一種快速評(píng)價(jià)石質(zhì)文物風(fēng)化程度的方法★

者 瑞 侯志鑫 張中儉 曲永新

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

1 概述

在風(fēng)化作用下，巖石會(huì)形成風(fēng)化裂隙，同時(shí)礦物成分發(fā)生改變[1]。風(fēng)化會(huì)導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度參數(shù)降低，影響巖石工程的穩(wěn)定性。在工程中，巖石風(fēng)化程度的評(píng)價(jià)一般是定性的。根據(jù)巖石的顏色、巖石的完整性、礦物成分、化學(xué)成分、水理性質(zhì)及物理力學(xué)性質(zhì)等定性將巖石風(fēng)化程度劃分為未風(fēng)化、微風(fēng)化、弱風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化五個(gè)風(fēng)化等級(jí)[2-4]。另外，一些學(xué)者利用回彈值、抗拉強(qiáng)度、化學(xué)指數(shù)等來定量評(píng)價(jià)工程巖體的風(fēng)化程度。周學(xué)琴等[6]采用巖體回彈儀測(cè)得的巖石回彈值及其變化率定量評(píng)價(jià)西藏瀾滄江上游深切河谷段水電站工程巖體的風(fēng)化程度。傅晏等[7]發(fā)現(xiàn)由于干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖不同力學(xué)參數(shù)的劣化程度不一，采用巴西劈裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)定性來評(píng)價(jià)砂巖的風(fēng)化程度。Aydin等[1]發(fā)現(xiàn)巖石的受拉行為是評(píng)價(jià)巖石微觀結(jié)構(gòu)和風(fēng)化狀態(tài)的有效指標(biāo)，采用巴西抗拉強(qiáng)度來評(píng)價(jià)火成巖風(fēng)化程度。王衛(wèi)東等[8]測(cè)試計(jì)算了峨眉山玄武巖樣本的化學(xué)指數(shù)BWI值，提出風(fēng)化程度的計(jì)算公式S=1.669 9ln(BWI)+3.387 7，從而定量劃分玄武巖的風(fēng)化程度等級(jí)。

在石質(zhì)文物風(fēng)化程度評(píng)價(jià)中，由于石質(zhì)文物的文物屬性，故其風(fēng)化程度的評(píng)價(jià)需要利用無損、微損的方法。孫進(jìn)忠[9]提出了根據(jù)瑞雷波波速變化判斷風(fēng)化程度的無損測(cè)量方法，并應(yīng)用于故宮玉石欄板風(fēng)化程度的評(píng)價(jià)中。侯志鑫等[10]使用里氏硬度計(jì)測(cè)量了云岡石窟新鮮和風(fēng)化巖樣的里氏硬度值，將風(fēng)化巖石硬度值與新鮮巖石硬度值的比值定義為該種巖石的風(fēng)化程度，以此來評(píng)價(jià)石窟巖面的風(fēng)化程度。

本文給出一種基于自由吸水率快速評(píng)價(jià)石質(zhì)文物巖樣風(fēng)化程度的方法。首先定義了劣化指數(shù)，劣化指數(shù)為石質(zhì)文物風(fēng)化巖樣的自由吸水率和相同巖性新鮮巖樣的自由吸水率的比值，然后現(xiàn)場(chǎng)取樣、測(cè)試、計(jì)算得到不同巖樣的劣化指數(shù)，依此來定量評(píng)價(jià)風(fēng)化巖樣的風(fēng)化程度。最后將上述方法應(yīng)用于山西大同云岡石窟與承德避暑山莊砂巖與凝灰?guī)r的風(fēng)化程度評(píng)價(jià)。

2 方法

將某塊狀風(fēng)化巖樣的自由吸水率與該類新鮮巖樣自由吸水率的平均值的比值定義為該風(fēng)化巖樣的劣化指數(shù)K，即：

(1)

其中，Wf,Wz分別為不同風(fēng)化巖樣自由吸水率和新鮮巖樣自由吸水率的平均值。劣化指數(shù)K值越大，表明巖樣的風(fēng)化程度越高。

對(duì)比巖樣劣化指數(shù)K值的大小，可以快速定量評(píng)價(jià)其風(fēng)化程度。根據(jù)風(fēng)化巖樣的劣化指數(shù)K的范圍[a，b]，對(duì)風(fēng)化巖樣的風(fēng)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。巖樣劣化指數(shù)K的范圍將巖樣風(fēng)化程度劃分為中等、嚴(yán)重、極其嚴(yán)重三個(gè)風(fēng)化等級(jí)，其中當(dāng)K>1.5時(shí)，巖樣風(fēng)化程度為中等；當(dāng)1.5≤K<2.5時(shí)，巖樣風(fēng)化程度為嚴(yán)重；當(dāng)K≥2.5時(shí)，巖樣風(fēng)化程度為極其嚴(yán)重。

3 實(shí)例

3.1 云岡石窟砂巖

云岡石窟位于山西大同市北部，大地構(gòu)造處在華北地臺(tái)北部邊緣云岡塊坳中。云岡石窟窟體主要由侏羅紀(jì)期間河相沉積形成的砂巖透鏡體構(gòu)成[13]。在目前環(huán)境條件下，風(fēng)化已經(jīng)成為云岡石窟砂巖目前所面臨的嚴(yán)重地質(zhì)病害之一[14]。其壁面及頂部滲水、凝結(jié)水、毛細(xì)水，空氣污染物作用，鹽類的運(yùn)移膨脹等作用導(dǎo)致了石窟石雕的風(fēng)化，既影響石窟的美觀，又嚴(yán)重威脅石窟的安全[15]。

對(duì)山西大同云岡石窟風(fēng)化剝落巖樣和新鮮巖樣進(jìn)行自由吸水率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)共測(cè)試了15塊風(fēng)化剝落巖樣，取自3,4號(hào)洞窟，編號(hào)為YF-1-YF-15。新鮮砂巖取自同一層位的新鮮巖芯(傾斜鉆孔深度約20 m)，從不同深度的巖芯上取了9塊巖樣，編號(hào)為YZ-1-YZ-9(見圖1)。

依據(jù)前文提到的試驗(yàn)方法，測(cè)得新鮮巖樣的自由吸水率平均值Wz為(2.09±0.20)%。同時(shí)對(duì)15塊風(fēng)化剝落巖樣進(jìn)行自由吸水率測(cè)試，并通過式(1)求得上述風(fēng)化剝落巖樣的劣化指數(shù)(見表1)。

表1 云岡石窟砂巖劣化指數(shù)值

從表1可以看出，砂巖劣化指數(shù)的范圍為[1.36,2.43]。根據(jù)上述的范圍，把砂巖的風(fēng)化程度分為Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)：

1)Ⅰ級(jí)為中等，K<1.5，其中YF-8,YF-10為該級(jí)風(fēng)化；

2)Ⅱ級(jí)為嚴(yán)重，1.5≤K<2.5，其中YF-1,YF-2,YF-3,YF-4,YF-5,YF-6,YF-7,YF-9,YF-11,YF-12,YF-13,YF-14，YF-15為該級(jí)風(fēng)化。

3.2 承德避暑山莊砂巖和凝灰?guī)r

承德避暑山莊中大殿基座、須彌座等都是由砂巖、凝灰?guī)r制作而成。在不同自然營(yíng)力的長(zhǎng)期作用下，同時(shí)由于環(huán)境嚴(yán)重污染，避暑山莊內(nèi)的砂巖、凝灰?guī)r的露天石質(zhì)文物發(fā)生了較為嚴(yán)重的風(fēng)化病害，甚至出現(xiàn)了不可修復(fù)的情況[16]。

依據(jù)上文提到的試驗(yàn)方法，對(duì)承德避暑山莊砂巖(如圖2a)所示)進(jìn)行自由吸水率測(cè)試，并通過式(1)計(jì)算風(fēng)化剝落巖樣的劣化指數(shù)(見表2)。實(shí)驗(yàn)共測(cè)試8塊風(fēng)化砂巖樣和6塊新鮮巖樣，前者取自避暑山莊砂質(zhì)文物上的剝落物。后者取自溥仁寺大塊的砂巖柱礎(chǔ)。

對(duì)承德避暑山莊凝灰?guī)r(如圖2b)所示)風(fēng)化剝落巖樣和新鮮巖樣進(jìn)行自由吸水率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)共處理了9塊風(fēng)化凝灰?guī)r樣，取自避暑山莊凝灰?guī)r質(zhì)文物上的剝落物，編號(hào)NF-1-NF-9。6塊新鮮樣取自承德鸚鵡溝采石場(chǎng)，自由吸水率Wz的測(cè)試結(jié)果為(6.32±0.17)%。同時(shí)對(duì)9塊風(fēng)化凝灰?guī)r樣進(jìn)行自由吸水率測(cè)試，并通過式(1)求得上述風(fēng)化剝落巖樣的劣化指數(shù)(見表2)。

表2 承德避暑山莊風(fēng)化巖樣的劣化指數(shù)值

承德避暑山莊砂巖劣化指數(shù)的范圍為[2.23,3.18]，根據(jù)上述的范圍，把砂巖的風(fēng)化程度分為Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)：1)Ⅱ級(jí)為嚴(yán)重，1.5≤K<2.5，其中SF-1，SF-2，SF-8為該級(jí)風(fēng)化；2)Ⅲ級(jí)為極其嚴(yán)重，K≥2.5，其中SF-3，SF-4，SF-5，SF-6，SF-7為該級(jí)風(fēng)化。

凝灰?guī)r劣化指數(shù)的范圍為[1.17,1.69]，根據(jù)上述的范圍，把凝灰?guī)r的風(fēng)化程度分為Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)：1)Ⅰ級(jí)為中等，K>1.5，其中NF-1，NF-2，NF-5，NF-6，NF-7，NF-8，NF-9為該級(jí)風(fēng)化；2)Ⅱ級(jí)為嚴(yán)重，1.5≤K<2.5，其中NF-3，NF-4為該級(jí)風(fēng)化。

4 結(jié)論

本文提出一種評(píng)價(jià)石質(zhì)文物風(fēng)化程度的方法，通過不同風(fēng)化巖樣自由吸水率和新鮮巖樣自由吸水率的平均值定義巖樣劣化指數(shù)，從而快速、真實(shí)、準(zhǔn)確地量化評(píng)價(jià)巖樣的風(fēng)化程度，可運(yùn)用于石質(zhì)文物風(fēng)化程度的評(píng)價(jià)。劣化指數(shù)越大，表明巖樣風(fēng)化程度越大，巖樣風(fēng)化也越嚴(yán)重。經(jīng)取樣、測(cè)試和計(jì)算，得到山西大同云岡石窟、承德避暑山莊砂巖、承德避暑山莊凝灰?guī)r的劣化指數(shù)范圍分別為[1.36，2.43]，[2.23，3.18]，[1.17，1.69]。根據(jù)計(jì)算得到不同的風(fēng)化程度值，劃分不同的風(fēng)化等級(jí)。