西北干旱区基于降水过程的夯土遗址致劣模式与机理研究

In arid regions of northwest China, there are many rammed earth sites which are important carriers of historical and cultural information. They are experiencing rapid evolution process form deterioration to destruction induced by long-term effects of environmental factors. As one kind of special soil with artificial sorting and stratified structure and completely expose to the surface of the earth, coupling effect of wet-dry and salinity and coupling effect of freeze-thaw and salinity, and their alternation effects induced by precipitation are vital to the deterioration of them.This research will focus on the typical sites and study the change law of deterioration response based on the field observation of the temperature, humidity and salinity of sites and environment in summer rainfall and winter snowfall. Based on the field observation and the analysis of observation data, a series of laboratory experiments will be conducted to investigate rules and internal relations of those properties under different coupling effects adopting macroscopic and microcosmic methods by measuring the physical, mechanical, hydraulic properties and microstructure characteristics of remolded samples under different kinds and concentrations of salt through repeated wet-dry cycle, freeze-thaw cycle and alternating cycles of these two cycles maintaining. Finally, the modes and mechanisms of deterioration due to precipitation process and effective evaluation model will be developed in order to provide the theoretical basis and support for earthen site’s scientific and effective protection in the arid areas.

西北干旱区大量遗存着夯土遗址这类历史文化信息的重要载体，在环境因素长期作用下正经历着由劣化到破坏的快速量质变过程。作为具有人工分选性、层状构造并完全出露于地表的特殊土体，降水过程所导致的干湿与盐渍耦合、冻融与盐渍耦合以及两种耦合交替作用产生的劣化效应是最为显著、直接和长期的。研究通过对典型土遗址开展多次夏季降雨、冬季降雪过程中环境与遗址内部温度、湿度和盐度的现场长期观测和室内掺入不同类型、含量盐分并分别经历多期次干湿、冻融以及干湿与冻融交替养护遗址土试样的物理、水理与力学性质以及微观结构分析的室内系统实验；定量分析遗址土体湿度、温度和盐度对不同降水过程响应时空变化规律，揭示不同耦合作用下夯土遗址的宏观性质和微观结构的变化规律及内在联系，阐明降水过程夯土遗址致劣模式与机理，并据此建立以劣化指数为目标函数的评价指标体系，为科学有效的保护干旱区土遗址提供依据和理论支撑。

露天保存于岩石圈表面的夯土遗址在长期经受着生物圈、水圈、大气圈与岩石圈的相互作用过程中，正经历着材料劣化→病害发育→整体消亡的量变到质变过程；其中由西北地区常见的集中降水、强烈快速蒸发的气侯特征导致的干湿、冻融与盐渍组合而成的不同耦合作用下的劣化行为是对夯土遗址危害最为直接和巨大的范例之一；因此，开展针对性的研究迫在眉睫。接受国家自然科学基金的资助，在2016年1月~2019年12月期间按照课题任务规定，课题组主要围绕西北干旱区基于降水过程的夯土遗址致劣模式与机理研究命题，开展了土遗址对降雨和降雪过程中环境响应范围、程度和规律的长期实测工作，掺入质量百分含量0.2%的梯度增量NaCl和Na2SO4至1%经历不同期次、不同耦合作用遗址土重塑试样的物理性质、水理性质、力学性质和微观性质测试实验工作以及与降水直接相关的夯土遗址劣化模式和机理分析研究工作。研究结果表明：①降水过程中夯土遗址不同位置土体温度、水分的频率和剧烈程度存在差异，导致盐分运移方式、聚集空间和相态变化不同，进而导致遭受不同形式、频率和程度的耦合作用。总体表现为横向上由两侧表面向内核呈现双向衰减、纵向由顶部和底部向中部发生双向衰减的规律，其中夯土遗址顶部、两侧表层20cm和底部的土体是遭受耦合作用最为剧烈和最频繁的部位。②经历不同期次、不同形式养护的含盐量试样的风蚀速率、崩解速度、塑性指数、抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等宏观性质参数和颗粒分维值、孔隙分维值、颗粒等效直径、孔隙等效直径、颗粒面积比等有关颗粒和孔隙的微细观参数都随着含盐量和养护的期次呈现有规律的变化，并且宏观性质参数与微细观参数存在量化对应关系。③冲沟病害的发育受降水频次和降水量的显著影响，片状剥离的发育受盐分分异和不均匀收缩两个机制控制，底部掏蚀的发育受控于降水过程诱发的毛细水上升过程，三种病害发育的实质就是不同耦合作用导致的土颗粒粗粉粒化和孔隙孔径均一化的结构调整造成的。