關(guān)鍵詞：石窟砂巖；溫度影響；冷卻方式；滲透特性

石窟寺作為重要?dú)v史文物，蘊(yùn)含豐富的歷史文化價(jià)值，其保護(hù)利用工作越來越受到重視，國家文物局《“十四五”石窟寺保護(hù)利用專項(xiàng)規(guī)劃》提出深刻認(rèn)識(shí)石窟寺保護(hù)利用工作的新特點(diǎn)和新要求，持續(xù)加強(qiáng)石窟寺保護(hù)研究工作。石窟巖體作為室外文化遺存，會(huì)經(jīng)歷各種自然因素包括冷熱交替和滲水病害等的影響。溫度循環(huán)變化會(huì)引起石窟巖體強(qiáng)度發(fā)生改變，而水在巖石中滲流也會(huì)對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，進(jìn)一步改變巖石裂隙，長此以往會(huì)導(dǎo)致巖體滲透特性隨之發(fā)生變化，進(jìn)而對石窟寺保護(hù)利用工作產(chǎn)生巨大阻礙。

目前，針對溫度變化對巖體滲透特性的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作[1?5]。盛金昌等[6]開展了溫度變化條件下石灰?guī)r裂隙滲透特性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明升溫過程中流量和等效水力開度呈現(xiàn)增大的趨勢，恒溫過程等效水力開度逐漸變小并趨于穩(wěn)定。Casse 等[7]在不同溫度和壓力條件下進(jìn)行滲流試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度對膠結(jié)砂巖滲透率的影響與飽和流體的性質(zhì)有關(guān)，飽和水通過巖芯的滲透率隨溫度升高而降低，而氣體滲透率與溫度無關(guān)。賀玉龍等[8]在不同溫度和不同有效應(yīng)力下進(jìn)行了砂巖的孔隙度試驗(yàn)和滲透率試驗(yàn)，得出溫度升高會(huì)加劇礦物的擴(kuò)散以及熱膨脹作用，最終導(dǎo)致砂巖產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，在有效應(yīng)力不變的情況下，使砂巖巖樣的滲透率大幅度減小。劉均榮等[9]對砂巖、灰?guī)r、變質(zhì)巖和礫巖的滲透率受熱變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明巖石在常壓下經(jīng)過高溫處理后，其滲透性隨溫度的升高而逐漸增大。張淵等[10]在恒定三軸壓力和不同溫度（常溫～600 ℃）條件下對長石細(xì)砂巖滲透率變化開展試驗(yàn)研究，結(jié)果表明細(xì)砂巖存在滲透率突變閾值溫度，溫度達(dá)到突變閾值后，滲透率增速會(huì)大幅提升。

考慮到巖體性質(zhì)的差異和外部環(huán)境條件等的不同，以上研究成果并不完全適用于石窟寺的保護(hù)利用工作。近些年，對于石窟巖體的研究工作國內(nèi)外學(xué)者也已取得大量成果，陳釗等[11]開展了干濕循環(huán)作用下圓覺洞砂巖抗拉強(qiáng)度劣化機(jī)理研究及破壞模式分析，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，最終造成拉裂力學(xué)性質(zhì)的劣化。周其廷等[12]對云岡石窟砂巖、大足石刻砂巖、樂山大佛砂巖進(jìn)行了鹽溶液的濕度循環(huán)劣化試驗(yàn)，結(jié)果表明鹽結(jié)晶對樂山大佛砂巖的破壞作用最強(qiáng)，大足石刻砂巖次之，對云岡石窟砂巖的破壞作用最小。蘭恒星等[13]從多方面總結(jié)了各因素作用下石窟寺巖體的劣化機(jī)制與失穩(wěn)機(jī)理，得出石窟寺巖體的劣化失穩(wěn)表現(xiàn)出多樣性和地域差異性。

通過以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，針對石窟巖體的研究，應(yīng)考慮石窟寺所在地的環(huán)境特點(diǎn)，并結(jié)合石窟巖體的性質(zhì)。大足石刻位于中國西南地區(qū)重慶市大足區(qū)境內(nèi)，歷經(jīng)唐末、五代、盛極于兩宋，至今已有千年歷史，在其石窟內(nèi)也逐漸產(chǎn)生了較多裂隙（見圖1）。因所在地區(qū)夏季雨水充足，大足石刻面臨較嚴(yán)重的滲水病害的威脅，上世紀(jì)90 年代至今，國內(nèi)學(xué)者也對大足石刻巖體的滲水病害、巖石微觀和表層風(fēng)化等問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析[14?19]，但針對大足石刻巖體滲透特性受溫度變化影響的研究較少。

因此，筆者針對大足石刻石窟巖體開展研究，以大足石刻砂巖作為研究對象，基于巖體所處環(huán)境，考慮圍壓，對石窟砂巖開展?jié)B透試驗(yàn)，分析經(jīng)過不同冷卻方式、不同冷熱持續(xù)時(shí)間和不同循環(huán)次數(shù)等作用后，大足石刻砂巖滲透特性的變化規(guī)律，以及滲透影響下石窟砂巖的抗壓強(qiáng)度特性，為進(jìn)一步開展重慶大足石刻石窟穩(wěn)定性分析提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 巖樣制備

巖樣取自重慶市大足區(qū)，對大塊的砂巖進(jìn)行鉆芯、切割、打磨，按照規(guī)范要求，巖樣加工成高度為100 mm，直徑為50 mm 的圓柱體試樣（見圖2），加工完成后，巖樣表面完整無明顯裂痕。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)大足區(qū)氣象資料，近些年，大足區(qū)最低溫度為1 ℃，最高氣溫為41 ℃，而對于巖體，在連日暴曬等因素的影響下，其表面溫度會(huì)更高。在綜合考慮上述影響因素后，設(shè)計(jì)不同工況的冷熱循環(huán)試驗(yàn)，模擬大足石刻巖體的環(huán)境變化過程，對冷熱循環(huán)處理后的巖樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測定不同工況下石窟砂巖的滲透率，分析冷熱循環(huán)對石窟砂巖滲透特性的影響，滲透試驗(yàn)完成后，進(jìn)一步開展砂巖的強(qiáng)度試驗(yàn)。具體試驗(yàn)分為以下4 個(gè)步驟。

1.2.1 縱波波速測試

縱波波速是巖石密實(shí)性與完整性的一種表征指標(biāo)，可以衡量巖樣的損傷度、均質(zhì)性與差異性。采用ZBL?U5100 非金屬超聲檢測儀對巖樣進(jìn)行縱波波速測試，并對巖樣進(jìn)行編號(hào)，結(jié)果如表1 所示，可以發(fā)現(xiàn)，巖樣波速分布在1.81～1.94 km/s 之間，波速差異較小，說明取樣規(guī)則，均一性較好。將波速相近的巖樣分為一組進(jìn)行同一工況試驗(yàn)，避免因巖樣個(gè)體差異所引起的試驗(yàn)結(jié)果的離散性。

1.2.2 冷熱循環(huán)試驗(yàn)

溫度變化過程采用GH?100C 可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱和DC?0520 立式低溫恒溫槽完成。根據(jù)大足石刻環(huán)境條件共設(shè)計(jì)4 種試驗(yàn)工況，工況一模擬石窟砂巖所處環(huán)境的晝夜溫度變化，工況二對石窟砂巖進(jìn)行多次溫度變化，工況三模擬全年溫度變化，工況四巖樣作為參照組。每種工況設(shè)計(jì)不同的溫度變化過程，其中，為模擬砂巖溫度變化，主要考慮0 ℃、25 ℃（常溫）和60 ℃這3 種溫度，并基于所模擬的溫度環(huán)境，設(shè)計(jì)了不同的高溫和低溫持續(xù)時(shí)間，為模擬降雨環(huán)境設(shè)計(jì)水冷卻方式，為研究長期影響，設(shè)計(jì)不同次數(shù)的冷熱循環(huán)。根據(jù)不同的工況條件，共設(shè)置7 組試驗(yàn)，每組包括3 塊巖樣。具體試驗(yàn)操作如表2 所示。

1.2.3 滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器采用巖石全應(yīng)力多場耦合三軸試驗(yàn)儀，如圖3（a）所示。利用穩(wěn)態(tài)法測定巖樣滲透率，計(jì)算表達(dá)式[20]為

式中：Kn 為砂巖在Δtn 時(shí)間內(nèi)的平均滲透率，m2；μ 為流體黏滯系數(shù)，取1×10?3 Pa·s，水溫為20 ℃；ΔQn 為Δtn 時(shí)間內(nèi)滲過砂巖試樣的水流體積，m3；L 為水流滲流長度，即試驗(yàn)中砂巖試樣高度，m；A 為試樣橫截面面積，m2；ΔP 為巖樣滲流上、下游滲透壓差，Pa；Δtn 為記錄點(diǎn)間隔時(shí)間，s。

為了研究石窟內(nèi)部巖體在不同滲透壓下的滲透特性，設(shè)置軸壓與圍壓為0.70 MPa，滲透壓設(shè)計(jì)為0.20、0.35、0.50 MPa。試驗(yàn)過程中，將冷熱循環(huán)完成的巖樣安裝到三軸壓力室中，然后，以應(yīng)力控制的方式施加軸壓和圍壓至0.70 MPa，軸壓和圍壓穩(wěn)定后，施加滲透壓力，待滲透壓穩(wěn)定，開始觀察并記錄巖樣的滲透變化。

該過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，由于滲流速度較慢，需要的滲透時(shí)間也相對較長，選擇每間隔2 h 觀察一次巖樣滲透的變化，當(dāng)滲透穩(wěn)定不再發(fā)生變化則認(rèn)為巖樣滲透完成。保存數(shù)據(jù)，卸除壓力拆除試件，試驗(yàn)完畢。

1.2.4 單軸壓縮試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)完成后，挑選部分巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究水的滲透作用對砂巖力學(xué)特性的影響，試驗(yàn)儀器采用WDAJ?600 巖石剪切流變試驗(yàn)機(jī)，如圖3（b）所示，首先將巖樣放置在試驗(yàn)臺(tái)中央，保證巖樣受力均勻，然后采用位移控制的方式對巖樣進(jìn)行加載，加載速率為0.20 mm/min，直至巖樣壓壞，應(yīng)力?應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯下降趨勢，停止試驗(yàn)，保存數(shù)據(jù)，卸除壓力拆除試件，拍照記錄巖石破壞后的外觀形態(tài)，試驗(yàn)完畢。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 石窟砂巖滲透率變化特征

通過試驗(yàn)和式（1）計(jì)算得到不同工況下巖樣的滲透率，利用式（2）計(jì)算得到不同工況巖樣滲透變化率kn，分析巖樣經(jīng)過冷熱循環(huán)后滲透率的變化情況。

式中：Kn 為經(jīng)過冷熱循環(huán)后巖樣的滲透率，m2；K0 為常溫狀態(tài)下巖樣的滲透率，m2。

圖4 為工況一與工況四巖樣的滲透率變化對比圖，可以發(fā)現(xiàn)，與工況4-B 相比，冷熱循環(huán)后巖樣的滲透率呈增大趨勢，并且不同工況滲透率變化幅度存在差異。分析原因，是因?yàn)樵诶錈嵫h(huán)過程中，加熱時(shí)，巖樣溫度升高發(fā)生膨脹，冷卻時(shí)，巖樣溫度降低而收縮。由于巖樣內(nèi)部、外部散熱速度不同導(dǎo)致巖樣各部分溫度存在差異，巖樣因此受到溫度應(yīng)力的影響發(fā)生不均勻變形促使內(nèi)部產(chǎn)生損傷，在多次冷熱循環(huán)后，損傷不斷累積，裂紋、裂隙逐漸發(fā)育，最終巖樣內(nèi)部孔裂隙增多，內(nèi)部連通程度增大，導(dǎo)致巖樣滲透率增大。通過對比不同工況巖樣的滲透率，可以發(fā)現(xiàn)高溫后采用水冷卻的巖樣滲透率大于自然冷卻巖樣的滲透率，并且冷卻水溫度降低，使溫差增大，會(huì)導(dǎo)致巖樣滲透率變化增大，說明增大溫差和水冷卻會(huì)對巖樣內(nèi)部造成更大的損傷。分析原因，一方面水冷卻方式使巖樣表面溫度快速降低導(dǎo)致巖樣不均勻變形增加，并且冷卻水溫度降低，會(huì)使溫差增大，溫度應(yīng)力對巖樣造成的損傷加??；另一方面水的滲透、溶解等作用會(huì)導(dǎo)致礦物顆粒的流失促使裂隙發(fā)展，最終導(dǎo)致滲透變化率增加。在相同工況下比較滲透壓對巖樣滲透率的影響，可以發(fā)現(xiàn)，滲透壓為0.50 MPa 時(shí)巖樣的滲透率＞滲透壓為0.35 MP 時(shí)巖樣的滲透率＞滲透壓為0.20 MPa 時(shí)巖樣的滲透率，這是由于當(dāng)滲透壓增大，巖樣受到的滲透力增加，導(dǎo)致滲流增加，滲透率增大。

圖5 為1-Y 與2-J、2-K 巖樣的滲透率變化對比，分析可得，當(dāng)冷熱循環(huán)次數(shù)由5 次增加到10 次，巖樣滲透率增加，并且總體來看，當(dāng)高溫時(shí)間從2 h 延長到4 h，巖樣滲透率也在增加，尤其是在高滲透壓下。這是因?yàn)槔錈嵫h(huán)次數(shù)增加，巖樣因冷熱循環(huán)造成的損傷不斷累積，內(nèi)部孔裂隙逐漸發(fā)展，使內(nèi)部滲流路徑的連通程度增加，導(dǎo)致巖樣滲透率增加；而增加巖樣在高溫下的時(shí)間，會(huì)使巖樣高溫膨脹變形增加，孔裂隙發(fā)育因此更加充分，導(dǎo)致巖樣滲透增加，滲透率增大。對比分析不同滲透壓下巖樣的滲透率，同樣可以發(fā)現(xiàn)，在較高滲透壓下巖樣的滲透大于較低滲透壓的情況，這是因?yàn)樵龃鬂B透壓會(huì)增大巖樣受到的滲透力，使巖樣內(nèi)滲流加劇，滲透率增大。

圖6 為工況三與工況四巖樣滲透率變化對比，與工況4-B 巖樣相比，3-Q 巖樣滲透率增大較為明顯，并且通過與圖4 和圖5 對比，3-Q 巖樣滲透率均稍大于其他工況巖樣滲透率，分析原因，工況3-Q 模擬全年溫度變化包括夏季高溫環(huán)境和冬季低溫環(huán)境，試驗(yàn)過程溫度變化較大，巖樣在試驗(yàn)過程中受溫度變化影響，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生損傷，孔裂隙逐漸發(fā)育，并且產(chǎn)生的損傷無法自然修復(fù)，在多次冷熱循環(huán)后，巖樣內(nèi)部損傷不斷累積加劇，孔裂隙擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致巖樣內(nèi)部的連通程度較好，滲透率增加。對比不同滲透壓下巖樣的滲透率，同樣可以發(fā)現(xiàn)，在較高滲透壓下巖樣的滲透率更大。

圖7 為不同工況巖樣滲透變化率對比圖，與工況4-B 巖樣相比，1-X 巖樣在滲透壓為0.20、0.35、0.50 MPa時(shí)滲透變化率分別為3.14%、1.92%、4.46%，1-Y 巖樣滲透變化率分別為7.29%、5.69%、8.07%，1-Z 巖樣的滲透變化率分別為6.64%、7.53%、9.46%，而3-Q 滲透變化率最大分別為9.41%、12.32%、11.28%，可以發(fā)現(xiàn)，相比于自然冷卻，高溫巖樣經(jīng)過水冷卻后巖樣的滲透變化率更大，并且當(dāng)水的溫度降低時(shí)，巖樣的滲透變化率增大。這是因?yàn)槔錈嵫h(huán)作用會(huì)導(dǎo)致巖樣內(nèi)部產(chǎn)生損傷，孔裂隙逐漸發(fā)育，進(jìn)而使巖樣滲流增加，滲透率增大，而相比于自然冷卻，水冷卻會(huì)增大巖樣的損傷，滲透變化率增大。工況3-Q，滲透變化率最大，這是因?yàn)樵摴r設(shè)計(jì)溫度變化較大，包括模擬夏季高溫后冷卻和冬季低溫后恢復(fù)，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中巖樣受溫度變化產(chǎn)生的損傷不斷累積，使該工況下巖樣的損傷程度大于其他工況，滲透變化率隨之增大。

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 不同工況石窟砂巖強(qiáng)度和變形特征

圖8 為滲透壓為0.20 MPa 時(shí)工況一巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)壓力?應(yīng)變曲線，由于巖樣采集地點(diǎn)的差別，應(yīng)力峰值與朱鵬熹等[15]的有一定差別，但是研究得到的結(jié)論相似?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不同工況的冷熱循環(huán)和滲透試驗(yàn)后，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變出現(xiàn)差異，表現(xiàn)為高溫巖樣經(jīng)過水冷卻后，峰值強(qiáng)度和應(yīng)變小于巖樣自然冷卻的情況，分析原因可能是，冷熱循環(huán)作用導(dǎo)致巖樣內(nèi)部產(chǎn)生損傷，使巖樣力學(xué)性能變差，抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變減小。試驗(yàn)過程中，高溫巖樣樣受到冷卻水的作用，一方面使巖樣內(nèi)部和外部礦物產(chǎn)生溫差而受到溫度應(yīng)力的影響，產(chǎn)生不均勻的膨脹、收縮變形；另一方面水的滲透、溶解作用造成巖樣中礦物顆粒的流失，進(jìn)而導(dǎo)致孔裂隙的發(fā)育，并在多次冷熱循環(huán)過程中裂紋不斷擴(kuò)展和累積，巖樣內(nèi)部完整性降低，宏觀表現(xiàn)為承載力較低，加載過程更易發(fā)生破壞，應(yīng)變也隨之減小。當(dāng)高溫巖樣都采用水冷卻方式，對比1-Y 和1-Z 巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻水溫度較低，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度減小，這可能是因?yàn)槔鋮s水溫度降低，導(dǎo)致巖樣外部更快速冷卻，增大了巖樣內(nèi)部和外部的溫差，使巖樣不均勻變形增大而造成損傷，在多次冷熱循環(huán)過程中，損傷不斷積累，導(dǎo)致巖樣強(qiáng)度降低。

圖9 為工況1-X 巖樣在不同滲透壓下的單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力?應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)，較高滲透壓下完成滲透試驗(yàn)后的強(qiáng)度小于巖樣在較低滲透壓下的峰值強(qiáng)度，說明本試驗(yàn)中較高滲透壓會(huì)對巖樣造成更大的損傷，導(dǎo)致巖樣力學(xué)性能變差，峰值強(qiáng)度降低，分析原因可能是滲透壓增大，使巖樣受到的滲透力增加，水對巖樣的破壞作用增強(qiáng)，導(dǎo)致巖樣內(nèi)部損傷加劇，峰值強(qiáng)度減小。

2.2.2 不同工況石窟砂巖破壞特征

砂巖的單軸壓縮破壞是巖石內(nèi)部裂紋逐漸擴(kuò)展、貫通的結(jié)果，屬于剪切破壞和劈裂破壞[15]。表3 為不同工況巖樣單軸壓縮試驗(yàn)的破壞形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下巖樣破壞時(shí)形成的破壞面、裂縫數(shù)量和破損程度存在差異，與自然冷卻相比，采用水冷卻的巖樣破壞時(shí)，形成裂縫更多并且相互貫通，導(dǎo)致巖樣外觀更加破碎，巖塊碎屑掉落數(shù)量也隨之增加。在較大滲透壓時(shí)，破壞也更為明顯。經(jīng)過冷熱循環(huán)和滲透試驗(yàn)作用后，巖樣內(nèi)部損傷增加，裂紋裂隙發(fā)育，在壓縮試驗(yàn)過程中，這些裂紋裂隙會(huì)不斷發(fā)展，導(dǎo)致巖樣薄弱處增多，逐漸形成多個(gè)裂縫，破壞時(shí)表現(xiàn)為形成多個(gè)破壞面并相互貫通。

3 結(jié)論

以重慶市大足石刻石窟砂巖作為研究對象，分析了溫度影響下石窟砂巖的滲透特性，并進(jìn)一步研究了溫度和滲透影響下砂巖的強(qiáng)度特性，最終得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)過冷熱循環(huán)，石窟砂巖滲透率增大，相較于自然冷卻，水冷卻循環(huán)對砂巖的滲透特性影響更大。當(dāng)冷卻方式相同時(shí)，溫差增大（冷卻水溫度降低），冷熱循環(huán)次數(shù)由5 次增加到10 次，高溫持續(xù)時(shí)間增加，會(huì)導(dǎo)致巖樣滲透率變化增加。

2）冷卻方式會(huì)影響砂巖強(qiáng)度，與自然冷卻相比，水冷卻后砂巖強(qiáng)度降低，巖樣的破損程度更嚴(yán)重，并且當(dāng)冷卻水的溫度降低，砂巖強(qiáng)度進(jìn)一步減少。

3）在不同滲透壓下經(jīng)過滲透試驗(yàn)后，砂巖峰值強(qiáng)度出現(xiàn)差異，隨著滲透壓的增大，砂巖單軸抗壓強(qiáng)度略有降低，并且在高滲透壓下完成滲透試驗(yàn)的砂巖，單軸壓縮時(shí)，破壞也更為明顯。