干湿交替与盐渍双重作用下干旱和半干旱地区土遗址劣化效应
崔凯1,2,3,4，谌文武2,4，匡静2,4，王旭东2,4，韩文峰2,4
(1. 兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州，730050；
2. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000；
3. 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州，730050；
4. 国家古代壁画保护工程技术研究中心，甘肃 敦煌，736200)
摘要：基于明长城遗址、西夏王陵遗址和苏巴什佛教遗址等大型土遗址遗存地区具有集中降雨和强烈蒸发的气候特征，为土遗址创造了干湿交替和盐渍共同作用的赋存环境，研究基于多处土遗址的环境监测数据和物理性质实验结果；通过对实验条件下掺入不同含量的氯化钠并经历干湿循环的遗址土重塑土样的界限含水量、崩解、风洞和弹性波速实验，揭示双重作用下土遗址崩解、稠度、抗风蚀能力和弹性波速等与片状剥离和底部掏蚀病害的发育和发展密切相关性质的变化规律，并对2种病害形成过程以及与上述性质变化的内在联系进行分析和阐释，得出土遗址相关性质发生劣化和病害发育的本质原因。
关键词：干湿交替；盐渍；土遗址；劣化效应
中图分类号：TU411.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)06-2378-07
Effect of deterioration of earthern ruin with joint function of salinized and alternating wet and dry in arid and semi-arid regions
CUI Kai1,2,3,4, CHEN Wen-wu2,4, KUANG Jing2,4, WANG Xu-dong2,4, HAN Wen-feng2,4
(1. Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province,
Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China;
2. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China,
Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
3. Western Center for Disaster Mitigation in Civil Engineering, Ministry of Education, Lanzhou 730050, China;
4. National Engineering Research Center for Conservation of Ancient Aall Painting, Dunhuang 736200, China)
Abstract: Based on the fact that Ming Great, Wall Xi-xia King Tomb and Subashi Buddhist have the climate characteristics of concentrated rainfall and intensive evaporation in some districts which creates environment of alternate wet-dry and saline interaction, the environmental monitoring and physical property experiment on several ruins were made. Atterberg limits, disintegration, wind tunnel and elastic wave velocity experiment in laboratory were studied on remodeling sample that mixed different content sodium chlorides and underwent dry-wet cycles after desalination, and the change rules of properties with the joint function of salinized and alternating wet and dry which is closely related to the disease of detachment of surface crust and bottom undercutting was revealed. And relationship between forming process of diseases and these properties change in-depth were studied so that essential reasons for deterioration of some properties and development of disease about earthern ruin were obtained.
Key words: alternating wet and dry; earthern ruin; salinized; effect of deterioration
在我国西部如新疆、甘肃、青海、宁夏、内蒙古和西藏的部分地区遗存了大量人类文明的遗迹，土遗址是其主要形式之一。干旱少雨的气候环境使这些土遗址逐渐经历由病害发育到消失殆尽的量变到质变漫长过程，一方面使土遗址不会迅速消亡，得以暂时保存；另一方面造成土遗址发育诸如表面风化剥离、底部掏蚀和裂隙等危害土遗址安全赋存的病害[1-4]。土遗址是赋存在一定环境中人类历史文化的遗存物，环境因素尤其是气候对土遗址有显著影响，集中降雨和快速蒸发是土遗址赋存地区普遍的气候特征之一，也会使土遗址处于干湿交替环境之内，一方面导致土遗址内部的渗流场、温度场发生改变，对土遗址产生一定的劣化作用[5-6]；而更为重要的是，干湿交替的环境会引起土遗址中的盐分发生反复溶解收缩-结晶膨胀的盐渍过程，从而加剧土遗址劣化[7-8]。目前关于后者的研究不多。国内外诸多学者的研究集中于干湿循环对土体的劣化作用，认为该过程中水分的迁移会改变土体的微观结构，影响土体的强度、耐久性，并发现土体强度和耐久性随干湿循环次数的增大而衰减的规 律[5,6,9-12]。然而，土体特别是遗址土是一个开放而复杂的系统，干湿交替环境对土体造成的破坏不仅仅限于导致水分的迁移和微结构的改变，而更多的则是在土体内部组分对这种环境的响应行为所造成的破坏，尤其是土遗址中易溶盐因干湿环境而发生的盐渍过程所导致的土遗址物理、力学和水理性质的劣化行为，导致大量病害发育与发展。在此，本文作者以多处大型土遗址的环境监测数据和物理参数为基础，通过对实验条件下掺入不同含量土遗址中常见的盐分氯化钠并经历干湿循环的遗址土重塑土样的界限含水量、崩解、风洞和弹性波速实验，研究干湿交替和盐渍双重作用下土遗址崩解、稠度、抗风蚀能力和弹性波速等与常见片状剥离和底部掏蚀病害紧密相关的劣化规律。为了了解这２种病害的发生和发展探索原因，对土遗址劣化对环境因素响应的基本途径进行探讨，同时对氯盐盐渍土的相关特性进行研究。
1 实验依据
1.1 干湿环境特征
通过分析锁阳城遗址、明长城遗址、西夏王陵遗址、车师前国国都遗址和苏巴什佛教遗址等大型土遗址赋存的新疆、甘肃、青海和宁夏部分地区的气候资料(1990—2005年)可知：这些地区湿润系数为0.014~0.229，年平均相对湿度为39%~58%(见表1)，为典型的干旱环境；但集中降雨发生时，该地区相对湿度达到80%以上，甚至有些地区接近100%，但很快会在强烈的蒸发作用下恢复到年平均湿度[13]。这种干湿交替环境为土遗址的劣化过程提供了先决条件。
表1 部分土遗址赋存地区干湿环境特征
Table 1 Feature of dry-wet environment in some districts with earthern ruins
1.2 含盐特征
在5处遗址处各抽取5个随机样品的易溶盐进行测试，结果显示：遗址易溶盐含盐总量为885~100.620 g/kg，而且易溶盐阴离子主要以Cl-和SO42-为主，阳离子以Na+和Ca2+为主，见图1。分析图1得出NaCl是遗址土中最为常见的盐分之一，且其质量分数分布上限为1%。
图1 土遗址易溶盐含量随机测试结果
Fig.1 Random test results of DSC on earthern ruins
1.3 遗址土基本特征
上述土样的物理性质测试结果表明：其颗粒物质组成中粒度小于0.075 mm的颗粒质量分数为53.91%~99.74%，粒径小于0.005 mm的颗粒质量分数为6.13%~32.81%，塑性指数为7~20，多属粉土与粉质黏土；天然密度为1.58~1.86 g/cm3，孔隙率为32.7%~ 46.4%。这种较为独特的性质与大多数土遗址建造时所采用“因地制宜、就地取材”的夯筑原则密不可分。遗址多位于河流的冲洪积平原，而且多采用“人工版筑”的建造技艺，这就决定遗址土具有由细粒粉土或粉质黏土组成且密实度不均一的特征。
2 实验材料与方法
2.1 试样材料与制备
试样所用土样取自明长城山丹段坍塌处，颗粒组成中粒度小于0.075 mm的颗粒质量分数为98.85%，其中粒度小于0.005 mm的颗粒质量分数为10.14%，塑性指数为11.57，属于粉质黏土，将其充分碾碎并过孔径为2 mm的筛备用。
对经充分碾碎的土样进行脱盐处理。用去离子水以水土体积比大于10:1对土样进行充分浸泡，采用台式离心机以4 000 r/m实现固液分离，并测量滤液电导率。如此反复6次，直至滤液电导率＜300 μS/cm，即认为脱盐成为素土[14]。而后，向脱盐后的土体以质量分数为0.2%的梯度增量掺入无水氯化钠至1%，密封养护至盐分均匀分布于土体后，在万能试验机下依据击实实验得到最优含水率为19%和最大干密度为1.65 g/cm3，确定土水质量；采用双向挤压法压制成长×宽×高为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方体试块。
所有试块置于温湿度控制室养护，所处环境温度为20 ℃，空气的相对湿度变化设定上限为90%,下限为40%，48 h完成1个干湿循环；通过恒温而调高或降低湿度对试样进行加湿-风干的循环养护3次。
2.2 实验方法与仪器
2.2.1 崩解实验
将各组含有不同含量氯化钠并完成循环后的试块切割成长×宽×高为3.0 cm×3.0 cm×3.0 cm的2组平行试样完全浸没于足量的去离子水中进行实验。
2.2.2 界限含水量实验
根据规范[15]，采用型号FG-Ⅲ型光电式液塑限联合测定仪对含有不同含量氯化钠并完成干湿循环后的试块进行测试。
2.2.3 风洞实验
采用直流下吹式多功能环境风洞对上述试块在18，21，24和28 m/s风速携沙风下进行不同吹蚀时间的风蚀实验。
2.2.4 弹性波速实验
采用RSM-SY5声波检测仪对干湿循环前后的上述试块进行垂直层面与平行层面的纵波波速测试。
3 实验结果与分析
3.1 双重作用下宏观形态的变化
干湿循环后不同含盐量试样的界限含水量变化如图2所示。从图2可见：经过3次干湿循环并掺入不同质量分数NaCl的试块在室内自然风干后，表面均会有盐分析出，并出现表面土体粉末化的现象，出现规模不等的裂隙；而试样内部的解剖结果则显示：裂隙随着深度的加深呈现渐没的现象，盐分的结晶也大量出现在试样深部的土粒间孔隙之中。
图2 干湿循环后不同含盐量试样的界限含水量变化
Fig.2 Variation of boundaries moisture content of specimens mixed with different salinity contents after dry-wet cycle
3.2 双重作用下界限含水量与崩解速度的变化
经过干湿循环并掺入不同质量分数的NaCl的自然风干试块界限含水量实验结果显示：(1) 未掺入盐分的试样干湿循环前后塑限和液限含水量以及塑性指数有小幅度变化，土的可塑性没有明显变化(见表2)；(2) 试样的塑限含水量随着掺入NaCl质量的增大而呈现增大的趋势，而液限含水量呈现减小的趋势，塑性指数也随之减小，土的塑性大幅减弱(图2)。通过分析以上2点可知：单纯干湿循环条件对颗粒组分一定的遗址土的界限含水量和塑性改变很小，然而，在干湿循环和盐渍双重作用下，其塑限含水量较大幅度地增大，塑限含水量小幅度减小，塑性指数也大幅度减小，导致其可塑性减弱。
表2 未掺入盐分试样干湿循环前后界限含水量变化
Table 2 Variation of boundaries moisture content of specimen unmixed with salts around dry-wet cycle %
上述试块崩解实验结果表示：在干湿循环和盐渍双重作用下，试样的崩解速度随着掺入NaCl质量的增大而呈现减小的趋势(图3)，其中未掺入盐分的试样崩解速度最快，当含盐量为0~0.2%时，崩解速度降低最迅速；当含盐量为0.2%~1.0%时，崩解速度的变化较为平缓。这说明土中掺入的盐分经历干湿循环后在土中的孔隙中发生结晶，而崩解过程水进入孔隙中引起颗粒间扩散层增厚，首先对孔隙中的结晶盐分溶解，这个过程延长了整个崩解时间，导致崩解速度降低。
图3 干湿循环后不同含盐量试样的崩解速度变化
Fig.3 Variation of disintegration rate of specimens mixed with different salinity contents after dry-wet cycle
3.3 双重作用下抗风蚀能力的变化
对在直流下吹式风洞中分别掺入质量分数为0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0% NaCl并经历干湿循环试块在不同风速、不同吹蚀时间下进行携沙风吹蚀实验，结果见图4和图5。从图4和图5可见：(1) 在相同风速携沙风吹蚀条件下，各组试样的风蚀量都随着吹蚀时间的延长而呈现递增趋势，含盐量越大的试样这种趋势越明显；(2) 在相同风速、相同吹蚀时间下，盐分含量大的试块的风蚀量和风蚀量增长率均比盐分含量小的大；(3) 在不同风速、不同吹蚀时间携沙风吹蚀条件下，各组试样的平均风蚀速率(单位时间内的风蚀量)也表现出随含盐量和风速增大而增大的趋势，而且含盐量高的试样其风蚀速率对于风速变化的响应程度明显比含盐量低的试样的响应程度高。以上3点充分说明土中单一的干湿过程对土样在不同吹蚀条件下的风蚀量和风蚀速率产生的影响不大，对其抗风蚀能力的影响程度有限；而在干湿和盐渍双重作用下，干湿的脱湿干缩和吸湿膨胀的过程与盐渍的结晶膨胀-溶解收缩的过程同时作用于土体结构，促使其效果产生叠加效应，骨架与孔隙的反复收缩与膨胀使土体原生隐微裂隙张开、扩大、加深与连通，形成长大裂隙，加剧了土体结构的破坏，导致其土颗粒间连接力变小，在风沙流中高速运动的砂粒的撞击和磨蚀下迅速瓦解成为单个土粒而随风沙流运移至它处堆积，因而表现出上述特征。
图4 干湿循环后不同含盐量试样在风速18 m/s下风蚀量的变化
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
图5 干湿循环后不同含盐量试样在不同风速下平均风蚀速率的变化
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 双重作用下弹性波速的变化
近年来，人们广泛用弹性波波速来评价岩土体物理性质和力学性质[16]。干湿循环前后，对上述试块进行垂直层面与平行层面的纵波波速测试，结果见图6。从图6可见：(1) 干湿循环前后，试块垂直层面和平行层面的纵波波速都随着掺入NaCl的含量增大而减小；(2) 未掺入盐分仅经历干湿过程试样循环前后垂直层面和平行层面的纵波波速变化量最小；(3) 干湿循环前后试块垂直层面和平行层面的纵波波速差随着含盐量的增长而明显增大。以上规律充分表明：单纯的干湿收缩或膨胀对遗址土的隐微裂隙扩展能力有限，土体干湿前、后2个方向纵波波速衰减幅度不大；然而，在干湿和盐渍双重作用下，不仅干湿交替对土体结构产生作用，而且盐分结晶与潮解过程水分子对土体骨架的楔入软化作用剧烈，使得裂隙迅速且大规模扩张，因而表现为纵波波速在干湿前后随着含盐量的增大而大幅度衰减。
图6 干湿循环前后不同含盐量试样纵波波速变化
Fig.6 Variation of vertical wave velocity of specimens mixed with different salinity content around dry-wet cycles
4 讨论
以多处土遗址所处干湿环境为参照、易溶盐监测数据为依据，从经历干湿循环、不同含盐量的遗址土的界限含水量、崩解、风洞和弹性波速实验结果可以看出：遗址土在干湿和盐渍双重作用下，会出现崩解时间延长、塑性变弱、抗风蚀能力降低、弹性波速衰减劣化，并且这种表现为土遗址在水-盐-风的共同作用下片状剥离、底部掏蚀病害的普遍发育提供了依据。
土作为多孔隙材料，在单纯干湿交替环境下的吸湿与放湿过程实质上是由气-液界面产生的表面张力形成的土体吸水和失水过程，这种过程一般发生在土体表面或一定深度的微孔隙中，引起有限的孔隙压力和体积膨胀。然而，在有易溶盐参与的干湿和盐渍双重作用下，由于盐分分布于土体各种孔隙中，水分在表面张力和盐分离子引起的静电力作用下向深部和各种孔隙中流动，而且该过程盐分发生结晶吸失水，导致大量水分得失，一方面形成较大的孔隙压力和体积膨胀，另一方面导致水分子对土体骨架的楔入软化作用更加强烈，两者的共同作用使得土体骨架刚度降低，结构遭受严重破坏，因而表现出一系类列宏观性质的劣化特征。
片状剥离病害的发育与该过程有密切的联系。其实质是在水-盐-风沙流联合作用下，土遗址经历了“风化壳形成→风化壳剥落”的重复演化过程[17－18]。片状剥离的形成是在降雨作用下表面饱和崩解产生蠕动泥流，经蒸发干燥作用形成龟裂状外翘结皮。该干湿过程不仅使遗址表面土体发生崩解和稠度发生改变，而且使遗址内部的易溶盐向表面运移和汇聚，这样导致含盐土体在干湿交替环境下崩解和稠度发生改变。同样，片状剥离的剥落过程就是土遗址表面形成风化壳之后，在携沙风中高速运动的砂粒的撞击和磨蚀作用下脱离遗址的过程，而对干湿交替的含盐土体的携沙风吹蚀实验则是对该过程最好的表述。
底部掏蚀病害的发育也与其有着密不可分的联系。首先，在降雨蒸发的干湿过程中，盐分在水分运移、毛细和蒸发作用下迅速向土遗址底部发生运移和聚集，形成盐渍带；盐渍带土体在干湿交替和盐渍双重作用下，土骨架遭受破坏，土粒间连接力变弱，致使土体强度降低；然后，在挟沙风高速运动的砂粒的强烈撞击和磨蚀作用下脱离土骨架成为自由土粒而被搬运到它处，在底部形成空腔[19]。干湿交替的含盐土体的弹性波速实验结果则直观地表明了遗址土在双重作用下强度发生衰减的特征；而上述试样在不同时间吹蚀的实验结果则直接反映了土体强度降低后在撞击和磨蚀作用下脱离骨架被搬运到其他处的过程。
以上研究阐明了在干湿交替和盐渍双重作用下，水盐过程使遗址土这种多孔隙介质在表面张力和静电力共同作用下发生水分得失，引发孔隙扩张、骨架软化、粒间连接变弱，导致崩解性、塑性和抗风蚀能力等宏观性质劣化的原因，为片状剥离和底部掏蚀这2种严重威胁土遗址病害的发育和发展提供了基础和前提条件。
5 结论
(1) 集中降雨和强烈蒸发的气候的特征为诸如明长城遗址、西夏王陵遗址和苏巴什佛教遗址等大型土遗址创造了干湿交替和盐渍共同作用的赋存环境。
(2) 对掺入不同含量NaCl并经历干湿循环的试样进行界限含水量、崩解实验、弹性波速实验和风蚀试验，结果表明遗址土会发生崩解时间延长、塑性变弱、抗风蚀能力降低、弹性波速衰减等现象。
(3) 在干湿交替和盐渍双重作用下，水盐过程使遗址土这种多孔隙介质在表面张力和静电力的共同作用下降雨入渗水分增大，蒸发水分减小，引发孔隙扩张、骨架软化，粒间连接变弱，这是导致崩解性、塑性和抗风蚀能力等宏观性质劣化的本质原因。
(4) 遗址土在干湿交替和盐渍双重作用下发生劣化为片状剥离和底部掏蚀这２种严重威胁土遗址病害的发育和发展提供了基础和前提条件。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-06-20；修回日期：2011-08-27
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2010BAK67B16)；教育部西部灾害与环境力学重点实验室开放基金资助项目(klmwde201006)；冻土国家重点实验室开放课题(SKLFSE201101)；兰州理工大学博士科研发展基金资助项目(BS04200902)
通信作者：谌文武(1966-)，男，河南罗山县人，教授，从事地质工程、岩土工程、文物保护工程科研与教学工作；电话：0931-8914308；E-mail：sungp@lzu.edu.cn
