著的高湿-低温耦合带. 此类环境条件下，水-冰相变反复与含水率升高会显著削弱土体抗剪强度，使界面成为潜在滑移带. 因此，该耦合带的出现可视为病害孕育的前兆信号.

在冬季长期冻结阶段，该区域的冻结锋面推进更早，水分迁移受阻并在界面滞留；在春季融雪期，大量融水渗透将导致该区域含水率进一步升高，结构黏结力显著下降，剪应力积聚风险增加. 综合来看，根系层不仅改变了墙体顶部的热湿分布格局，还可能在冻融循环关键时期起到放大或加速病害演化的作用. 因此，冬季与春季典型冻融期的数据将是下一阶段验证病害演化趋势、评估根系层影响强度的关键依据.

需要指出的是，本轮监测周期仅覆盖秋末至初冬的初始冻融阶段，尚未进入全冻期和春季融雪高频冻融期，时间尺度偏短，这是未观察到宏观滑移破坏的主要原因. 同时，试验墙采用均匀夯实，初始含水率控制较低，其整体稳定性较高，也延缓了破坏的发生. 未来研究将从两个方面克服这一局限：一方面，延长现场试验的监测周期，覆盖全冻期与春季冻融期等关键阶段；另一方面，依托室内耦合环境模拟平台夯筑可控试验墙，在极端低温、高湿和快速融雪等工况条件下开展加速冻融试验，以缩短试验周期并更快验证病害的演化规律与破坏临界条件.

5 结 论

本次试验以元上都遗址为对象，围绕植被覆盖积雪环境下土遗址根系层分离病害的发生机制与监测手段，构建了具备代表性的足尺模拟试验系统，并通过环境与结构响应分析揭示了病害的潜在演化路径. 主要结论如下：

1）构建了高度还原的足尺仿真体系，填补复杂环境下病害原位模拟技术空白. 本研究首次融合元上都遗址实际形制与典型植被-积雪-冻融边界条件，基于传统夯筑工艺和现场采样材料，构建了集顶部生物扰动、垂向水热迁移与结构稳定性监测于一体的足尺试验墙. 配套建立了完整的环境气象-墙体水热-外部现象的监测网络，为寒区土遗址复杂病害的物理模拟提供了新方法和新思路.

2）识别出顶部根系层阴面区域为当前阶段最具滑移风险的潜在病害发育区. 监测结果表明，墙体顶部根系层下部存在明显的高湿-低温耦合带，特别是在阴面区域，形成了冻结锋面与水分聚集的动态重叠区. 该部位具备冻胀推动力、黏结力弱化和剪应力积聚等病害触发前兆特征，是未来滑移破坏的首要敏感带.

3）本研究可为土遗址病害的动态识别与监测提供理论支撑与方法范式. 虽然监测期内尚未实际观察到滑移现象，但足尺试验系统已实现对病害孕育条件、关键响应区域和演化趋势的识别. 后续将进一步开展长周期监测、环境加载调控与破坏临界条件识别，为建立寒区土遗址病害演化模型与预警评价体系提供重要基础.

4）本研究以元上都遗址为典型案例，所构建的足尺模拟方法及监测结果主要适用于北方季冻土半湿润区、草原-森林草原过渡带环境下高植被覆盖的土遗址. 对于气候区划、土质类型和植被特征存在显著差异的遗址，还需进一步开展多点对比与验证.

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