青藏高原地區(qū)典型土遺址凍融與鹽漬耦合劣化作用分析

蒲天彪，諶文武，呂海敏，杜昱民

（1. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730000；2. 中國(guó)國(guó)家民族博物館，北京，100080）

青藏高原地區(qū)典型土遺址凍融與鹽漬耦合劣化作用分析

蒲天彪1， 2，諶文武1，呂海敏1，杜昱民1

（1. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730000；2. 中國(guó)國(guó)家民族博物館，北京，100080）

研究基于高原地區(qū)冬季降雪過(guò)程環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和多處典型土遺址的易溶鹽含量與分布特征，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下分別摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的梯度增量摻入無(wú)水氯化鈉和無(wú)水硫酸鈉至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%并經(jīng)歷凍融循環(huán)的遺址土重塑土樣的風(fēng)洞、崩解、彈性波速和剪切實(shí)驗(yàn)，揭示耦合作用下表征土遺址抗風(fēng)蝕能力、抗雨蝕能力和強(qiáng)度等指標(biāo)的劣化規(guī)律和本質(zhì)原因，并對(duì)底部掏蝕、片狀剝離和坍塌等高原地區(qū)典型土遺址病害形成過(guò)程以及與上述性質(zhì)變化的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行剖析和闡釋。研究結(jié)果表明：試樣抗雨蝕能力、抗風(fēng)蝕能力和強(qiáng)度相關(guān)指標(biāo)會(huì)對(duì)耦合作用產(chǎn)生明顯的劣化響應(yīng)，因摻入鹽分類(lèi)型和含量的不同而表現(xiàn)出非線性衰減規(guī)律；相關(guān)性質(zhì)的劣化為典型病害的發(fā)育提供了前提和基礎(chǔ)。

青藏高原；土遺址；凍融；鹽漬；耦合劣化

青藏高原地勢(shì)高峻，自然環(huán)境多樣獨(dú)特，被稱為“世界第三極”，然而，惡劣的環(huán)境并沒(méi)有阻止人類(lèi)文明的孕育，早在距今二三萬(wàn)年前的舊石器時(shí)代，即有人類(lèi)在今昆侖山一帶活動(dòng)生息。燦爛文明造就了大量文化遺存，其中不乏大量土遺址［1］。青藏高原具有輻射量大、日照蒸發(fā)強(qiáng)烈、氣溫低、積溫少、日較差大和干濕分明的總體氣候特征［2］。有明長(zhǎng)城分布的青藏高原東北緣（門(mén)源、西寧、民和、貴德、互助）地區(qū)，屬大陸性干旱、半干旱高原氣候，具有干燥、少雨、多風(fēng)、寒冷、日溫差大和垂直變化顯著的氣候特征。土遺址是受氣候影響最為顯著和直接的人類(lèi)歷史文化遺存形式之一。在高原獨(dú)特惡劣的氣候控制下，區(qū)內(nèi)土遺址大量發(fā)育諸如開(kāi)裂、掏蝕和風(fēng)化剝離等危害土遺址安全賦存的土體劣化形式。土遺址是一個(gè)復(fù)雜的開(kāi)放系統(tǒng)，氣候條件對(duì)其劣化過(guò)程的影響和控制是最為直接和突出的。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者開(kāi)展了由集中降雨過(guò)程產(chǎn)生的干濕和鹽漬復(fù)合過(guò)程的土遺址劣化規(guī)律和機(jī)理的系統(tǒng)研究［3-4］。QU等［5-7］進(jìn)行了土遺址凍融耐久性研究，通過(guò)部分土遺址重塑樣品和原狀樣品的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，初步闡明了遺址土的抗風(fēng)蝕能力和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。然而，對(duì)于高原地區(qū)冬季常見(jiàn)的降雪過(guò)程導(dǎo)致的凍融和鹽漬共同作用下的土遺址劣化規(guī)律和機(jī)理的研究報(bào)道較少。降雪過(guò)程是青藏高原冬季普遍的一種天氣過(guò)程，該過(guò)程使土遺址處于反復(fù)凍融和鹽漬的復(fù)合作用之下，一方面使土遺址內(nèi)部的溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)發(fā)生改變，水分相態(tài)轉(zhuǎn)變；另一方面引起其內(nèi)部易溶鹽分發(fā)生運(yùn)移、結(jié)晶與溶解。這就會(huì)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)地調(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(duì)應(yīng)的復(fù)雜響應(yīng)行為。國(guó)內(nèi)外同行已在關(guān)于土在凍融條件下劣化過(guò)程與機(jī)理開(kāi)展了研究。SIGRUN等［8-9］研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會(huì)造成土體結(jié)構(gòu)的劣化，相對(duì)于黏性土，粉土對(duì)凍融等風(fēng)化作用更為敏感。黃克忠［10］對(duì)凍融循環(huán)作用下青藏鐵路沿線的粉質(zhì)黏土進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)分析，認(rèn)為凍融循環(huán)作用不會(huì)改變應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形式，只改變其彈性常數(shù)和破壞強(qiáng)度；KEVIN等［11］認(rèn)為凍融循環(huán)對(duì)土的應(yīng)力應(yīng)變行為的影響受試驗(yàn)條件（固結(jié)、三軸等）的影響而導(dǎo)致不同的力學(xué)行為。但上述研究未考慮遺址土的特殊性和鹽分在其中所起的作用?；谝陨险J(rèn)識(shí)，選取遺存在青海境內(nèi)的明長(zhǎng)城遺址為典型研究對(duì)象，以對(duì)其賦存地區(qū)冬季降雪過(guò)程氣候要素的分析以及遺址的鹽分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下?lián)饺氩煌客吝z址中常見(jiàn)的鹽分并經(jīng)歷凍融循環(huán)的遺址土重塑土樣的崩解、稠度、風(fēng)蝕速率、抗剪強(qiáng)度和彈性波速等指標(biāo)測(cè)試，來(lái)研究?jī)鋈诤望}漬雙重作用下土遺址抗風(fēng)蝕、抗雨蝕能力和強(qiáng)度的變化規(guī)律，為常見(jiàn)遺址劣化進(jìn)程形式的發(fā)生和發(fā)展探索原因，并探討土遺址劣化對(duì)降雪過(guò)程響應(yīng)的基本途徑。

1　凍融與鹽漬環(huán)境分析

1.1凍融環(huán)境特征

表1所示為遺址賦存地區(qū)凍融環(huán)境特征。從已獲得的有明長(zhǎng)城遺址分布青藏高原東北緣地區(qū)的氣候資料（1980—2005年）分析可知，這些地區(qū)冬季（1，2和12月份）日平均氣溫較差大，最高可達(dá)20. 7 ℃；月平均降水量在 0.6～3.6 mm之間，且降水形式以降雪為主；月蒸發(fā)量為36.6～88.4 mm（表1）。這充分說(shuō)明在該地區(qū)冬季降雪過(guò)程中，溫度、降水相態(tài)變化以及較為強(qiáng)烈的蒸發(fā)可為露天保存的土遺址創(chuàng)造充分的凍融環(huán)境，為其劣化進(jìn)程提供先決條件。

1.2典型土遺址含鹽特征

對(duì)上述5個(gè)地區(qū)典型明長(zhǎng)城遺址由底部向頂部間隔0.3 m系統(tǒng)采樣的易溶鹽測(cè)試（DSC）結(jié)果顯示，遺址土易溶鹽含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 578～89 777 mg/kg之間分布，呈現(xiàn)自遺址根部向頂部依次減小的規(guī)律（圖1）；并且易溶鹽中陰離子成分主要以SO42-和Cl-為主，易溶鹽中SO42-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.6%～67.3%，Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%～17.6%；陽(yáng)離子以Na+和K+為主，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.9%～21.7%。依此計(jì)算分析表明NaCl和Na2SO4為遺址鹽分中最為常見(jiàn)的離子組合形式，而且以其為代表易溶鹽分的廣泛分布為該區(qū)遺址土鹽漬過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程提供事實(shí)依據(jù)和前提。

圖1　典型土遺址系統(tǒng)采樣易溶鹽含量測(cè)試結(jié)果Fig. 1　Random test results of DSC on typical earthern ruins

表1　遺址賦存地區(qū)凍融環(huán)境特征Table 1 Feature of freezing and thawing environment in some districts with earthen ruins

1.3遺址土的基本特征

上述土樣的基本物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果表明，其顆粒物質(zhì)組成中，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布在56.31%～78.61%之間，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布在5.13%～23.20%之間，干密度位于1.47～1.78 g/cm3之間，孔隙率為32.7%～52.4%。以上遺址土的物理性質(zhì)參數(shù)分布較為離散，這與其建造時(shí)所采用“因地制宜、就地取材”的夯筑原則和“人工版筑”的建造技藝是密不可分的。經(jīng)概括分析，此類(lèi)土多屬粉土與粉質(zhì)黏土的分類(lèi)范疇，對(duì)凍融或鹽漬作用具有較強(qiáng)的響應(yīng)性［7］。

2　實(shí)驗(yàn)研究

2.1樣品制備

對(duì)取自 5處典型遺址坍塌處粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.05%、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.33%的原狀土樣充分碾碎后，用去離子水和分子篩聯(lián)合脫鹽［12］。而后向脫鹽后的土體以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.2%的梯度增量分別摻入無(wú)水NaCl和Na2SO4至1%，密封養(yǎng)護(hù)至鹽分均勻分布于土體。最后在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)下依據(jù)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率為14%和最大干密度為1.70 g/cm3確定土水質(zhì)量，采用雙向擠壓法制成棱長(zhǎng)為7.07 cm的正方體試塊。

2.2樣品養(yǎng)護(hù)

試塊置于型號(hào)為MHK-S1000溫濕度控制室進(jìn)行凍融循環(huán)養(yǎng)護(hù)，箱內(nèi)溫度在-40～100 ℃可調(diào)，濕度在10%～98%可調(diào)。通過(guò)反復(fù)凍結(jié)和融化，模擬試樣在降雪環(huán)境下經(jīng)歷的凍融過(guò)程。青海諸地歷年平均最低氣溫為-21.8 ℃，故凍融循環(huán)試驗(yàn)控制土體所處凍結(jié)溫度為-20 ℃，凍結(jié)時(shí)間為12 h；然后定濕度融化12 h（室溫20 ℃），依次進(jìn)行下一個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)，反復(fù)養(yǎng)護(hù)3次。

2.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法

對(duì)上述完成凍融循環(huán)養(yǎng)護(hù)的試塊采用直流下吹式多功能環(huán)境風(fēng)洞分別進(jìn)行風(fēng)速為 18，22，24，28和30 m/s攜沙風(fēng)不同吹蝕時(shí)間的風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行崩解、聲波和直接剪切試驗(yàn)，來(lái)探索耦合作用下試樣的抗風(fēng)蝕、抗雨蝕能力和強(qiáng)度的變化規(guī)律。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1抗風(fēng)蝕能力的變化規(guī)律

在直流下吹式風(fēng)洞中進(jìn)行對(duì)分別摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～1.0% 2種鹽分并經(jīng)歷凍融循環(huán)試塊不同風(fēng)速、不同吹蝕時(shí)間的攜沙風(fēng)吹蝕實(shí)驗(yàn)。

圖2所示為凍融循環(huán)后不同含鹽試樣18m/s風(fēng)速下風(fēng)蝕量變化，圖3所示為凍融循環(huán)后不同含鹽試樣不同風(fēng)速平均風(fēng)蝕速率變化。從圖2和圖3可知：1） 摻入任意鹽分試樣的風(fēng)蝕量隨著攜沙風(fēng)風(fēng)速和吹蝕時(shí)間的增大而呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)；2） 在吹蝕風(fēng)速一定條件下，試樣的風(fēng)蝕速率隨著摻入鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢(shì)；3） 在相同吹蝕條件和鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下，摻入Na2SO4試樣的風(fēng)蝕速率增長(zhǎng)量明顯高于摻入 NaCl試樣的增長(zhǎng)量。以上結(jié)果說(shuō)明表征試樣抗風(fēng)蝕能力的物理量受攜沙風(fēng)風(fēng)速、吹蝕時(shí)間的直接影響，其對(duì)于風(fēng)速和吹蝕時(shí)間變化的響應(yīng)程度取決于摻入鹽分類(lèi)型和含量；抗風(fēng)蝕能力在凍融、鹽漬耦合作用下呈現(xiàn)衰減的劣化規(guī)律。

3.2抗雨蝕能力的變化規(guī)律

崩解性是指土體浸水后粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)和強(qiáng)度喪失致使崩散解體的特性，崩解速度是直接表征崩解性的物理量，可以直接反映遺址土的抗雨蝕能力［13］。圖4所示為凍融循環(huán)后不同含鹽試樣崩解速度變化。從圖4可見(jiàn)：1） 摻入任意鹽分試樣的崩解速度隨著摻入鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)；2） 摻入任意鹽分試樣的崩解速度在0～0.4%這個(gè)區(qū)間變化較平緩，在0.4%～1.0%這個(gè)區(qū)間提高較迅速；3） 在鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，摻入Na2SO4試樣的崩解速度明顯高于摻入 NaCl試樣的崩解速度。以上結(jié)果說(shuō)明試樣受崩解性凍融與鹽漬耦合作用的直接影響。

圖2　凍融循環(huán)后不同含鹽試樣18 m/s風(fēng)速下風(fēng)蝕量變化Fig. 2　Variation of wind erosion quantity of specimens mixed with different salinities after freezing and thawing cycle under wind velocity of 18 m/s

圖3　凍融循環(huán)后不同含鹽試樣不同風(fēng)速平均風(fēng)蝕速率變化Fig. 3　Variation of average wind erosion rate of specimens mixed with different salinities after freezing and thawing cycle under various wind velocities

3.3強(qiáng)度的變化規(guī)律

彈性波波速作為評(píng)價(jià)巖土體物理性質(zhì)和強(qiáng)度優(yōu)劣快捷而有效的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用［14］。圖5所示為凍融循環(huán)后不同含鹽試樣縱波波速變化。從圖5可見(jiàn)：1） 摻入任意鹽分試樣的垂直層面和平行層面的縱波波速隨著摻入鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)；2） 在鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，摻入 Na2SO4試樣的垂直層面和平行層面的縱波波速均小于摻入NaCl試樣的縱波波速；3） 摻入任意鹽分試樣的平行層面縱波波速隨著鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高的衰減幅度明顯大于其垂直層面縱波波速的衰減幅度。上述結(jié)果表明凍融與鹽漬耦合作用促使試樣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生調(diào)整，致使試樣中縱波傳播速度減小，反映試樣強(qiáng)度在耦合作用下產(chǎn)生衰減的行為。

圖4　凍融循環(huán)后不同含鹽試樣崩解速度變化Fig. 4　Variation of disintegration rate of specimens mixed with different salinities after freezing and thawing cycle

圖5　凍融循環(huán)后不同含鹽試樣縱波波速變化Fig. 5　Variation of vertical wave velocity of specimens mixed with different salinities after freezing and thawing cycle

圖6　凍融循環(huán)后不同含鹽試樣抗剪強(qiáng)度變化Fig. 6　Variation of shearing strength of specimens mixed with different salinities after freezing and thawing cycle

圖6所示為凍融循環(huán)后不同含鹽試樣抗剪強(qiáng)度變化。上述試塊的平行方向的直接快剪實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出以下3點(diǎn)特征：1） 摻入任意鹽分試樣在相同正應(yīng)力條件下試塊的抗剪強(qiáng)度都隨著摻入鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；2） 摻入任意鹽分試塊的抗剪強(qiáng)度的衰減率都隨著正應(yīng)力的增大而呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；3） 相同正應(yīng)力條件下 Na2SO4試塊的抗剪強(qiáng)度衰減幅度都比摻入 NaCl試塊的大。以上表明凍融與鹽漬耦合作用使試樣土粒間連結(jié)程度削弱，土粒間的相對(duì)位移更加容易發(fā)生，從而表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度也會(huì)對(duì)耦合過(guò)程產(chǎn)生衰減性響應(yīng)行為。

4　分析與討論

以青藏高原多處明長(zhǎng)城遺址所處凍融環(huán)境為參照，以易溶鹽監(jiān)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，通過(guò)經(jīng)歷凍融循環(huán)的不同含鹽類(lèi)型、數(shù)量的遺址土的風(fēng)洞、崩解、彈性波速和直接剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接反映遺址土在凍融和鹽漬耦合作用下彈性波速和抗剪強(qiáng)度衰減的規(guī)律?？癸L(fēng)蝕能力、抗雨蝕能力和強(qiáng)度的變化高度一致，表明土遺址對(duì)耦合作用的劣化響應(yīng)非常顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映另一個(gè)重要特征就是Na2SO4和NaCl對(duì)耦合過(guò)程的遺址土宏觀性質(zhì)指標(biāo)劣化響應(yīng)行為表現(xiàn)存在較大差異。其根本原因在于結(jié)晶過(guò)程和方式的差異，Na2SO4發(fā)生Na2SO4·7H2O或 Na2SO4·10H2O的吸失水結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程，導(dǎo)致體積膨脹與收縮，體積膨脹率可達(dá)數(shù)倍或數(shù)十倍；NaCl雖然沒(méi)有像Na2SO4那樣存在結(jié)晶水的得失，但具有很強(qiáng)的吸濕性，在濕度變化的影響下也會(huì)發(fā)生結(jié)晶?溶解的過(guò)程，與Na2SO4相比，同樣會(huì)產(chǎn)生較小的體積膨脹和孔隙壓力。

冬季降雪是青藏高原最常見(jiàn)的天氣過(guò)程，降融雪整個(gè)過(guò)程中有氣溫升降、降水（固-液-氣） 3種相態(tài)的轉(zhuǎn)化等環(huán)境因素的變化；而對(duì)于在露天環(huán)境中保存的土遺址的影響則更顯著。首先，在降雪過(guò)程中，由于環(huán)境溫度的改變導(dǎo)致遺址中溫度場(chǎng)改變；其次，在融雪過(guò)程中，停留在遺址表面的積雪融化入滲至其中導(dǎo)致其滲流場(chǎng)改變；最后，在滲流場(chǎng)、蒸發(fā)和毛細(xì)作用下，水分?jǐn)y帶著鹽分迅速向遺址表面和底部發(fā)生二維運(yùn)移，同時(shí)，水分在溫度場(chǎng)的變化下會(huì)發(fā)生固液態(tài)的相互轉(zhuǎn)化，鹽分在溫度場(chǎng)的變化下發(fā)生結(jié)晶-溶解相互轉(zhuǎn)化。因此，冬季反復(fù)的降雪過(guò)程導(dǎo)致遺址中溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和鹽分的反復(fù)變化，使之處在反復(fù)凍融和鹽漬耦合作用之下。

由遺址土在凍融和鹽漬耦合作用下土遺址對(duì)耦合作用的劣化響應(yīng)以及降融雪過(guò)程對(duì)土遺址的影響可知，由冬季降雪造成的反復(fù)凍融和鹽漬耦合作用實(shí)質(zhì)上是土遺址在水-熱-鹽的共同作用下水分、鹽分發(fā)生運(yùn)移與相態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。鹽隨水走，這是水鹽在土體中運(yùn)移的主要形式，土體中各種類(lèi)型的孔隙則是水鹽運(yùn)移的主要通道；水鹽在運(yùn)移的過(guò)程受到溫度的影響，在孔隙中完成相態(tài)的轉(zhuǎn)化和結(jié)晶-溶解的過(guò)程。具體表現(xiàn)為當(dāng)土體凍結(jié)時(shí)，水分由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，體積發(fā)生膨脹，鹽分溶解度受溫度的影響，部分析出發(fā)生結(jié)晶，體積亦發(fā)生膨脹；當(dāng)土體融化時(shí)，水分由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的冰，體積發(fā)生收縮，鹽分隨著溫度升高結(jié)晶開(kāi)始溶解，體積亦收縮。這樣反復(fù)疊加的膨脹-收縮的過(guò)程同時(shí)作用于土體結(jié)構(gòu)，一方面使土顆粒之間失去支撐形成空缺，從而改變了顆粒骨架的聯(lián)接方式；另一方面亦使土體原生隱微裂隙張開(kāi)、擴(kuò)大、加深與連通，形成長(zhǎng)大裂隙，導(dǎo)致其土顆粒間聯(lián)接力變小。因此，土體結(jié)構(gòu)遭受?chē)?yán)重破壞，隨之表現(xiàn)出抗風(fēng)蝕能力、抗雨蝕能力和強(qiáng)度一系類(lèi)列宏觀性質(zhì)的劣化行為。

底部掏蝕、片狀剝離和坍塌是高原地區(qū)以明長(zhǎng)城為代表的土遺址典型且普遍發(fā)育的病害［15］，上述一系列宏觀性質(zhì)的劣化表現(xiàn)為這些等典型病害普遍發(fā)育提供了佐證。遺址土體的抗風(fēng)蝕能力、抗雨蝕能力和強(qiáng)度分別直接控制著底部掏蝕、片狀剝離和坍塌病害的發(fā)生與發(fā)展進(jìn)程。 底部掏蝕病害的發(fā)育過(guò)程實(shí)質(zhì)上是鹽分在土遺址底部發(fā)生聚集，遺址底部土體在耦合作用下，結(jié)構(gòu)遭受破壞，粒間連接力變?nèi)?，致使土體抗風(fēng)蝕能力降低；而后在挾沙風(fēng)高速運(yùn)動(dòng)的砂粒的強(qiáng)烈撞擊和磨蝕作用下脫離土骨架成為自由土粒而被搬運(yùn)到它處形成空腔的過(guò)程。上述完成凍融交替的含鹽試樣的攜沙風(fēng)吹蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果是對(duì)底部掏蝕病害形成過(guò)程最好的表述。同樣，片狀剝離的形成是遺址表面土體增濕崩解產(chǎn)生蠕動(dòng)泥流，經(jīng)蒸發(fā)干燥作用形成龜裂狀外翹結(jié)皮，與含鹽土體在凍融交替環(huán)境下的抗雨蝕能力的改變有著直接的關(guān)系。對(duì)凍融交替的含鹽土體的彈性波速和抗剪強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果則直觀地表明遺址土在耦合作用下強(qiáng)度發(fā)生衰減的特征，為遺址坍塌病害提供直接與有力的證據(jù)。 因此，由降雪過(guò)程導(dǎo)致的凍融和鹽漬耦合作用是控制高原地區(qū)土遺址典型病害發(fā)育和發(fā)展不可忽略的驅(qū)動(dòng)力。

5　結(jié)論

1） 冬季降雪和強(qiáng)烈蒸發(fā)的氣候特征以及遺址中易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分布特征為高原地區(qū)以明長(zhǎng)城遺址為代表的土遺址發(fā)生凍融和鹽漬耦合作用提供了前提和基礎(chǔ)。

2） 摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl和Na2SO4并經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣的風(fēng)蝕、崩解、彈性波速和剪切室驗(yàn)結(jié)果揭示了遺址土其耦合作用下會(huì)發(fā)生抗風(fēng)蝕能力降低（風(fēng)蝕速率提高）、抗雨蝕能力減弱（崩解加速）、強(qiáng)度衰減（彈性波速和抗剪強(qiáng)度降低）的現(xiàn)象。

3） 在凍融交替和鹽漬耦合作用下，水鹽熱過(guò)程使水分和鹽分在遺址土孔隙中發(fā)生固液態(tài)、結(jié)晶-溶解相互轉(zhuǎn)化，引發(fā)孔隙擴(kuò)張，骨架軟化。粒間連接變?nèi)跏菍?dǎo)致抗風(fēng)蝕、抗雨蝕能力和強(qiáng)度等宏觀性質(zhì)的劣化的本質(zhì)原因。

4） 遺址土宏觀性質(zhì)在凍融交替和鹽漬雙重作用下發(fā)生劣化響應(yīng)，有力地驅(qū)動(dòng)底部掏蝕、片狀剝離和坍塌等嚴(yán)重威脅土遺址病害的發(fā)育和發(fā)展。

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（編輯 羅金花）

Analysis on function of deterioration of typical earthen ruins under the coupling of salinized and freezing and
thawing in Qinghai-Tibet Plateau

PU Tianbiao1， 2， CHEN Wenwu1， Lü Haimin1， DU Yumin1

（1. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China，Ministry of Education， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China；2. The National Museum of Ethnology， Beijing 100080， China）

Based on the environmental monitoring data and the analysis of the soluble salt content and distribution to several typical ruins during the process of winter snowfall in the plateau region， wind tunnel， disintegration， elastic wave velocity and shearing experiments in laboratory on remodeling sample mixed with the mass fraction of 0.2%-1% of anhydrous sodium sulfate and sodium chloride and through the freeze-thaw cycle after desalination were studied， to reveal the change rule of properties and essential reasons on those with the joint function of salinized and freezing and thawing， which characterizes the ability of ruins to resist wind erosion， rain erosion and indexes of strength. And then inner link between the forming processes of typical diseases such as detachment of bottom undercutting， surface crust and collapses was analyzed and explained. The results show that the ability of ruins to resist wind erosion， rain erosion and indexes of strength have significant deterioration response to coupling processes， which has non-linear attenuation law as mixing different typed and content of salt. In addition， the deterioration of related properties provides precondition and basis for the development of typical diseases.

Qinghai-Tibet Plateau； earthern ruin； freezing and thawing； salinized； coupling deterioration

TU411.2

A

1672-7207（2016）04-1420-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.044

2015-04-10；

2015-06-10

（Foundation item）：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52108245，41562015）；2013文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域科學(xué)和技術(shù)研究課題（2013-YB-HT-013）；凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（SKLFSEl201101）（Projects （52108245， 41562015） National Science Foundation of China； Project （2013-YB-HT-013） supported by the Scientific Research and Technical Project in Conservation of Cultural Heritage in 2013； Project （SKLFSEl201101） supported by the Open Foundation from Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute）

諶文武，博士，教授，從事地質(zhì)工程、巖土工程、文物保護(hù)工程研究；E-mail：sungp@lzu.edu.cn