干旱、半干旱地區(qū)干濕與鹽漬復(fù)合過程遺址土強度響應(yīng)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(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，甘肅 蘭州，730050；2.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州，730000；3.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州，730050；4.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)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(chǎn)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(jīng)歷著由病害發(fā)育到消亡的過程，因此，如何對土遺址進行科學(xué)認識和實施有效保護已成為工程地質(zhì)學(xué)和巖土工程等學(xué)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(huán)境因素更替引起內(nèi)部溫度場、滲流場和應(yīng)力場發(fā)生變化，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整，從而致使其物理、力學(xué)和水理等宏觀性質(zhì)發(fā)生與之對應(yīng)的響應(yīng)行為[7-9]；其中由快速蒸發(fā)和集中降雨的氣候特征致使其強度發(fā)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(qū)的一場集中式降雨過后，緊接著就是強烈且快速蒸發(fā)，該過程不僅使土遺址處于干濕交替環(huán)境下，引起其內(nèi)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(fā)生運移、結(jié)晶與溶解。因此，該過程使其構(gòu)筑材料遺址土處在干濕和鹽漬雙重復(fù)合作用下。國內(nèi)外諸多學(xué)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(dǎo)致水分增加，使得土體中聚合物的直徑增大超過了土體內(nèi)聚合物穩(wěn)定狀態(tài)時的直徑，從而影響了土體結(jié)構(gòu)是其最為根本原因；龔壁衛(wèi)等[14-15]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。然而，對于干濕和鹽漬雙重復(fù)合作用下土體強度的響應(yīng)行為和機理的研究較少。我國歷史文化悠久，數(shù)目眾多的土遺址得以遺存，但是在環(huán)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(guān)研究亟待開展?；诖?，本文作者以多處大型土遺址的鹽分和濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，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(jīng)歷干濕循環(huán)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(fā)生響應(yīng)行為與基本規(guī)律，探討土遺址量質(zhì)變過程與特定環(huán)境因素變化的內(nèi)在聯(lián)系。

1 實驗過程

1.1 實驗基礎(chǔ)

基于蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室2005～2010年在新疆、甘肅、青海、寧夏和內(nèi)蒙20處土遺址的物理性質(zhì)參數(shù)測試、易溶鹽監(jiān)測和氣候環(huán)境研究的相關(guān)數(shù)據(jù)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(zhì)量分數(shù)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(qū)濕潤系數(shù)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(yīng)規(guī)律有效數(shù)據(jù)，首先應(yīng)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(nèi)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(zhì)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(xiàn)固液分離，并測量濾液電導(dǎo)率，如此反復(fù)6次直至濾液電導(dǎo)率＜300 μs/cm，即認為完成脫鹽。

1.3 樣品制備與養(yǎng)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(zhì)量分數(shù)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(yǎng)護至鹽分均勻分布于土體后，在萬能試驗機下根據(jù)擊實實驗得到的最優(yōu)含水率21%和最大干密度1.71 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)境溫度為恒溫，空氣的相對濕度變化為40%～90%，48 h完成1次干濕循環(huán)，通過恒溫條件下調(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。

1.4 強度測試

上述試樣強度測試由無側(cè)限抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度測試組成?？箟嚎估瓘姸葴y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(yīng)變式剪切儀實施直接快剪，剪切速率為0.8 mm/min。

2 實驗結(jié)果

2.1 無側(cè)限抗壓強度

經(jīng)歷3次干濕循環(huán)并摻入不同質(zhì)量分數(shù)NaCl和Na2SO4試塊的無側(cè)限抗壓強度實驗結(jié)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(cè)限抗壓強度都隨著鹽分摻入含量的增加而呈現(xiàn)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(fù)合過程產(chǎn)生響應(yīng)性的行為，具體表現(xiàn)為強度隨著含鹽量的增加而衰減。

圖1 無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果Fig.1 Results of unconfined compression strength test

2.2 抗拉強度

抗拉強度實驗結(jié)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(xiàn)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(fù)合過程產(chǎn)生與抗壓強度相似的衰減性響應(yīng)行為。

圖2 抗拉強度測試結(jié)果Fig.2 Results of tensile strength test

2.3 抗剪強度

直接快剪實驗結(jié)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(yīng)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(xiàn)遞減趨勢；(2)抗剪強度的衰減率都隨著正應(yīng)力的增長而呈現(xiàn)增長的趨勢；(3)在任一正應(yīng)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(fù)合過程產(chǎn)生衰減性響應(yīng)行為。

圖3 抗剪強度測試結(jié)果Fig.3 Results of shearing strength test

3 分析與討論

3.1 討論

實驗結(jié)果充分證明：在土遺址賦存地區(qū)，集中降雨和快速蒸發(fā)氣候特征所導(dǎo)致的干濕和鹽漬復(fù)合過程對遺址土產(chǎn)生明顯的強度劣化作用；長期的劣化作用會導(dǎo)致其抗壓、抗拉和抗剪性能變?nèi)?，從而引發(fā)土遺址因強度不足而發(fā)生各種模式破壞(圖4)，這是與大量土遺址現(xiàn)場破壞的形跡相一致。因此，正確認識其強度劣化規(guī)律是正確預(yù)測其演化趨勢并實施有效保護的關(guān)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(guān)系，首先對其進行基礎(chǔ)的相關(guān)分析，結(jié)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(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ都與鹽分含量Sc存在良好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的絕對值都大于0.92，呈高度負相關(guān)的關(guān)系。

應(yīng)用回歸分析法對含鹽量與強度參數(shù)進行分析，結(jié)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(shù)法則，判定系數(shù)R2均大于0.95，說明回歸方程有效。

表1 含鹽量與強度參數(shù)相關(guān)分析Table1 Corresponding analysis between salt content and parameters of microstructure

表2 含鹽量與強度參數(shù)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(jié)果表明：一方面遺址土強度會對由經(jīng)歷集中降雨和快速蒸發(fā)的氣候?qū)е碌母蓾窈望}漬復(fù)合過程產(chǎn)生明顯的響應(yīng)，表現(xiàn)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(xiàn)衰減的規(guī)律；另一方面，含有Na2SO4遺址土對干濕和鹽漬復(fù)合過程產(chǎn)生的劣化響應(yīng)行為比含有NaCl遺址土的強烈，表現(xiàn)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(shù)值，而且3個強度的衰減率也表現(xiàn)出與強度數(shù)值一致的規(guī)律。

作為一種露天保存的多孔材料，遺址土是一個復(fù)雜的開放系統(tǒng)，在集中降雨的情況下，遺址內(nèi)部濕度發(fā)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(jié)晶而產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(xù)的蒸發(fā)作用下，發(fā)生失水過程，土中的自由水和鹽分的結(jié)合水發(fā)生由液態(tài)、固態(tài)-氣態(tài)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(fù)這樣的行為。這樣反復(fù)的進程使土體的結(jié)構(gòu)遭受到嚴重的破壞，導(dǎo)致土體強度降低。這也正是干濕與鹽漬復(fù)合過程中遺址土發(fā)生強度劣化響應(yīng)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(fù)合過程的遺址土強度劣化響應(yīng)行為的表現(xiàn)卻存在較大差異，其根本原因在于結(jié)晶過程和方式的差異。在濕度變化的情況下，Na2SO4發(fā)生Na2SO4?Na2SO4·7H2O或Na2SO4·10H2O的吸失水結(jié)晶轉(zhuǎn)化過程，導(dǎo)致體積膨脹與收縮，體積膨脹率可達數(shù)倍或數(shù)十倍，從而對孔隙產(chǎn)生較大的壓力，而且這個過程易于在土體較大的孔隙中發(fā)生；NaCl雖然沒有結(jié)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(fā)生結(jié)晶?溶解的過程，同樣會產(chǎn)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(fā)生。相同含量Na2SO4和NaCl試塊宏觀和微觀形貌對比，如圖5所示?？梢姡汉琋a2SO4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(xiàn)象，只出現(xiàn)表聚現(xiàn)象導(dǎo)致表面顏色加深，并且在較小的孔隙中發(fā)現(xiàn)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(jié)論

(1)土遺址集中賦存的干旱、半干旱地區(qū)的集中式降雨和快速蒸發(fā)的氣候特征使土遺址處于干濕和鹽漬復(fù)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(fù)合過程中遺址土各強度參數(shù)與含鹽量存在較為良好相關(guān)關(guān)系，其回歸方程服從負指數(shù)法則。

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

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