DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.028

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)

摘要：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。

关键词：遗址土体；特定盐分；渗透性；压汞试验；孔隙结构

中图分类号：TU411.4；TU411.92             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)08-2747-05

Influence of salt in site soils on permeability and pore diameter

CHEN Wenwu^{1, 2}, L Haimin^{1, 2}, WU Guopeng³, ZHANG Jiaxuan^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China,

Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;

2. School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;

3. Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering, Gansu Province,

Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract: In order to explore the influence of salt content on permeability in site soils, based on the laboratory water saturated permeability test, with the addition of two soluble salts with the gradient of 0.2%(mass fraction) of NaCl and Na₂SO₄ in the desalination soil, the change of permeability coefficient in the soils with particular content and category saline was tested. At the same time, the internal pore structure of salt samples by mercury injection test was tested in order to conform the results of permeability test from the microscopic. The results show that the permeability coefficient of salt samples decreases with the increase of salt content and the both accord with good negative exponential correlation. The pore size distribution curve of salt samples gradually shifted to the left with the increase of salt content. The peaks of the pore size distribution curve present the form of index decreasing with the increase of salt content, corresponding to penetration test results. The internal pore structure of salt samples is directly related to its permeability, and the existence of salt has the effect of a certain degree of congestion and filling to the internal pore structure, affecting the permeability of soils.

Key words: soil of sites; particular salts; permeability; mercury injection test; pore structure

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：y为渗透系数；x为含盐量)。

由图1可知：1) 在渗透试验中，含盐试样的渗透系数均比素土试样的小；2) 含盐试样的渗透系数随着含盐量的增加呈现出减小的趋势；3) 硫酸钠试样的渗透系数比氯化钠试样的渗透系数小，说明硫酸钠对含盐试样渗透性的影响比氯化钠的影响显著，硫酸钠对土体孔隙的堵塞作用比氯化钠强。这一结论与邓友生等^{[13, 15]}所做盐渍土的渗透系数的结论一致。

图1  含盐试样的渗透系数

Fig. 1  Permeability coefficient of salt samples

对渗透系数与含盐量的关系进行回归分析可知：随着含盐量的增大，含盐试样的渗透系数均呈现出以指数形式减小，渗透系数与含盐量之间较好地符合负指数相关性，相关系数R²均大于0.98。

2.2  含盐试样的孔径分布

对氯化钠试样和硫酸钠试样进行压汞试验，试验结果如图2和图3所示。

由图2可知：含盐试样的孔径分布曲线的峰值均在素土试样的左侧，孔径分布曲线向左偏移；随着含盐量的增大，孔径分布曲线的峰值点呈现出逐渐向左偏移的趋势。曲线峰值点的孔径代表土体内部以该孔径为主要分布的孔径，1.0% NaCl试样的峰值点为8.987 μm，素土试样的峰值点为17.732 μm，也就是说，随着含盐量的增加，土体内部起主导作用的孔径逐渐减小。盐分的存在对土体内部的孔隙起到一定的堵塞和胶结的作用，使得土体的孔径减小，从而使土体更加密实。

图2  NaCl试样孔径分布图

Fig. 2  Pore size distribution of NaCl samples

图3  Na₂SO₄试样孔径分布图

Fig. 3  Pore size distribution of Na₂SO₄ samples

图3所示的硫酸钠试样的孔径分布与图2所示的氯化钠试样的孔径分布呈现出相似的趋势，随着含盐量的增加，孔径分布曲线均呈现出向左偏移的趋势。不同点是1%的Na₂SO₄试样的峰值点比1%的NaCl试样的峰值点小，为7.998 μm，这说明硫酸钠对土体孔径的影响比氯化钠显著，硫酸钠对土体孔隙的堵塞和胶结作用更强。由于试样为重塑样，土体内部结构较均一，氯化钠和硫酸钠试样的孔径分布曲线均呈单峰状^[16]，土体中起主导作用的孔径分布在曲线上密度最大的地方(即峰值点)。

2.3  峰值点与含盐量的关系

为了进一步分析含盐量对土体中起主要作用的孔径的影响，对孔径分布曲线的峰值点进行数据提取，分析其与含盐量之间的关系，结果如图4所示。

由图4可知：峰值点对应的孔径(即土体中的主要孔径)随含盐量的增加呈现出减小的趋势，含硫酸钠盐试样的峰值点孔径比氯化钠盐试样的峰值点孔径减小得快，这进一步论证了前面的结论，硫酸钠对土体孔径的影响比氯化钠的影响显著。

由回归分析可知：峰值点孔径随含盐量的增加，呈现出以指数形式减小，较好地符合负指数相关关系，相关系数R²均大于0.95。这一结论与前述渗透系数与含盐量的关系相对应，进一步从微观上论证了渗透系数与含盐量的关系。由此可知，土体中起主要作用的孔径与土体的渗透系数有着直接的相关性，二者随土体含盐量的增加均呈现出以指数形式减小，土体中孔隙结构的分布直接决定了土体的渗透性。

图4  峰值点孔径与含盐量的关系曲线图

Fig. 4  Curve of relationship between peak aperture and salt content

3  讨论

以上试验结果和分析均表明：土体中盐分的存在会一定程度上影响土体内部的孔隙结构，从而影响土体的渗透性。盐分在土体内部结晶充填，会对土体的孔隙产生一定程度的堵塞和胶结作用，使含盐土体的渗透性减小。

对于含盐土样的渗透试验，由于试样和溶液中盐分的掺入，使得溶液的黏滞性增大，溶液通过试样所需的时间增大，因而试样的渗透性减弱，渗透系数减小。所以，总体上来说含氯化钠和硫酸钠试样的渗透系数要比素土试样的渗透系数小。同时，相同浓度的硫酸钠溶液的渗透系数比氯化钠溶液的渗透系数小，说明硫酸钠对土体渗透性的影响对比氯化钠显著， 这是由于Na₂SO₄溶液的黏滞性要比NaCl的大，因而含Na₂SO₄试样的渗透系数要比含NaCl试样的渗透系 数小。

通过孔径分布曲线可以看出：氯化钠盐和硫酸钠盐试样的孔径分布曲线较素土试样均发生了向左偏移的情况，并且峰值点对应的孔径随含盐量的增加呈现出以指数形式减小，与渗透系数和含盐量的变化规律相一致，说明土体孔径的分布直接决定了土体的渗透系数。土体中的盐分在干燥状态下，会产生一定程度的结晶，在结晶过程中对土体内部空隙结构产生一定程度的堵塞作用，从而使土体内部孔隙结构变得密实。

压汞试验从微观上对渗透试验进行了更深层次的论证，进一步说明土体中的含盐量会对土体的孔径产生一定程度的影响，盐分的存在会对土体的孔隙起到一定的堵塞和胶结的作用，从而使土体中起主导作用的孔径变小，土体孔隙减小将直接影响土体的渗透性。

土是由固、液、气三相物质共同组成的多孔结构，土体内部的孔隙分布直接决定了土体的内部结构。由以上分析可知：土体的孔径随含盐量的增加而减小，由此可以说明土体内部结构随含盐量的增加变得逐渐密实，这进一步说明盐分的存在会使土体的孔隙减小，内部结构变得密实，盐在土中起到一定程度的充填和堵塞的作用。当土体处于干燥状态时，土体中的盐分以晶体颗粒的形式析出^[17]，盐分的重结晶作用减小了土体内部颗粒之间的空隙，从而使含盐土体的内部孔隙结构变得致密。

在野外瞬时降雨和降雪交替循环作用的环境条件下，盐分在土体内部发生多次结晶析出的循环作用。这种往复循环、周而复始的盐渍作用，会使得土体的内部结构变得疏松，从而为土遗址病害的产生创造了条件。在野外环境条件下，盐分在土体内部的作用方式与室内环境的作用方式大不相同，此时盐分的存在加上野外的环境条件，会对遗址土体产生严重危害。

4  结论

1) 随着含盐量的增加，含盐试样的渗透系数逐渐减小，硫酸钠试样的渗透系数比氯化钠试样的渗透系数小，硫酸钠对土体渗透性的影响比氯化钠的影响 显著。

2) 随着含盐量的增加，含盐试样的孔径分布曲线呈现出向左偏移的趋势，土体中起主导作用的孔径逐渐减小，含盐土体变得密实。

3) 含盐试样的渗透系数与孔径分布曲线的峰值点相对应，二者与土体的含盐量以指数形式减小，符合高度的负相关关系。

4) 土体的渗透性与土体的孔隙结构直接相关，盐分的存在会对土体内部的孔隙产生一定程度的充填和堵塞的作用，使土体的渗透性减弱。

5) 在室内环境条件下，土体中呈干燥状态的盐分会对土体产生一定的结晶固化作用，增强土颗粒之间的黏结，使得含盐试样的强度增大。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-11-02

基金项目(Foundation item)：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAK16B02，2013BAK08B11)(Projects(2014BAK16B02, 2013BAK08B11) supported by the National Science and Technology Pillar Program During the 12th “Five-year” Plan Period)

通信作者：谌文武，博士，教授，博士生导师，从事地质工程、岩土工程和文物保护方面研究；E-mail：sungp@lzu.edu.cn