干湿与盐渍耦合作用下土遗址劣化过程与机理研究

In arid and semi-arid regions of China, there are many earthen sites, such as Great Wall and mausoleum of Xixia which are experiencing different kinds of damages process such as surface detachment, backoff of wall bases and cracks induced by influence of environmental change. Deterioration response of the earthen sites caused coupling effects of wetting-drying cycle and salinity is one of the most important and commonly damage mechanisms, which is closely related to concentrated rainfall and strong and quick evaporation. This research will focus on the relics site of Suoyong city, mausoleum of Xixia dynasty and Xining Great Wall on Ming dynasty and study the change law of deterioration response based on the field observation of the temperature, humidity and salinity of the earthen sites. Based on the field observation and the analysis of observation data, a series of laboratory experiments will be conducted to investigate the mechanism of deterioration response of the earthen sites adopting macroscopic and microcosmic methods by measuring the physical, mechanical and hydraulic properties of samples from three earthen sites mentioned early and microstructure characteristics under different kinds and concentrations of salt testing conditions. The effective evaluation model will be developed in order to provide reasonable suggestions and design references for these earthen sites distributed in arid and sumi-arid regions in China.

我国干旱、半干旱地区遗存的诸如明长城、西夏王陵等为数众多的土遗址在环境变化的影响下经历着由表面剥离、基础掏蚀凹进和土体开裂等病害大量发育到快速消亡的量质变过程。其中在集中降雨、强烈快速蒸发的气侯特征导致的干湿和盐渍耦合作用下土遗址产生劣化响应是最为典型和严重的过程之一。本研究拟以安西锁阳城、银川西夏王陵和西宁明长城三处典型土遗址为研究对象，开展多次集中式降雨过程环境与土遗址内部湿度、温度和盐度的观测实验，定量分析变化过程中遗址土体湿度、温度和盐度对环境响应程度与规律；在实地观测和结果分析的基础上，开展对掺入不同类型和数量盐分并经历多期次不同条件下干湿循环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，揭示土遗址在干湿和盐渍耦合作用下相关性质的变化规律，阐明土遗址劣化机理与过程，并据此建立有效评估模型，为干旱地区土遗址的科学有效的保护提供参考与依据。

土遗址是以土为主要建筑材料的具有历史、文化、和科学价值的古遗址，不仅是历史文化信息的重要载体，而且更是接受环境改造最为直接的特殊岩土体。露天保存于岩石圈表面的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雨、强烈快速蒸发的气侯特征导致的干湿和盐渍耦合作用下土遗址的劣化行为则是危害最为直接和巨大的范例之一。我国是人类文明的四大发祥地之一，拥有着丰富璀璨的历史文化积淀，大量的历史文化信息的载体土遗址亟待保护，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2013年~2015年12月期间按照课题任务规定，课题组主要围绕干湿和盐渍耦合作用土遗址劣化机理和过程研究命题，开展了土遗址对环境响应范围、程度和规律的长期实测工作，掺入质量百分含量0.2%的梯度增量掺入无水氯化钠和无水硫酸钠至1%经历不同期次干湿循环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分期次测试实验工作以及耦合作用下土遗址劣化机理和过程分析研究工作。研究结果表明：遗址内部不同位置土体所遭受的干湿与盐渍耦合作用的频率和剧烈程度存在差异，具有明显的时空分布规律，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，其中向阳一侧的顶部和底部表层20cm的土体是遭受耦合作用最为剧烈和频率最大的部位；经历不同期次干湿循环的不同含盐量试样的风蚀速率、崩解速度都随着含盐量和干湿循环的期次的增长而增大，颗粒分维值、塑性指数、抗压强度、抗拉强度和抗剪强度都随着含盐量和干湿循环的期次的增长而减小；遗址部位土体因遭受耦合作用的频率和剧烈程度不同而发生了差异性劣化过程决定土遗址了同病害的发生和演化进程。