干旱、半干旱地區干濕與鹽漬復合過程遺址土強度響應實驗研究

崔凱 ，諶文武 ，沈云霞 ，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 西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州，730000；3.蘭州理工大學 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.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州，730000)

土遺址作為一種常見的不可移動文物是文化遺產重要的組成部分[1-2]，是賦存在巖石圈表面的人類歷史文化遺存；在生物圈、水圈、大氣圈與巖石圈相互作用的漫長過程中，經歷著由病害發育到消亡的過程，因此，如何對土遺址進行科學認識和實施有效保護已成為工程地質學和巖土工程等學科的新興研究命題和焦點[3-6]。位于巖石圈表層的土遺址在圈層間的相互作用過程中，因外部環境因素更替引起內部溫度場、滲流場和應力場發生變化，導致其結構產生相應的調整，從而致使其物理、力學和水理等宏觀性質發生與之對應的響應行為[7-9]；其中由快速蒸發和集中降雨的氣候特征致使其強度發生劣化行為是最為典型范例之一。通常在土遺址集中賦存的干旱、半干旱地區的一場集中式降雨過后，緊接著就是強烈且快速蒸發，該過程不僅使土遺址處于干濕交替環境下，引起其內部滲流場和溫度場的改變；而且同時因為場變化引起部分易溶鹽分發生運移、結晶與溶解。因此，該過程使其構筑材料遺址土處在干濕和鹽漬雙重復合作用下。國內外諸多學者對單獨干濕作用土體強度變化進行了深入研究。Towner等[10-13]通過大量觀察與實驗認為：干濕變化導致水分增加，使得土體中聚合物的直徑增大超過了土體內聚合物穩定狀態時的直徑，從而影響了土體結構是其最為根本原因；龔壁衛等[14-15]認為：該過程中水分的遷移會改變土體的微觀結構，影響土體的強度、耐久性，并發現土體強度和耐久性隨干濕循環次數的增大而衰減的規律。然而，對于干濕和鹽漬雙重復合作用下土體強度的響應行為和機理的研究較少。我國歷史文化悠久，數目眾多的土遺址得以遺存，但是在環境不斷變遷的過程中，這些土遺址保存狀況岌岌可危，隨時存在徹底毀滅的危險，因此，相關研究亟待開展。基于此，本文作者以多處大型土遺址的鹽分和濕度監測數據為依據，分別摻入不同含量土遺址中常見鹽分氯化鈉和硫酸鈉，并對經歷干濕循環的遺址土重塑土樣進行抗拉、抗壓、抗剪強度實驗，研究在干濕交替和鹽漬雙重作用下，遺址土強度的可能發生響應行為與基本規律，探討土遺址量質變過程與特定環境因素變化的內在聯系。

1 實驗過程

1.1 實驗基礎

基于蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室2005～2010年在新疆、甘肅、青海、寧夏和內蒙20處土遺址的物理性質參數測試、易溶鹽監測和氣候環境研究的相關數據可知：(1)上述土遺址主要由細粒土建造而成，其顆粒組成中小于0.075 mm的顆粒質量分數為53.91%～99.74%，天然密度為1.58～1.86 g/cm3，孔隙率為32.7%～46.4%；(2)遺址易溶鹽含鹽總量為885～100 620 mg/kg，NaCl和Na2SO4是最常見的鹽分；(3)這些土遺址地區濕潤系數在0.014～0.229之間，年平均相對濕度在39%～58%之間，但在一場集中降雨后，相對濕度變化較大，通常在80%～100%之間。

1.2 土樣脫鹽過程

為測得遺址土強度對干濕和特定鹽分鹽漬過程的響應規律有效數據，首先應對樣品進行脫鹽處理，以排除其他離子的干擾，因此，需對取自甘肅張掖境內明長城遺址坍塌處，粉粒含量為79.35%、黏粒含量為20.44%的粉質黏土進行脫鹽處理。首先，將其充分碾碎烘干并過孔徑為2 mm的篩備用；而后用去離子水以水土體積比大于10:1的量對土樣進行充分浸泡后，采用臺式離心機以4 000 r/min實現固液分離，并測量濾液電導率，如此反復6次直至濾液電導率＜300 μs/cm，即認為完成脫鹽。

1.3 樣品制備與養護

將脫鹽后的土樣放入烘箱24 h進行烘干處理，而后向脫鹽后的土樣分別以質量分數0.2%的梯度增量摻入無水氯化鈉和無水硫酸鈉至1%，密封養護至鹽分均勻分布于土體后，在萬能試驗機下根據擊實實驗得到的最優含水率21%和最大干密度1.71 g/cm3確定土水質量，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護，所處環境溫度為恒溫，空氣的相對濕度變化為40%～90%，48 h完成1次干濕循環，通過恒溫條件下調高或降低濕度對試樣進行加濕-風干的循環養護3次。

1.4 強度測試

上述試樣強度測試由無側限抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度測試組成。抗壓抗拉強度測定采用CSS-WAW300DL 電液伺服萬能試驗機進行，加載速度為3 mm/min；抗剪強度測試采用應變式剪切儀實施直接快剪，剪切速率為0.8 mm/min。

2 實驗結果

2.1 無側限抗壓強度

經歷3次干濕循環并摻入不同質量分數NaCl和Na2SO4試塊的無側限抗壓強度實驗結果如圖1所示。由圖1可見：(1)摻入任意一種鹽分，試塊的無側限抗壓強度都隨著鹽分摻入含量的增加而呈現衰減的趨勢；(2)摻入相同含量NaCl和Na2SO4時，含NaCl試塊的抗壓強度較大；(3)與摻入NaCl試塊相比，摻入Na2SO4的試塊抗壓強度衰減率明顯較高。表明遺址土的抗壓強度對干濕和鹽漬復合過程產生響應性的行為，具體表現為強度隨著含鹽量的增加而衰減。

圖1 無側限抗壓強度測試結果Fig.1 Results of unconfined compression strength test

2.2 抗拉強度

抗拉強度實驗結果如圖2所示。從圖2可見：(1)摻入任意一種上述鹽分，試塊的抗拉強度都隨著鹽分摻入含量的增加而呈現衰減的趨勢；(2)摻入含量相同時，Na2SO4試塊抗拉強度較小。這說明遺址土的抗拉強度也會對干濕和鹽漬復合過程產生與抗壓強度相似的衰減性響應行為。

圖2 抗拉強度測試結果Fig.2 Results of tensile strength test

2.3 抗剪強度

直接快剪實驗結果如圖3所示。從圖3可知：(1)摻入任意一種鹽分，在任一正應力條件下，試塊的抗剪強度都隨著其中鹽分含量的增加而呈現遞減趨勢；(2)抗剪強度的衰減率都隨著正應力的增長而呈現增長的趨勢；(3)在任一正應力條件下，Na2SO4試塊的抗剪強度衰減幅度較大。這表明遺址土抗剪強度也會對復合過程產生衰減性響應行為。

圖3 抗剪強度測試結果Fig.3 Results of shearing strength test

3 分析與討論

3.1 討論

實驗結果充分證明：在土遺址賦存地區，集中降雨和快速蒸發氣候特征所導致的干濕和鹽漬復合過程對遺址土產生明顯的強度劣化作用；長期的劣化作用會導致其抗壓、抗拉和抗剪性能變弱，從而引發土遺址因強度不足而發生各種模式破壞(圖4)，這是與大量土遺址現場破壞的形跡相一致。因此，正確認識其強度劣化規律是正確預測其演化趨勢并實施有效保護的關鍵和前提。

圖4 土遺址典型變形破壞模式Fig.4 Typical model of transformation and destroy on earthern ruins

基于試樣的抗壓、抗拉和抗剪強度都隨著摻入鹽分含量的遞增有遞減的趨勢，為了研究含鹽量與強度之間的定量關系，首先對其進行基礎的相關分析，結果如表1所示。

由表1可知：摻入任意一種鹽分，試塊的抗壓強度R、抗拉強度σt、內聚力c和內摩擦角φ都與鹽分含量Sc存在良好的相關關系，相關系數的絕對值都大于0.92，呈高度負相關的關系。

應用回歸分析法對含鹽量與強度參數進行分析，結果如表2所示。

由表2可見：摻入Na2SO4和NaCl后，試樣的抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度與都鹽分含量的回歸方程都服從負指數法則，判定系數R2均大于0.95，說明回歸方程有效。

表1 含鹽量與強度參數相關分析Table1 Corresponding analysis between salt content and parameters of microstructure

表2 含鹽量與強度參數回歸分析Table2 Regression analysis between salt content and parameters of microstructure

3.2 機理分析

以上實驗和分析結果表明：一方面遺址土強度會對由經歷集中降雨和快速蒸發的氣候導致的干濕和鹽漬復合過程產生明顯的響應，表現為抗拉、抗壓和抗剪強度都隨著常見鹽分Na2SO4和NaCl的含量的增長而呈現衰減的規律；另一方面，含有Na2SO4遺址土對干濕和鹽漬復合過程產生的劣化響應行為比含有NaCl遺址土的強烈，表現在相同含量的情況下，含Na2SO4試塊抗拉、抗壓和抗剪強度明顯小于含Na2SO4試塊的數值，而且3個強度的衰減率也表現出與強度數值一致的規律。

作為一種露天保存的多孔材料，遺址土是一個復雜的開放系統，在集中降雨的情況下，遺址內部濕度發生改變，水分開始溶解土中的可溶鹽分，在表面張力和鹽分離子引起的靜電力的作用下，含鹽溶液向深部和各種孔隙中運移；各種孔隙中因水分增加和鹽分吸水結晶而產生體積膨脹和較大的孔隙壓力，加之水分子對土體骨架的楔入軟化作用，土體結構中原本的微裂隙開始擴展，新的裂隙開始張開，甚至新老裂隙連通。在降雨之后強烈持續的蒸發作用下，發生失水過程，土中的自由水和鹽分的結合水發生由液態、固態-氣態的變化以裂隙為通道開始向外界擴散，土中孔隙體積開始壓縮，部分裂隙閉合，在下一輪干濕過程來臨時，土體重復這樣的行為。這樣反復的進程使土體的結構遭受到嚴重的破壞，導致土體強度降低。這也正是干濕與鹽漬復合過程中遺址土發生強度劣化響應的機理。

NaCl和Na2SO4是土遺址最為常見的鹽分，然而對干濕與鹽漬復合過程的遺址土強度劣化響應行為的表現卻存在較大差異，其根本原因在于結晶過程和方式的差異。在濕度變化的情況下，Na2SO4發生Na2SO4?Na2SO4·7H2O或Na2SO4·10H2O的吸失水結晶轉化過程，導致體積膨脹與收縮，體積膨脹率可達數倍或數十倍，從而對孔隙產生較大的壓力，而且這個過程易于在土體較大的孔隙中發生；NaCl雖然沒有結晶水的得失，但具有很強的吸濕性，在濕度變化的影響下也會發生結晶?溶解的過程，同樣會產生體積膨脹和孔隙壓力，只是與Na2SO4相比，較為緩和而已，而且通常在較小的空隙中發生。相同含量Na2SO4和NaCl試塊宏觀和微觀形貌對比，如圖5所示。可見：含Na2SO4試樣表面可以觀察到明顯的晶體析出，且較大孔隙中觀察到針狀的晶體(圖5(a))；含NaCl試樣表面沒有明顯晶體析出現象，只出現表聚現象導致表面顏色加深，并且在較小的孔隙中發現顆粒狀的晶體(圖5(b))。

圖5 相同含量Na2SO4和NaCl試塊宏觀和微觀形貌對比Fig.5 Comparison of micro-macroscopic images of samples mixed with same content Na2SO4 and NaCl

4 結論

(1)土遺址集中賦存的干旱、半干旱地區的集中式降雨和快速蒸發的氣候特征使土遺址處于干濕和鹽漬復合作用之下。

(2)實驗室條件下分別摻入不同含量Na2SO4和NaCl，試樣的抗壓、抗拉和抗剪強度隨著鹽分摻入量的增加而呈遞減的趨勢。

(3)該復合過程中遺址土各強度參數與含鹽量存在較為良好相關關系，其回歸方程服從負指數法則。

(4)干濕和鹽漬復合過程中，土顆粒吸失水和鹽分得失結晶水的共同作用導致孔隙體積和壓力的反復變化是致使土粒間接觸面積減小、連接力變弱、強度發生衰減行為的本質原因；結晶過程和方式的差異導致Na2SO4對遺址土強度衰減的作用效果比NaCl的突出。

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