云冈石窟砂岩循环冻融试验研究

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岩
土
力
学
2014 年
种营力作用下，云冈石窟产生了岩体开裂、失稳、 崩塌、风化、渗水以及盐碱等多种病害 ，其中风 化是云冈石窟目前面临的最为严重的地质病害之 一。黄克忠 指出，中国北方石窟的岩体风化以冻 融、温差、干湿交替作用等引起的物理风化为主。 云冈石窟地处山西省北部，属于高寒地区，冬季最 低气温可达-30 ℃，季节、昼夜温差大，石窟岩体 承受的循环冻融引起的物理风化作用较为严重，因 此，利用室内试验研究循环冻融条件下云冈石窟砂 岩的物理力学特性，对于石窟岩体的稳定性评价和 保护以及其他岩土工程具有重要的意义。 近年来，国内外对于低温、冻融条件下岩石的 物理力学性质以及破坏机制等方面进行了大量的研 究。如 Matsuoka [3]通过试验研究了三大岩类（28 种 沉积岩、8 种火成岩和 1 种变质岩）半浸在水中的 冻融破坏过程，研究指出，毛细吸力和孔隙冰的冻 胀作用是引起岩石冻融破坏的内因。Nicholson 等[4] 对 10 种含有原生裂隙的沉积岩进行冻融循环试验， 研究了原生裂隙对岩石冻融破坏的影响，并提出了 4 种冻融破坏模式。Chen 等[5]通过对日本札幌的凝 灰岩在不同含水率下的冻融破坏试验，研究了含水 率与未冻水含量对岩石冻融损伤强度的影响规律。 张继周等[6]对粉砂质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩在 2 种水化环境下（蒸馏水饱和，饱和并经 1%硝酸溶 液浸泡侵蚀）分别进行循环冻融试验，研究发现岩 石冻融损伤劣化模式不仅与岩石自身特性、冻融温 度及循环次数有关，而且与所处环境有关，在酸性 条件下，岩石冻融强度损伤较纯水化条件下要剧烈 得多。 吴刚等[7]对焦作的大理岩进行了 60 次循环冻 融试验研究，归纳总结了循环冻融下大理岩的主要 － 物理力学特性。杨更社等[8 9]就不同温度对岩石细观 损伤结构的影响，利用 CT 扫描技术，研究了不同 冻结温度条件下岩石内部的细观损伤扩展机制、水 分迁移、冰的形成及其损伤结构的变化。王俐等[10] 借助于红砂岩冻融循环 CT 扫描试验，对 4 种典型 的不同初始饱水状态红砂岩进行冻融循环条件下损 伤扩展差异性研究， 发现对于初始损伤相同的岩石， 初始饱水状态将决定冻融循环对其损伤扩展的影响 程度。张惠梅等 通过对红砂岩和页岩两种岩石饱 水后的冻融力学试验，研究了岩性及冻融循环等对 岩石损伤力学特性的影响，并将岩石的冻融损伤劣 化模式分为剥落模式、断裂模式和裂纹模式。徐光 苗等 [12] 通过对江西红砂岩和湖北页岩进行不同冻 结温度（-20～20 ℃）和不同含水状态（饱和与干 燥）下的岩石单轴压缩试验和三轴压缩试验，研究
(1.Faculty of Engineering , China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074, China; 2. CCCC-FHDI Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510230, China; 3. Southwest Survey and Design Group Co., Ltd., China Railway Siyuan Group, Kunming 650200, China)
[11] [2] [1]
了单轴抗压强度与温度的关系。 本文对云冈石窟砂岩的饱水与干燥岩样进行了 35 次循环 （每次循环 24 h， 即冻结 12 h， 融解 12 h） 冻融试验研究。在冻融前后（间隔 5 次循环）量测 了岩样的几何尺寸、质量以及纵波波速，最后将岩 样进行单轴压缩试验和扫描电镜观测，结合循环冻 融前后测得的岩样超声波纵波波速，获得了循环冻 融下砂岩的各种物理力学参数，分析归纳出循环冻 融条件下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。
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引
言
处的武周山南麓，始建于北魏时代，是我国最大的 石窟之一，与敦煌莫高窟、洛阳龙门石窟并称为中 国三大石窟艺术宝库。 1 500 余年以来， 在自然界各
云冈石窟位于中国北部山西省大同市以西 16 km
收稿日期：2013-05-21 基金项目：国家自然科学基金面上项目 (No. 40972183，No. 40972186)。 第一作者简介：方云，男，1955 年生，教授，硕士，主要从事岩土文物保护研究和教学工作。 E-mail: fangyun1955@ 通讯作者：乔梁，男， 1987 年生，硕士研究生，主要从事岩土体工程性质与稳定性评价方面的研究工作。 E-mail: 542850880@
图 1 砂岩扫描电镜试验照片 Fig.1 Photographs of scanning electron microscope of sandstone
试验岩样来自现场所取完整砂岩岩块，该砂岩 的基本物理性质指标如表 1 所示。将岩样加工成高 为 100 mm、直径为 50 mm 的圆柱体标准试样，取 样方向均为垂直于岩石沉积方向。对加工后的岩样 进行了筛选，先剔除存在缺陷以及视觉上差别较大 的岩样，再采用非金属声波检测仪对各岩样进行波 速测试， 从中筛选出 37 个波速相近的岩样进行冻融 试验。 本次试验将岩样分为 3 组：饱水组、干燥组和 对比组，饱水组和干燥组岩样分别在饱水状态和干
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2.1
试验概况
岩样 试验采用的岩样取自云冈石窟侏罗系中统云冈
组的中厚层粗粒石英长石砂岩，该层砂岩具有结构 疏松、吸水性强的特性，水平层理、斜层理发育， 受冻融作用影响较明显。通过 X 射线衍射试验 （XRD）测得， 该砂岩主要含 47.80%石英、32.78% 高岭石、18.76%伊利石和 0.66%石膏。由扫描电镜 （SEM）照片可知（见图 1），该砂岩颗粒粗大， 结构较疏松，微孔隙和微裂隙发育。
第 35 卷第 9 期 2014 年 9 月
文章编号： 1000－7598 (2014) 09－2433－10
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 No.9 Sep. 2014
云冈石窟砂岩循环冻融试验研究
方 云 1，乔 梁 1, 2，陈 星 3，严绍军 1，翟国林 1，梁亚武 1
（1.中国地质大学（武汉） 工程学院，武汉 430074；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230； 3.中铁四院集团西南勘察设计有限公司，昆明 650200）
摘 要：风化是云冈石窟目前所面临的严重的地质病害之一，温度和水分的变化是造成石窟岩体风化的重要原因，尤其是在 循环冻融条件下岩体更易风化，因此，利用室内试验研究循环冻融条件下云冈石窟砂岩的物理力学性质，对于石窟岩体的稳 定性评价和保护具有重要的意义。将取自云冈石窟的砂岩岩样分为饱水组、干燥组和对比组 3 组，通过对饱水组和干燥组岩 样进行 35 次循环冻融试验，模拟云冈石窟砂岩的风化过程。在冻融循环开始前以及每 5 次冻融循环结束后，量测岩样的质 量、体积，并利用超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波测试；利用 INSTRON－1346 岩石伺服试验机对上述 3 组砂岩岩样 进行单轴压缩试验，并对试验后的岩样进行 SEM 微观结构分析。通过试验研究，得到不同含水状态下云冈石窟砂岩岩样的 冻融破坏特征以及不同循环冻融次数后岩样体积、质量、超声波纵波波速、砂岩的单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、 抗冻系数以及微观结构的变化，分析归纳出循环冻融条件下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。 关 键 词：云冈石窟；砂岩；循环冻融；物理力学性质 中图分类号：TU 452 文献标识码：A
Experimental studyon sandstone in Yungang grottos
FANG Yun1, QIAO Liang1, 2, CHEN Xing3, YAN Shao-jun1, ZHAI Guo-lin1, LIANG Ya-wu1
Abstract: Weathering is one of serious geological diseases that the Yungang grottos have been faced with. The changes of the temperature and water in the rock masses are the main causes of weathering，especially under the condition of freezing-thawing cycles. Therefore, to research the physico-mechanical characteristics under the condition of freezing-thawing cycles by laboratory test have important significance to the stability evaluation of the rock masses in Yungang grottos. The sandstone specimens taken from Yungang Grottos are separated into three groups： saturated, dry and control groups. Laboratory tests are conducted on saturated group and dry group which have experienced 35 cycles of freezing-thawing to simulate the weathering process of sandstone. Before freeze-thaw test and after every 5 cycles of freezing-thawing，the mass and volume of specimens are measured, the ultrasonic P-wave velocities of specimens are tested using ultrasonic testing instrument; and the uniaxial compression tests of sandstone specimens are performed by INSTRON－1346 rock mechanics test system. After freeze-thaw test, the microstructures of the sandstone specimens are seen by scanning electron microscope. Through above-mentioned tests,the failure forms of the specimens under different water contents and the changes of the mass and volume,ultrasonic velocities,the complete stress-strain curves,uniaxial compressive strengths,frost resisting coefficients and microstructures of the sandstone specimens after different freeze-thaw cycles are obtained. Consequently, the main physico-mechanical characteristics of sandstone under the condition of freezing-thawing cycles are summed up. Key words: Yungang grottos; sandstone; freeze-thaw cycles; physico-mechanical characteristics