干濕交替與鹽漬雙重作用下干旱和半干旱地區(qū)土遺址劣化效應

崔凱，諶文武，匡靜，王旭東，韓文峰

(1. 蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室，甘肅 蘭州，730050；2. 蘭州大學 西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州，730000；3. 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，甘肅 蘭州，730050；4. 國家古代壁畫保護工程技術(shù)研究中心，甘肅 敦煌，736200)

在我國西部如新疆、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古和西藏的部分地區(qū)遺存了大量人類文明的遺跡，土遺址是其主要形式之一。干旱少雨的氣候環(huán)境使這些土遺址逐漸經(jīng)歷由病害發(fā)育到消失殆盡的量變到質(zhì)變漫長過程，一方面使土遺址不會迅速消亡，得以暫時保存；另一方面造成土遺址發(fā)育諸如表面風化剝離、底部掏蝕和裂隙等危害土遺址安全賦存的病害[1-4]。土遺址是賦存在一定環(huán)境中人類歷史文化的遺存物，環(huán)境因素尤其是氣候?qū)ν吝z址有顯著影響，集中降雨和快速蒸發(fā)是土遺址賦存地區(qū)普遍的氣候特征之一，也會使土遺址處于干濕交替環(huán)境之內(nèi)，一方面導致土遺址內(nèi)部的滲流場、溫度場發(fā)生改變，對土遺址產(chǎn)生一定的劣化作用[5-6]；而更為重要的是，干濕交替的環(huán)境會引起土遺址中的鹽分發(fā)生反復溶解收縮-結(jié)晶膨脹的鹽漬過程，從而加劇土遺址劣化[7-8]。目前關(guān)于后者的研究不多。國內(nèi)外諸多學者的研究集中于干濕循環(huán)對土體的劣化作用，認為該過程中水分的遷移會改變土體的微觀結(jié)構(gòu)，影響土體的強度、耐久性，并發(fā)現(xiàn)土體強度和耐久性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而衰減的規(guī)律[5,6,9-12]。然而，土體特別是遺址土是一個開放而復雜的系統(tǒng)，干濕交替環(huán)境對土體造成的破壞不僅僅限于導致水分的遷移和微結(jié)構(gòu)的改變，而更多的則是在土體內(nèi)部組分對這種環(huán)境的響應行為所造成的破壞，尤其是土遺址中易溶鹽因干濕環(huán)境而發(fā)生的鹽漬過程所導致的土遺址物理、力學和水理性質(zhì)的劣化行為，導致大量病害發(fā)育與發(fā)展。在此，本文作者以多處大型土遺址的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和物理參數(shù)為基礎(chǔ)，通過對實驗條件下?lián)饺氩煌客吝z址中常見的鹽分氯化鈉并經(jīng)歷干濕循環(huán)的遺址土重塑土樣的界限含水量、崩解、風洞和彈性波速實驗，研究干濕交替和鹽漬雙重作用下土遺址崩解、稠度、抗風蝕能力和彈性波速等與常見片狀剝離和底部掏蝕病害緊密相關(guān)的劣化規(guī)律。為了了解這2種病害的發(fā)生和發(fā)展探索原因，對土遺址劣化對環(huán)境因素響應的基本途徑進行探討，同時對氯鹽鹽漬土的相關(guān)特性進行研究。

1 實驗依據(jù)

1.1 干濕環(huán)境特征

通過分析鎖陽城遺址、明長城遺址、西夏王陵遺址、車師前國國都遺址和蘇巴什佛教遺址等大型土遺址賦存的新疆、甘肅、青海和寧夏部分地區(qū)的氣候資料(1990—2005年)可知：這些地區(qū)濕潤系數(shù)為0.014～0.229，年平均相對濕度為39%～58%(見表1)，為典型的干旱環(huán)境；但集中降雨發(fā)生時，該地區(qū)相對濕度達到 80%以上，甚至有些地區(qū)接近 100%，但很快會在強烈的蒸發(fā)作用下恢復到年平均濕度[13]。這種干濕交替環(huán)境為土遺址的劣化過程提供了先決條件。

表1 部分土遺址賦存地區(qū)干濕環(huán)境特征Table 1 Feature of dry-wet environment in some districts with earthern ruins

1.2 含鹽特征

在5處遺址處各抽取5個隨機樣品的易溶鹽進行測試，結(jié)果顯示：遺址易溶鹽含鹽總量為885～100.620 g/kg，而且易溶鹽陰離子主要以Cl-和SO42-為主，陽離子以Na+和Ca2+為主，見圖1。分析圖1得出NaCl是遺址土中最為常見的鹽分之一，且其質(zhì)量分數(shù)分布上限為1%。

圖1 土遺址易溶鹽含量隨機測試結(jié)果Fig.1 Random test results of DSC on earthern ruins

1.3 遺址土基本特征

上述土樣的物理性質(zhì)測試結(jié)果表明：其顆粒物質(zhì)組成中粒度小于 0.075 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)為53.91%～99.74%，粒徑小于0.005 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)為 6.13%～32.81%，塑性指數(shù)為 7～20，多屬粉土與粉質(zhì)黏土；天然密度為1.58～1.86 g/cm3，孔隙率為32.7%～46.4%。這種較為獨特的性質(zhì)與大多數(shù)土遺址建造時所采用“因地制宜、就地取材”的夯筑原則密不可分。遺址多位于河流的沖洪積平原，而且多采用“人工版筑”的建造技藝，這就決定遺址土具有由細粒粉土或粉質(zhì)黏土組成且密實度不均一的特征。

2 實驗材料與方法

2.1 試樣材料與制備

試樣所用土樣取自明長城山丹段坍塌處，顆粒組成中粒度小于0.075 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)為98.85%，其中粒度小于0.005 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)為10.14%，塑性指數(shù)為11.57，屬于粉質(zhì)黏土，將其充分碾碎并過孔徑為2 mm的篩備用。

對經(jīng)充分碾碎的土樣進行脫鹽處理。用去離子水以水土體積比大于10:1對土樣進行充分浸泡，采用臺式離心機以4 000 r/m實現(xiàn)固液分離，并測量濾液電導率。如此反復6次，直至濾液電導率＜300 μS/cm，即認為脫鹽成為素土[14]。而后，向脫鹽后的土體以質(zhì)量分數(shù)為0.2%的梯度增量摻入無水氯化鈉至1%，密封養(yǎng)護至鹽分均勻分布于土體后，在萬能試驗機下依據(jù)擊實實驗得到最優(yōu)含水率為19%和最大干密度為1.65 g/cm3，確定土水質(zhì)量；采用雙向擠壓法壓制成長×寬×高為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方體試塊。

所有試塊置于溫濕度控制室養(yǎng)護，所處環(huán)境溫度為20 ℃，空氣的相對濕度變化設定上限為90%,下限為40%，48 h完成1個干濕循環(huán)；通過恒溫而調(diào)高或降低濕度對試樣進行加濕-風干的循環(huán)養(yǎng)護3次。

2.2 實驗方法與儀器

2.2.1 崩解實驗

將各組含有不同含量氯化鈉并完成循環(huán)后的試塊切割成長×寬×高為3.0 cm×3.0 cm×3.0 cm的2組平行試樣完全浸沒于足量的去離子水中進行實驗。

2.2.2 界限含水量實驗

根據(jù)規(guī)范[15]，采用型號FG-Ⅲ型光電式液塑限聯(lián)合測定儀對含有不同含量氯化鈉并完成干濕循環(huán)后的試塊進行測試。

2.2.3 風洞實驗

采用直流下吹式多功能環(huán)境風洞對上述試塊在18，21，24和28 m/s風速攜沙風下進行不同吹蝕時間的風蝕實驗。

2.2.4 彈性波速實驗

采用 RSM-SY5聲波檢測儀對干濕循環(huán)前后的上述試塊進行垂直層面與平行層面的縱波波速測試。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 雙重作用下宏觀形態(tài)的變化

干濕循環(huán)后不同含鹽量試樣的界限含水量變化如圖2所示。從圖2可見：經(jīng)過3次干濕循環(huán)并摻入不同質(zhì)量分數(shù) NaCl的試塊在室內(nèi)自然風干后，表面均會有鹽分析出，并出現(xiàn)表面土體粉末化的現(xiàn)象，出現(xiàn)規(guī)模不等的裂隙；而試樣內(nèi)部的解剖結(jié)果則顯示：裂隙隨著深度的加深呈現(xiàn)漸沒的現(xiàn)象，鹽分的結(jié)晶也大量出現(xiàn)在試樣深部的土粒間孔隙之中。

圖2 干濕循環(huán)后不同含鹽量試樣的界限含水量變化Fig.2 Variation of boundaries moisture content of specimens mixed with different salinity contents after dry-wet cycle

3.2 雙重作用下界限含水量與崩解速度的變化

經(jīng)過干濕循環(huán)并摻入不同質(zhì)量分數(shù)的 NaCl的自然風干試塊界限含水量實驗結(jié)果顯示：(1) 未摻入鹽分的試樣干濕循環(huán)前后塑限和液限含水量以及塑性指數(shù)有小幅度變化，土的可塑性沒有明顯變化(見表2)；(2) 試樣的塑限含水量隨著摻入NaCl質(zhì)量的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢，而液限含水量呈現(xiàn)減小的趨勢，塑性指數(shù)也隨之減小，土的塑性大幅減弱(圖2)。通過分析以上2點可知：單純干濕循環(huán)條件對顆粒組分一定的遺址土的界限含水量和塑性改變很小，然而，在干濕循環(huán)和鹽漬雙重作用下，其塑限含水量較大幅度地增大，塑限含水量小幅度減小，塑性指數(shù)也大幅度減小，導致其可塑性減弱。

表2 未摻入鹽分試樣干濕循環(huán)前后界限含水量變化Table 2 Variation of boundaries moisture content of specimen unmixed with salts around dry-wet cycle %

上述試塊崩解實驗結(jié)果表示：在干濕循環(huán)和鹽漬雙重作用下，試樣的崩解速度隨著摻入 NaCl質(zhì)量的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢(圖3)，其中未摻入鹽分的試樣崩解速度最快，當含鹽量為0～0.2%時，崩解速度降低最迅速；當含鹽量為0.2%～1.0%時，崩解速度的變化較為平緩。這說明土中摻入的鹽分經(jīng)歷干濕循環(huán)后在土中的孔隙中發(fā)生結(jié)晶，而崩解過程水進入孔隙中引起顆粒間擴散層增厚，首先對孔隙中的結(jié)晶鹽分溶解，這個過程延長了整個崩解時間，導致崩解速度降低。

圖3 干濕循環(huán)后不同含鹽量試樣的崩解速度變化Fig.3 Variation of disintegration rate of specimens mixed with different salinity contents after dry-wet cycle

3.3 雙重作用下抗風蝕能力的變化

對在直流下吹式風洞中分別摻入質(zhì)量分數(shù)為 0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0% NaCl并經(jīng)歷干濕循環(huán)試塊在不同風速、不同吹蝕時間下進行攜沙風吹蝕實驗，結(jié)果見圖4和圖5。從圖4和圖5可見：(1) 在相同風速攜沙風吹蝕條件下，各組試樣的風蝕量都隨著吹蝕時間的延長而呈現(xiàn)遞增趨勢，含鹽量越大的試樣這種趨勢越明顯；(2) 在相同風速、相同吹蝕時間下，鹽分含量大的試塊的風蝕量和風蝕量增長率均比鹽分含量小的大；(3) 在不同風速、不同吹蝕時間攜沙風吹蝕條件下，各組試樣的平均風蝕速率(單位時間內(nèi)的風蝕量)也表現(xiàn)出隨含鹽量和風速增大而增大的趨勢，而且含鹽量高的試樣其風蝕速率對于風速變化的響應程度明顯比含鹽量低的試樣的響應程度高。以上3點充分說明土中單一的干濕過程對土樣在不同吹蝕條件下的風蝕量和風蝕速率產(chǎn)生的影響不大，對其抗風蝕能力的影響程度有限；而在干濕和鹽漬雙重作用下，干濕的脫濕干縮和吸濕膨脹的過程與鹽漬的結(jié)晶膨脹-溶解收縮的過程同時作用于土體結(jié)構(gòu)，促使其效果產(chǎn)生疊加效應，骨架與孔隙的反復收縮與膨脹使土體原生隱微裂隙張開、擴大、加深與連通，形成長大裂隙，加劇了土體結(jié)構(gòu)的破壞，導致其土顆粒間連接力變小，在風沙流中高速運動的砂粒的撞擊和磨蝕下迅速瓦解成為單個土粒而隨風沙流運移至它處堆積，因而表現(xiàn)出上述特征。

圖4 干濕循環(huán)后不同含鹽量試樣在風速18 m/s下風蝕量的變化Fig.4 Variation of wind erosion quantity of specimens mixed with different salinity contents after dry-wet cycle at wind velocity of 18 m/s

圖5 干濕循環(huán)后不同含鹽量試樣在不同風速下平均風蝕速率的變化Fig.5 Variation of average wind erosion rate of specimens mixed with different salinity contents after dry-wet cycle at different wind velocities

3.4 雙重作用下彈性波速的變化

近年來，人們廣泛用彈性波波速來評價巖土體物理性質(zhì)和力學性質(zhì)[16]。干濕循環(huán)前后，對上述試塊進行垂直層面與平行層面的縱波波速測試，結(jié)果見圖6。從圖 6可見：(1) 干濕循環(huán)前后，試塊垂直層面和平行層面的縱波波速都隨著摻入 NaCl的含量增大而減??；(2) 未摻入鹽分僅經(jīng)歷干濕過程試樣循環(huán)前后垂直層面和平行層面的縱波波速變化量最??；(3) 干濕循環(huán)前后試塊垂直層面和平行層面的縱波波速差隨著含鹽量的增長而明顯增大。以上規(guī)律充分表明：單純的干濕收縮或膨脹對遺址土的隱微裂隙擴展能力有限，土體干濕前、后2個方向縱波波速衰減幅度不大；然而，在干濕和鹽漬雙重作用下，不僅干濕交替對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，而且鹽分結(jié)晶與潮解過程水分子對土體骨架的楔入軟化作用劇烈，使得裂隙迅速且大規(guī)模擴張，因而表現(xiàn)為縱波波速在干濕前后隨著含鹽量的增大而大幅度衰減。

圖6 干濕循環(huán)前后不同含鹽量試樣縱波波速變化Fig.6 Variation of vertical wave velocity of specimens mixed with different salinity content around dry-wet cycles

4 討論

以多處土遺址所處干濕環(huán)境為參照、易溶鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，從經(jīng)歷干濕循環(huán)、不同含鹽量的遺址土的界限含水量、崩解、風洞和彈性波速實驗結(jié)果可以看出：遺址土在干濕和鹽漬雙重作用下，會出現(xiàn)崩解時間延長、塑性變?nèi)酢⒖癸L蝕能力降低、彈性波速衰減劣化，并且這種表現(xiàn)為土遺址在水-鹽-風的共同作用下片狀剝離、底部掏蝕病害的普遍發(fā)育提供了依據(jù)。

土作為多孔隙材料，在單純干濕交替環(huán)境下的吸濕與放濕過程實質(zhì)上是由氣-液界面產(chǎn)生的表面張力形成的土體吸水和失水過程，這種過程一般發(fā)生在土體表面或一定深度的微孔隙中，引起有限的孔隙壓力和體積膨脹。然而，在有易溶鹽參與的干濕和鹽漬雙重作用下，由于鹽分分布于土體各種孔隙中，水分在表面張力和鹽分離子引起的靜電力作用下向深部和各種孔隙中流動，而且該過程鹽分發(fā)生結(jié)晶吸失水，導致大量水分得失，一方面形成較大的孔隙壓力和體積膨脹，另一方面導致水分子對土體骨架的楔入軟化作用更加強烈，兩者的共同作用使得土體骨架剛度降低，結(jié)構(gòu)遭受嚴重破壞，因而表現(xiàn)出一系類列宏觀性質(zhì)的劣化特征。

片狀剝離病害的發(fā)育與該過程有密切的聯(lián)系。其實質(zhì)是在水-鹽-風沙流聯(lián)合作用下，土遺址經(jīng)歷了“風化殼形成→風化殼剝落”的重復演化過程[17－18]。片狀剝離的形成是在降雨作用下表面飽和崩解產(chǎn)生蠕動泥流，經(jīng)蒸發(fā)干燥作用形成龜裂狀外翹結(jié)皮。該干濕過程不僅使遺址表面土體發(fā)生崩解和稠度發(fā)生改變，而且使遺址內(nèi)部的易溶鹽向表面運移和匯聚，這樣導致含鹽土體在干濕交替環(huán)境下崩解和稠度發(fā)生改變。同樣，片狀剝離的剝落過程就是土遺址表面形成風化殼之后，在攜沙風中高速運動的砂粒的撞擊和磨蝕作用下脫離遺址的過程，而對干濕交替的含鹽土體的攜沙風吹蝕實驗則是對該過程最好的表述。

底部掏蝕病害的發(fā)育也與其有著密不可分的聯(lián)系。首先，在降雨蒸發(fā)的干濕過程中，鹽分在水分運移、毛細和蒸發(fā)作用下迅速向土遺址底部發(fā)生運移和聚集，形成鹽漬帶；鹽漬帶土體在干

濕交替和鹽漬雙重作用下，土骨架遭受破壞，土粒間連接力變?nèi)酰率雇馏w強度降低；然后，在挾沙風高速運動的砂粒的強烈撞擊和磨蝕作用下脫離土骨架成為自由土粒而被搬運到它處，在底部形成空腔[19]。干濕交替的含鹽土體的彈性波速實驗結(jié)果則直觀地表明了遺址土在雙重作用下強度發(fā)生衰減的特征；而上述試樣在不同時間吹蝕的實驗結(jié)果則直接反映了土體強度降低后在撞擊和磨蝕作用下脫離骨架被搬運到其他處的過程。

以上研究闡明了在干濕交替和鹽漬雙重作用下，水鹽過程使遺址土這種多孔隙介質(zhì)在表面張力和靜電力共同作用下發(fā)生水分得失，引發(fā)孔隙擴張、骨架軟化、粒間連接變?nèi)?，導致崩解性、塑性和抗風蝕能力等宏觀性質(zhì)劣化的原因，為片狀剝離和底部掏蝕這 2種嚴重威脅土遺址病害的發(fā)育和發(fā)展提供了基礎(chǔ)和前提條件。

5 結(jié)論

(1) 集中降雨和強烈蒸發(fā)的氣候的特征為諸如明長城遺址、西夏王陵遺址和蘇巴什佛教遺址等大型土遺址創(chuàng)造了干濕交替和鹽漬共同作用的賦存環(huán)境。

(2) 對摻入不同含量NaCl并經(jīng)歷干濕循環(huán)的試樣進行界限含水量、崩解實驗、彈性波速實驗和風蝕試驗，結(jié)果表明遺址土會發(fā)生崩解時間延長、塑性變?nèi)?、抗風蝕能力降低、彈性波速衰減等現(xiàn)象。

(3) 在干濕交替和鹽漬雙重作用下，水鹽過程使遺址土這種多孔隙介質(zhì)在表面張力和靜電力的共同作用下降雨入滲水分增大，蒸發(fā)水分減小，引發(fā)孔隙擴張、骨架軟化，粒間連接變?nèi)酰@是導致崩解性、塑性和抗風蝕能力等宏觀性質(zhì)劣化的本質(zhì)原因。

(4) 遺址土在干濕交替和鹽漬雙重作用下發(fā)生劣化為片狀剝離和底部掏蝕這2種嚴重威脅土遺址病害的發(fā)育和發(fā)展提供了基礎(chǔ)和前提條件。

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