盐分对遗址土体渗透性及孔径的影响

谌文武，吕海敏，吴国鹏，张嘉轩



盐分对遗址土体渗透性及孔径的影响

谌文武1, 2，吕海敏1, 2，吴国鹏3，张嘉轩1, 2

(1. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000；2. 兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州，730000；3. 兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州，730050)

为了探讨盐分对遗址土体渗透性的影响，通过室内变水头饱和渗透试验，对洗盐后的素土分别以0.2%(质量分数)的梯度加入NaCl和Na2SO4这2种可溶盐，测试特定盐分含量和类别的含盐土的渗透系数，同时，通过压汞试验测试含盐土体内部空隙结构的变化，从微观上对渗透试验结果进行论证。研究结果表明：随着含盐量的增加，含盐试样的渗透系数逐渐减小，两者符合较好的负指数相关性；随着含盐量增加，含盐试样的孔径分布曲线逐渐向左发生偏移；孔径分布曲线的峰值点随含盐量增加，呈现出以指数形式减小，这一点与渗透试验结果相对应；土体内部的孔隙结构与其渗透性直接相关，盐分的存在会对土体内部的孔隙起到一定程度的堵塞和充填作用，从而影响土体的渗透性。

遗址土体；特定盐分；渗透性；压汞试验；孔隙结构

赋存环境对土遗址的保存具有极其重要的影响，其中降雨量扮演着重要的角色[1]。在我国西北地区赋存有大量的土遗址，但是由于干旱、半干旱的特殊环境条件，加之集中降雨的影响，干湿循环和冻融循环使得西北地区的土遗址正遭受着严重破坏，产生了多种类型的病害，甚至濒临消失。土遗址中的病害主要以底部掏蚀凹进和表面剥离为主，在集中降雨和盐分共同作用的环境条件下，加速了土遗址病害的形成和演化。进行含盐夯土遗址渗透性的研究对土遗址保护工作中盐害[2]的研究具有一定的借鉴作用。含盐夯土遗址与水作用后发生的一系列变化和行为是极其复杂的，本文主要通过室内试验，探讨含氯盐和硫酸盐的2种遗址土体在含盐量发生变化的情况下对土体渗透性的影响，同时，通过测试含盐试样的孔径分布密度，从微观角度上对土体渗透性发生的变化进行阐释。目前，对土遗址病害的研究主要集中在病害的形成原因、形成过程和形成机制等方面。赵海英等[3−5]对土遗址病害的形成原因和机理进行了研究；崔凯等[6−8]研究了夯土遗址在干湿循环与盐渍复合效应的影响下土体强度的变化，提出了风蚀耗损与盐渍劣化效应；BROUCHKOV等[9−10]对盐渍土的承载力问题进行了探讨，AKSENOV等[11]对于有关含盐土的试验方法的研究进行了总结。前人对遗址土体的研究主要集中在物理性质和力学性质方面，以往的研究均表明土遗址中的盐分主要以氯化钠和硫酸钠为主。在此，本文作者从水理性质的角度出发，以氯化钠和硫酸钠盐为研究对象，对含盐遗址土体的渗透性进行探讨。

1 试验

1.1 试验材料

试验用土取自西北地区的夯土遗址。将夯土充分碾碎后过2 mm的筛，用去离子水以水土体积比大于10:1的量对过筛后的土样进行人工脱盐处理，使土样变为含盐量较少的素土，反复处理6次并测量滤液的电导率，当滤液的电导率＜300 μS/cm时[12]，认为土样完成了脱盐过程。

1.2 试样制备

由击实试验得到素土的最优含水率为17%，最大干密度为1.74 g/cm3，考虑到盐分对土样最优含水率和最大干密度的影响，本次试验中统一按含水率为14%，干密度为1.70~1.71 g/cm3的配比进行制样。

将质量分数为0(素土)，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%的盐溶液，喷洒于碾碎后过2 mm筛的素土中拌合均匀，保湿器内静置24 h后，采用双向挤压法压制成长×宽×高为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的含NaCl和Na2SO4盐的立方体试样，将试样切制成内径为61.8 mm、高为40 mm的环刀试样，用于渗透试验。同时，取出一部分立方体试样在室内静置，使其自然风干，用于压汞试验。室内环境温度为20 ℃左右，相对湿度认为基本保持不变。

1.3 试验方法与设备

1.3.1 渗透试验

渗透系数是单位水势梯度下，单位时间内通过单位面积的水量[13]，单位为m/d或cm/s。本次试验采用变水头试验，压力水头最高可达1.70 m，在试验过程中确保渗透试样可达稳定状态而不致出现渗透破坏。当水头随时间的变化趋于稳定时，渗透系数达到稳定状态。试验仪器采用南京宁曦土壤仪器有限公司生产的TST−55型渗透仪。

将渗透试验的环刀试样放入密闭容器内，用真空泵抽真空2 h，然后注入浓度与试样的含盐量相对应的盐溶液到容器内，淹没试样，饱和10 h，对含盐试样进行真空饱和，待试样充分饱和后取出试样，进行变水头渗透试验。为了防止纯水对试样的淋滤作用，试验过程中供水瓶中所盛的溶液为与试样含盐量相一致的盐溶液，确保试样所含的盐分在渗透过程中不会被带走。

1.3.2 压汞试验

压汞法是将汞在一定压力下压入多孔介质中，这是基于非亲水性液体只有在外加压力的作用下才会进入其内部空隙这一原理而进行的[14]。通过压汞试验可以从微观上反映土体内部空隙分布情况，从而为进一步分析土体的渗透性进行论证。本次试验过程中将内室自然风干的含盐试样，取其内部较均匀部位削制成小拇指的形状，用于压汞试验。试验仪器采用美国Quantachrome公司生产的PoreMaster−60型压汞仪。

2 试验结果与分析

2.1 含盐试样的渗透系数

对氯化钠试样和硫酸钠试样进行变水头饱和渗透试验，试验结果如图1所示(其中：为渗透系数；为含盐量)。