崔凯 ，谌文武 ，沈云霞 ，王旭东 ，韩文峰

(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.兰州理工大学 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.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州，730000)

土遗址作为一种常见的不可移动文物是文化遗产重要的组成部分[1-2]，是赋存在岩石圈表面的人类历史文化遗存；在生物圈、水圈、大气圈与岩石圈相互作用的漫长过程中，经历着由病害发育到消亡的过程，因此，如何对土遗址进行科学认识和实施有效保护已成为工程地质学和岩土工程等学科的新兴研究命题和焦点[3-6]。位于岩石圈表层的土遗址在圈层间的相互作用过程中，因外部环境因素更替引起内部温度场、渗流场和应力场发生变化，导致其结构产生相应的调整，从而致使其物理、力学和水理等宏观性质发生与之对应的响应行为[7-9]；其中由快速蒸发和集中降雨的气候特征致使其强度发生劣化行为是最为典型范例之一。通常在土遗址集中赋存的干旱、半干旱地区的一场集中式降雨过后，紧接着就是强烈且快速蒸发，该过程不仅使土遗址处于干湿交替环境下，引起其内部渗流场和温度场的改变；而且同时因为场变化引起部分易溶盐分发生运移、结晶与溶解。因此，该过程使其构筑材料遗址土处在干湿和盐渍双重复合作用下。国内外诸多学者对单独干湿作用土体强度变化进行了深入研究。Towner等[10-13]通过大量观察与实验认为：干湿变化导致水分增加，使得土体中聚合物的直径增大超过了土体内聚合物稳定状态时的直径，从而影响了土体结构是其最为根本原因；龚壁卫等[14-15]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。然而，对于干湿和盐渍双重复合作用下土体强度的响应行为和机理的研究较少。我国历史文化悠久，数目众多的土遗址得以遗存，但是在环境不断变迁的过程中，这些土遗址保存状况岌岌可危，随时存在彻底毁灭的危险，因此，相关研究亟待开展。基于此，本文作者以多处大型土遗址的盐分和湿度监测数据为依据，分别掺入不同含量土遗址中常见盐分氯化钠和硫酸钠，并对经历干湿循环的遗址土重塑土样进行抗拉、抗压、抗剪强度实验，研究在干湿交替和盐渍双重作用下，遗址土强度的可能发生响应行为与基本规律，探讨土遗址量质变过程与特定环境因素变化的内在联系。

1 实验过程

1.1 实验基础

基于兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室2005～2010年在新疆、甘肃、青海、宁夏和内蒙20处土遗址的物理性质参数测试、易溶盐监测和气候环境研究的相关数据可知：(1)上述土遗址主要由细粒土建造而成，其颗粒组成中小于0.075 mm的颗粒质量分数为53.91%～99.74%，天然密度为1.58～1.86 g/cm3，孔隙率为32.7%～46.4%；(2)遗址易溶盐含盐总量为885～100 620 mg/kg，NaCl和Na2SO4是最常见的盐分；(3)这些土遗址地区湿润系数在0.014～0.229之间，年平均相对湿度在39%～58%之间，但在一场集中降雨后，相对湿度变化较大，通常在80%～100%之间。

1.2 土样脱盐过程

为测得遗址土强度对干湿和特定盐分盐渍过程的响应规律有效数据，首先应对样品进行脱盐处理，以排除其他离子的干扰，因此，需对取自甘肃张掖境内明长城遗址坍塌处，粉粒含量为79.35%、黏粒含量为20.44%的粉质黏土进行脱盐处理。首先，将其充分碾碎烘干并过孔径为2 mm的筛备用；而后用去离子水以水土体积比大于10:1的量对土样进行充分浸泡后，采用台式离心机以4 000 r/min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，即认为完成脱盐。

1.3 样品制备与养护

将脱盐后的土样放入烘箱24 h进行烘干处理，而后向脱盐后的土样分别以质量分数0.2%的梯度增量掺入无水氯化钠和无水硫酸钠至1%，密封养护至盐分均匀分布于土体后，在万能试验机下根据击实实验得到的最优含水率21%和最大干密度1.71 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，所处环境温度为恒温，空气的相对湿度变化为40%～90%，48 h完成1次干湿循环，通过恒温条件下调高或降低湿度对试样进行加湿-风干的循环养护3次。

1.4 强度测试

上述试样强度测试由无侧限抗压强度、抗拉强度和抗剪强度测试组成。抗压抗拉强度测定采用CSS-WAW300DL 电液伺服万能试验机进行，加载速度为3 mm/min；抗剪强度测试采用应变式剪切仪实施直接快剪，剪切速率为0.8 mm/min。

2 实验结果

2.1 无侧限抗压强度

经历3次干湿循环并掺入不同质量分数NaCl和Na2SO4试块的无侧限抗压强度实验结果如图1所示。由图1可见：(1)掺入任意一种盐分，试块的无侧限抗压强度都随着盐分掺入含量的增加而呈现衰减的趋势；(2)掺入相同含量NaCl和Na2SO4时，含NaCl试块的抗压强度较大；(3)与掺入NaCl试块相比，掺入Na2SO4的试块抗压强度衰减率明显较高。表明遗址土的抗压强度对干湿和盐渍复合过程产生响应性的行为，具体表现为强度随着含盐量的增加而衰减。

图1 无侧限抗压强度测试结果Fig.1 Results of unconfined compression strength test

2.2 抗拉强度

抗拉强度实验结果如图2所示。从图2可见：(1)掺入任意一种上述盐分，试块的抗拉强度都随着盐分掺入含量的增加而呈现衰减的趋势；(2)掺入含量相同时，Na2SO4试块抗拉强度较小。这说明遗址土的抗拉强度也会对干湿和盐渍复合过程产生与抗压强度相似的衰减性响应行为。

图2 抗拉强度测试结果Fig.2 Results of tensile strength test

2.3 抗剪强度

直接快剪实验结果如图3所示。从图3可知：(1)掺入任意一种盐分，在任一正应力条件下，试块的抗剪强度都随着其中盐分含量的增加而呈现递减趋势；(2)抗剪强度的衰减率都随着正应力的增长而呈现增长的趋势；(3)在任一正应力条件下，Na2SO4试块的抗剪强度衰减幅度较大。这表明遗址土抗剪强度也会对复合过程产生衰减性响应行为。

图3 抗剪强度测试结果Fig.3 Results of shearing strength test

3 分析与讨论

3.1 讨论

实验结果充分证明：在土遗址赋存地区，集中降雨和快速蒸发气候特征所导致的干湿和盐渍复合过程对遗址土产生明显的强度劣化作用；长期的劣化作用会导致其抗压、抗拉和抗剪性能变弱，从而引发土遗址因强度不足而发生各种模式破坏(图4)，这是与大量土遗址现场破坏的形迹相一致。因此，正确认识其强度劣化规律是正确预测其演化趋势并实施有效保护的关键和前提。

图4 土遗址典型变形破坏模式Fig.4 Typical model of transformation and destroy on earthern ruins

基于试样的抗压、抗拉和抗剪强度都随着掺入盐分含量的递增有递减的趋势，为了研究含盐量与强度之间的定量关系，首先对其进行基础的相关分析，结果如表1所示。

由表1可知：掺入任意一种盐分，试块的抗压强度R、抗拉强度σt、内聚力c和内摩擦角φ都与盐分含量Sc存在良好的相关关系，相关系数的绝对值都大于0.92，呈高度负相关的关系。

应用回归分析法对含盐量与强度参数进行分析，结果如表2所示。

由表2可见：掺入Na2SO4和NaCl后，试样的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度与都盐分含量的回归方程都服从负指数法则，判定系数R2均大于0.95，说明回归方程有效。

表1 含盐量与强度参数相关分析Table1 Corresponding analysis between salt content and parameters of microstructure

表2 含盐量与强度参数回归分析Table2 Regression analysis between salt content and parameters of microstructure

3.2 机理分析

以上实验和分析结果表明：一方面遗址土强度会对由经历集中降雨和快速蒸发的气候导致的干湿和盐渍复合过程产生明显的响应，表现为抗拉、抗压和抗剪强度都随着常见盐分Na2SO4和NaCl的含量的增长而呈现衰减的规律；另一方面，含有Na2SO4遗址土对干湿和盐渍复合过程产生的劣化响应行为比含有NaCl遗址土的强烈，表现在相同含量的情况下，含Na2SO4试块抗拉、抗压和抗剪强度明显小于含Na2SO4试块的数值，而且3个强度的衰减率也表现出与强度数值一致的规律。

作为一种露天保存的多孔材料，遗址土是一个复杂的开放系统，在集中降雨的情况下，遗址内部湿度发生改变，水分开始溶解土中的可溶盐分，在表面张力和盐分离子引起的静电力的作用下，含盐溶液向深部和各种孔隙中运移；各种孔隙中因水分增加和盐分吸水结晶而产生体积膨胀和较大的孔隙压力，加之水分子对土体骨架的楔入软化作用，土体结构中原本的微裂隙开始扩展，新的裂隙开始张开，甚至新老裂隙连通。在降雨之后强烈持续的蒸发作用下，发生失水过程，土中的自由水和盐分的结合水发生由液态、固态-气态的变化以裂隙为通道开始向外界扩散，土中孔隙体积开始压缩，部分裂隙闭合，在下一轮干湿过程来临时，土体重复这样的行为。这样反复的进程使土体的结构遭受到严重的破坏，导致土体强度降低。这也正是干湿与盐渍复合过程中遗址土发生强度劣化响应的机理。

NaCl和Na2SO4是土遗址最为常见的盐分，然而对干湿与盐渍复合过程的遗址土强度劣化响应行为的表现却存在较大差异，其根本原因在于结晶过程和方式的差异。在湿度变化的情况下，Na2SO4发生Na2SO4↔Na2SO4·7H2O或Na2SO4·10H2O的吸失水结晶转化过程，导致体积膨胀与收缩，体积膨胀率可达数倍或数十倍，从而对孔隙产生较大的压力，而且这个过程易于在土体较大的孔隙中发生；NaCl虽然没有结晶水的得失，但具有很强的吸湿性，在湿度变化的影响下也会发生结晶↔溶解的过程，同样会产生体积膨胀和孔隙压力，只是与Na2SO4相比，较为缓和而已，而且通常在较小的空隙中发生。相同含量Na2SO4和NaCl试块宏观和微观形貌对比，如图5所示。可见：含Na2SO4试样表面可以观察到明显的晶体析出，且较大孔隙中观察到针状的晶体(图5(a))；含NaCl试样表面没有明显晶体析出现象，只出现表聚现象导致表面颜色加深，并且在较小的孔隙中发现颗粒状的晶体(图5(b))。

图5 相同含量Na2SO4和NaCl试块宏观和微观形貌对比Fig.5 Comparison of micro-macroscopic images of samples mixed with same content Na2SO4 and NaCl

4 结论

(1)土遗址集中赋存的干旱、半干旱地区的集中式降雨和快速蒸发的气候特征使土遗址处于干湿和盐渍复合作用之下。

(2)实验室条件下分别掺入不同含量Na2SO4和NaCl，试样的抗压、抗拉和抗剪强度随着盐分掺入量的增加而呈递减的趋势。

(3)该复合过程中遗址土各强度参数与含盐量存在较为良好相关关系，其回归方程服从负指数法则。

(4)干湿和盐渍复合过程中，土颗粒吸失水和盐分得失结晶水的共同作用导致孔隙体积和压力的反复变化是致使土粒间接触面积减小、连接力变弱、强度发生衰减行为的本质原因；结晶过程和方式的差异导致Na2SO4对遗址土强度衰减的作用效果比NaCl的突出。

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