0.   引言

西北地区集中性降雨降雪、强烈的蒸发及较大的昼夜温差使土遗址处于反复的干湿和冻融循环过程中，引起水盐的反复迁移及相变，从而诱发土遗址的盐渍劣化。监测遗址体内水盐动态变化是揭示其劣化机理的重要手段，Fujii等^[1]应用数字立体摄影测量技术对Ajina寺庙不同部位的墙体进行了分析，指出遗址顶部和底部的侵蚀由易溶盐与风雨的共同作用造成。崔凯等^[2]对降雨过程中的土遗址进行了实时监测，表明降雨诱发的干湿循环促使水盐由地基向墙体发生毛细运移形成盐渍带。Richards等^[3]对锁阳城模拟墙体的监测结果表明集中性的风成强降雨可对干旱半干旱地区土遗址造成快速破坏。基于现场监测结果，研究人员以夏季短时强降雨与强烈蒸发引起的干湿循环为切入点，测试土体物理力学水理性质来评价土遗址在抗风蚀、雨蚀等方面的性能^[4-5]，却忽略了初冬降雨对土遗址的危害。除干湿循环外，降雨后的冻融循环会使遗址土的物理性质发生显著变化^[6]，且水的软化和冰的促化效应会导致墙体临空面土体沿着水冰交界面剥落^[7]，进而对遗址体的强度和完整性产生威胁。

近年来部分学者开始考虑降雪对土遗址的影响。Pu等^[8]指出降雪导致的冻融和盐渍耦合效应是青藏高原土遗址发育病害的重要驱动力。Cui等^[9]通过室内试验模拟了不同温度范围内遗址土体的冻融循环进程。Wang等^[10]指出冻融循环、融雪侵蚀及降雨侵蚀是北庭故城遗址顶部破坏的主要成因。但现有研究没有考虑积雪的消融过程，积雪对土体的水分补给是随着雪层融化缓慢进行的，并非一次性均匀的补充到土体内部^[11]；雪层与土体接触面还会产生冻黏作用^[12]从而影响土体完整性，该效应是覆雪的独特属性，也应作为研究要点。此外，盐分在冻融过程中的反复结晶与溶解，将使得土体性质产生明显的变化^[13]，在土遗址保护领域，尚无融雪对含盐遗址土影响的相关研究。

本文以降雨或融雪入渗为初始条件，选取弹性波速、无侧限抗压强度等参数作为表征试样变化的指标，结合表观劣化及微结构变化，研究了含盐土遗址的冻融劣化效应。研究旨在揭示含盐土遗址对冬季降水的抵抗能力，进而对土遗址的预防性保护提供参考依据。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

试验用土取自永登明长城遗址附近，其基本物理性质与遗址土体相近（表 1，2）。试验用雪取自兰州市自然降雪，取雪后冷藏备用；试验模拟降雨用水为融化雪水，取雪后置于封闭收纳箱内融化后备用。

表  1  土体基本物理性质

Table  1.  Basic physical properties of soils

试样	相对质量密度	塑性 指数	粒径分布/%
			> 0.075 mm	0.075~0.005 mm	< 0.005 mm
遗址土	2.72	11.1	4.98	85.69	9.33
试验土	2.72	10.7	3.62	88.76	7.62

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表  2  土体易溶盐离子含量

Table  2.  Content of soluble salt ions in soils  (mg/L)

试样	Cl−	NO− 3	SO2− 4	Na+	K+	Mg2+	Ca2+
遗址土	324.44	4.37	519.18	301.49	8.03	58.91	98.91
试验土	443.83	9.57	498.91	371.11	10.31	60.02	91.49

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1.2   试验方案

西北地区多处土遗址的易溶盐离子检测结果显示，土遗址中常见的易溶盐为NaCl和Na₂SO₄，含量主要分布在0~1%范围内（图 1）。为研究不同类别及含量盐分的影响，将脱盐^[13]并烘干过2 mm筛的土样以0.2%的质量分数梯度加入无水硫酸钠或无水硫酸钠-无水氯化钠混合盐制成干密度为1.78 g/cm³，含水率为15.46%，棱长为7.07 cm的立方体试样，试验分组见表 3。将制好的试样自然风干备用。

图  1  西北地区土遗址易溶盐离子含量

Figure  1.  Contents of soluble salt ions in earthen sites

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表  3  试验分组设置

Table  3.  Setting of test groups

组别	Na2SO4/%	NaCl/%		组别	Na2SO4/%	NaCl/%
S1	0.2	0		SC1	0	1.0
S2	0.4	0		SC2	0.2	0.8
S3	0.6	0		SC3	0.4	0.6
S4	0.8	0		SC4	0.6	0.4
S5	1.0	0		SC5	0.8	0.2

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为避免覆雪过快融化，在冻融循环开始前将土样置于5℃环境中养护12 h。X组（融雪）在试样顶部覆盖质量为53.5 g的雪层^[12]；Y组（降雨）在试样顶部喷洒等质量雪水；未冻融组不做覆雪或降雨处理。参考上述土遗址2010年以来冬季平均气温（图 2），选取-15℃为冻结温度，5℃为融化温度，24 h为一个冻融周期，冻结与融化时长均为12 h。

图  2  西北土遗址赋存地区冬季平均气温

Figure  2.  Average temperatures in regions of earthen sites in Northwest China in winter

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2.   试验结果与分析

在第0，1，2，4，6，8，10，12次循环后取出试样测定其物理参数，其中X1~X12、Y1~Y12分别代表融雪组、降雨组经历不同冻融循环次数的试样。

2.1   水分变化

经历不同冻融循环次数后试样水分变化见图 3，其中w₀和w₀'分别为补水前后的试样含水率。X组覆雪后含水率轻微上升，在第1个冻融周期达到峰值后逐渐减小并趋于稳定；Y组降雨后含水率迅速增加，随后逐渐减小并趋于稳定。

图  3  不同冻融循环次数后试样含水率

Figure  3.  Water contents of samples after different freeze-thaw cycles

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对比图 3（a）与图 3（b）、图 3（c）与图 3（d）可知，X组试样含水率峰值小于Y组，Y组水分迅速入渗至试样内部，而X组融雪入渗过程中大量水分因蒸发和升华而散失，X组最终的水分补给量小于Y组。对于S组试样，随着Na₂SO₄含量的增加，孔隙溶液的蒸汽压降低^[14]，土体与冻融环境之间的蒸汽压梯度减小，试样的含水率下降速率（蒸发速率）降低。在水分蒸发过程中，盐分被携带至试样顶面并结晶析出阻塞土体孔隙，进一步降低水分蒸发速率。对比图 3（a）与图 3（c）、图 3（b）与图 3（d）可知，SC组试样的含水率下降速率小于S组，是由于SC组试样的孔隙溶液浓度大于S组。首先，SC组试样的含盐量普遍大于S组；其次，NaCl的溶解度大于Na₂SO₄^[15]，在相同的含水率下SC组孔隙溶液中的溶质增加，溶液浓度增大，蒸汽压相应降低；随着水分蒸发散失，SC组更多的盐分析出并富集在土体表面也会阻碍水分的蒸发。8次冻融循环后，试样含水率处于较低水平，土体内部没有持续的水分供应到土-气界面，土体表面的蒸汽压逐渐降低至与大气蒸汽压相近，水分子缺乏克服分子间引力而逃逸至大气中的驱动力^[16]，水分蒸发作用微弱，试样含水率趋于稳定。

2.2   盐分变化

图 4为试样电导率变化曲线。X组试样高度2 cm以下电导率几乎不变，可作为电导率初始值。第1个冻融周期结束时（X1、Y1），融雪与降雨入渗的淋滤作用分别使盐分在高度5 cm及3.5 cm处富集；12次冻融循环后（X12、Y12），水分携带部分盐分回迁至试样顶面，试样顶层电导率有所回升，但仍小于初始值。

图  4  试样电导率变化曲线

Figure  4.  Curves of conductivity of samples

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水分对盐分的淋滤作用主要发生在第1个冻融周期。降雨入渗量大、速度快，迅速将高度5 cm以上的盐分淋滤至高度3.5 cm处并富集。在第1次冻融循环后，降雨的水分入渗及对盐分的淋滤逐渐减弱，水盐迁移模式转变为毛细上升，试样3.5 cm处的电导率较Y1有所降低，但仍然高于其它层位。在冻融循环试验过程中，试样高度3.5 cm处的电导率大于其它高度，该部位可视为试样盐分富集区。

融雪入渗量较小，对盐分的淋滤作用有限，X组盐分淋滤深度小于Y组。经历1次冻融循环后，X组试样高度5 cm处的电导率较高于其他层位，但是其数值小于Y组的最大值。融雪的缓慢入渗有利于盐分在试样内部的弥散，X12试样中不同层位的电导率差值很小，表明盐分分布较为均匀。SC组与S组的盐分变化受降水形式的影响基本一致，降雨导致的盐分富集更为严重。

2.3   弹性波速

弹性波在土体中的传播速度可反映土体结构、物理力学性质及含水状态^[17]，图 5为试样经历不同冻融循环次数之后的波速变化，波速整体呈先迅速减小再缓慢回升的变化趋势。在第1个冻融周期，波速的迅速减小是由于水分入渗补给导致土颗粒之间的水膜变厚；随着冻融循环过程中水分逐渐蒸发散失，波速逐渐回升，试样的波速变化受含盐量、含盐类型和入渗补给形式的影响而表现出差异性。

图  5  不同冻融循环周期后试样弹性波速变化

Figure  5.  Variation in elastic wave velocity of samples after different freeze-thaw cycles

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对比图 5（a），（b）与对比图 5（c），（d）可知，经历12次冻融循环后，X组弹性波速基本回升至冻融前水平，而Y组弹性波速仍小于冻融初始值。降雨入渗条件下水分入渗量大，湿润峰迅速推进，顶层盐分随水分入渗并在湿润峰处富集；在冻融条件下，水盐相变产生的体积膨胀和结晶压力作用于孔壁，引起试样的微结构损伤，土体孔隙增多甚至出现裂隙，因此水分蒸发后的试样弹性波速难以恢复到降雨冻融前的水平。融雪条件下的水分入渗补给量较小、入渗浅，湿润峰处水盐含量较少，盐冻胀作用较弱，对孔隙结构的影响较小，故X组试样的最终波速大于Y组。对比图 5（a），（c）与对比图 5（b），（d）可知，S组试样的弹性波速回升速率大于SC组，是由于SC组试样水分蒸发速率较慢，波速的回升速率也相应较慢。

2.4   无侧限抗压强度

试样的无侧限抗压强度变化如图 6所示。试样抗压强度的变化表现出与弹性波速类似的趋势：均是先迅速下降再逐渐回升，试样强度因含盐不同表现出差异，总趋势为随着Na₂SO₄含量的增加先增大再减小。

图  6  不同冻融循环周期后试样无侧限抗压强度变化

Figure  6.  Variation in unconfined compressive strength of samples after different freeze-thaw cycles

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在第1个冻融周期，融雪或降雨入渗补给的水分使试样结合水膜变厚，增大了土颗粒间的距离，颗粒间摩擦力减小。在冻结过程中，冰晶的生长会增大土颗粒孔隙，导致冰晶融化后土颗粒间接触点减少。因此，颗粒间的联结作用减弱，土体强度大幅降低。随着冻融循环的进行，试样水分逐渐蒸发散失，土体黏聚力得以恢复；同时，少量易溶盐结晶析出，在不破坏孔隙结构的基础上填充于土体孔隙中，起到土体骨架的作用，在一定程度上也促进了强度恢复。此外，在水分蒸发过程中，因土体的陈化效应^[18]，土体表面的水分毛细凝结为稳定的液体桥，土颗粒因收缩膜张力增大而逐渐挤压紧密。试样抗压强度在水分散失、盐分充填及陈化效应等作用下得到一定程度的恢复。

试样经历12次冻融循环后的抗压强度恢复比Q定义为

式中，${q_{{\text{u12}}}}$为试样经历12次冻融循环后的抗压强度（MPa），${q_{{\text{u0}}}}$为试样未经历冻融循环时的抗压强度（MPa），不同试样的Q如图 7所示。

图  7  不同模拟条件下试样抗压强度恢复比

Figure  7.  Recovery ratios of unconfined compressive strength of samples under different simulation conditions

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由图 7可知，经历12次冻融循环后试样抗压强度均得到相当高比例的回升，但由于冻融过程中降水及盐分对试样造成了不同程度的结构损伤，因此试样抗压强度恢复比Q并未达到100%。降雨入渗条件下水盐在湿润锋处富集，造成试样的结构损伤程度大于融雪入渗，并且融雪的缓慢入渗有利于盐分在试样内部弥散并填充土体骨架，因此X组试样经历12次冻融循环后的强度恢复比Q大于Y组试样；试样中少量的盐分结晶析出使土颗粒发生絮凝形成较大的团聚体，团聚体充当土体骨架提升了土体结构的紧密性从而提高土体强度^[19]，而过量的盐分结晶析出产生的土颗粒分散作用及盐胀则会使土体结构遭到破坏，因此随Na₂SO₄含量的增加试样强度恢复比先增大后减小。Na₂SO₄对土体产生破坏的主要原因是在Na₂SO₄转化为Na₂SO₄·10H₂O的过程中会产生较大的体积膨胀和结晶压力，而当NaCl的含量增加到一定程度时，Na₂SO₄趋于转变为体积和结晶压力均较小的Na₂SO₄(V)^[15]，因此NaCl可降低Na₂SO₄的盐胀破坏，SC组抗压强度恢复比大于S组，但随着SC组试样Na₂SO₄含量的增加，NaCl的抑制作用受限，试样强度恢复比减小。

3.   劣化特征

3.1   表观劣化

试样在融雪入渗的初始条件下经历12次冻融循环后，顶部产生翻卷的泥皮并发育酥碱病害，试样侧面未形成明显的破坏（图 8（a），（c）），试样顶部边角处疏松的土体主要是自然风干过程中盐分析出造成的。在降温过程中融化的雪水在完全入渗至试样内部之前便逐渐冻结并滞留在试样顶部形成冰透镜体，而冰透镜体的形成会阻碍后续雪水的入渗^[20]；同时尚未融化的雪层与试样顶部的土体冻黏在一起，在接下来的融化过程中顶部滞留的水分融化并浸泡土体，冻黏结合的雪层与土层也逐渐分离，由此在滞留水分与雪层的冻胀、冻黏及浸泡作用下，试样顶面形成翻卷的泥皮。酥碱作为西北地区土遗址典型的盐风化形式之一，其形成与试样表层盐分的反复结晶膨胀—溶解收缩有关，融雪水虽把顶部盐分淋滤至试样内部，但其顶部仍有盐分富集，含盐试样在冻融过程中的反复膨胀收缩条件下，土体结构变得松散，逐渐发育为酥碱。

图  8  经历12次冻融循环后试样顶、侧面劣化特征

Figure  8.  Deterioration characteristics of top and side of samples after 12 freeze-thaw cycles

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试样在降雨入渗下经历12次冻融循环后，试样顶面尚未出现明显的破坏，但侧面中部发育有明显的横向裂缝（图 8（b），（d）），是由于湿润锋处汇集的大量水分冻结产生的冰压力及盐分结晶产生的结晶压力超过土体的抗拉强度而引起的土体结构破坏^[21]。

3.2   微结构变化

总含盐量为1 %的试样中上层土体扫描2000倍的微观照片如图 9所示。在冻融前，Na₂SO₄含量为1 %的S5试样土颗粒主要以面–面接触的方式相连接，土骨架接触紧密，Na₂SO₄结晶与黏土颗粒相互联结形成凝块状胶结体填充在孔隙中，可在一定程度增强颗粒之间的联结强度（图 9（a））。经历12次冻融后，X组试样中孔隙和大孔隙^[22]增多，颗粒结构疏松（图 9（b））；Y组试样微结构劣化更为显著，发育有微裂隙，颗粒联结强度减弱（图 9（c））。

图  9  冻融循环前后试样微观结构

Figure  9.  Microstructures of samples before and after freeze-thaw cycles

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NaCl含量为1%的SC1试样经历12次冻融循环后，土颗粒表面的碎屑和盐结晶较多，NaCl晶体与黏土颗粒相互分离，由于NaCl结晶过程不会产生大的体积膨胀，因此体系中未观察到大孔隙和裂隙（图 9（e），（f））。

含0.4%Na₂SO₄–0.6 %NaCl的SC3试样中未见Na₂SO₄结晶与黏土颗粒相联结的凝块状胶结体，表明NaCl的存在会影响Na₂SO₄的结晶路径和类型（图 9（g））。经历12次冻融循环后，融雪条件下SC3试样的微观形貌与SC1相似，表面存在较多的晶体和颗粒碎屑，但SC3组中的晶体相对粗大，可能与Na₂SO₄的集中性结晶生长有关（图 9（h））；在降雨条件下，SC3组试样中出现微裂隙，表明降雨条件造成的试样冻融劣化更严重（图 9（i））。

图 10为部分试样经历冻融前后的孔径分布曲线。冻融作用使土体孔径及孔隙率增大，表层土体孔隙变化多集中在直径为8 μm的中孔隙和直径为3 μm的小孔隙中。尽管图 9显示冻融作用使土体中产生大孔隙，但由于盐分结晶析出填充土体孔隙，故试样的大孔径分布并未成峰。SC1至SC5试样的孔径分布曲线表明随着Na₂SO₄含量的增加，土体中孔隙增多。降雨组试样(Y12-SC5)的孔隙率与相同含盐量的融雪组试样(X12-SC5)接近，但前者的大孔径数量较多，意味着降雨条件对试样造成的强度损伤更大，与前述的强度恢复比结果一致。

图  10  冻融循环前后试样孔径分布曲线

Figure  10.  Pore-size distribution curves of samples before and after freeze-thaw cycles

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4.   讨论

降雨和融雪入渗后的冻融循环作用分别使试样表层以下2~4 cm处产生盐分富集，富集盐分的结晶溶解使土体处于反复的膨胀—收缩作用下，导致土颗粒之间的联结力减弱，土体结构不断疏松，在携沙风、地震等外力的作用下遗址表层的松散体将从墙面分离脱落，土遗址不断凹进，长期发展下去将引起遗址墙体的消减（图 11（a））。此外，在降雨入渗后的冻融循环作用下，当墙体底部表层水盐富集产生的冰盐结晶压力超过土体抗拉强度时，微裂隙逐渐在土体内部发育形成横向裂缝可引起墙体沿夯层界面的坠落，加之风蚀等作用，土遗址底部不断掏蚀凹进，或将对土遗址的稳定性造成威胁（图 11（b））。

图  11  永登明长城典型盐渍劣化

Figure  11.  Typical deterioration of the Ming Great Wall in Yongdeng

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在土遗址的实际赋存过程中并不是只受到一种降水形式，而是在季节变换中经历降雨和降雪等不同的降水形式，因此每处土遗址都可能会形成上述的盐渍劣化（图 11）。为减缓土遗址在露天保存过程中的消减，建议使用可减少水分入渗的疏水性材料^[23]进行表面处理，以减缓水盐运移及盐分溶解结晶导致的土体劣化；对于赋存环境降水量偏大且集中的夯土遗址，可尝试在遗址表面覆盖与遗址母体性质相近的牺牲层，以减缓雨雪对遗址母体的侵蚀破坏^[10]。

5.   结论

（1）融雪和降雨入渗补给的水分使含盐土遗址试样结合水膜变厚，土颗粒间黏聚力下降，试样弹性波速和无侧限抗压强度显著降低。随着冻融循环的进行，水分逐渐蒸发散失，部分易溶盐析出并填充土体骨架，土颗粒逐渐挤压紧密，试样结构强度逐渐恢复，其恢复程度受控于降水形式、盐分类别及含盐量等因素。

（2）降雨入渗下，试样湿润锋处水盐富集造成严重的结构损伤，不利于土体结构的恢复；融雪的缓慢入渗使得易溶盐充分弥散而有助于土体结构的恢复。

（3）当Na₂SO₄含量小于0.4%时，试样强度恢复比逐渐增加，但过量的Na₂SO₄结晶析出会破坏土体结构，影响土体强度恢复；NaCl可抑制Na₂SO₄结晶破坏，从而提高试样强度恢复比，但也因减缓了水分蒸发散失而减缓了试样的恢复。

（4）经历12次冻融循环后，融雪组试样顶面形成酥碱和翻卷的泥皮，降雨组试样侧面湿润锋处出现横向裂缝。随着Na₂SO₄含量增高，试样孔隙率增大。降雨组试样微结构劣化更显著，内部发育微裂隙且大孔隙占比增大。

（5）降水后的冻融-盐渍劣化作用可造成土遗址的消减。在土遗址的露天保存过程中，建议采用疏水性材料进行表面处理以减缓盐渍劣化，或在遗址表面覆盖牺牲层以减缓土遗址的雨雪侵蚀破坏。