溫度循環(huán)作用下石窟砂巖滲透特性試驗

關(guān)鍵詞：石窟砂巖；溫度影響；冷卻方式；滲透特性

石窟寺作為重要歷史文物，蘊含豐富的歷史文化價值，其保護利用工作越來越受到重視，國家文物局《“十四五”石窟寺保護利用專項規(guī)劃》提出深刻認識石窟寺保護利用工作的新特點和新要求，持續(xù)加強石窟寺保護研究工作。石窟巖體作為室外文化遺存，會經(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)變化會引起石窟巖體強度發(fā)生改變，而水在巖石中滲流也會對巖石的物理力學性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，進一步改變巖石裂隙，長此以往會導致巖體滲透特性隨之發(fā)生變化，進而對石窟寺保護利用工作產(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)外學者已經(jīng)進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行滲流試驗，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)力下進行了砂巖的孔隙度試驗和滲透率試驗，得出溫度升高會加劇礦物的擴散以及熱膨脹作用，最終導致砂巖產(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)律進行了試驗研究，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 ℃）條件下對長石細砂巖滲透率變化開展試驗研究，結(jié)果表明細砂巖存在滲透率突變閾值溫度，溫度達到突變閾值后，滲透率增速會大幅提升。

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利用工作。近些年，對于石窟巖體的研究工作國內(nèi)外學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度劣化機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、樂山大佛砂巖進行了鹽溶液的濕度循環(huán)劣化試驗，結(jié)果表明鹽結(jié)晶對樂山大佛砂巖的破壞作用最強，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制與失穩(wěn)機理，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，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，大足石刻面臨較嚴重的滲水病害的威脅，上世紀90 年代至今，國內(nèi)學者也對大足石刻巖體的滲水病害、巖石微觀和表層風化等問題進行了詳細的分析[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，分析經(jīng)過不同冷卻方式、不同冷熱持續(xù)時間和不同循環(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度特性，為進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，其表面溫度會更高。在綜合考慮上述影響因素后，設(shè)計不同工況的冷熱循環(huán)試驗，模擬大足石刻巖體的環(huán)境變化過程，對冷熱循環(huán)處理后的巖樣進行滲透試驗，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，滲透試驗完成后，進一步開展砂巖的強度試驗。具體試驗分為以下4 個步驟。

1.2.1 縱波波速測試

縱波波速是巖石密實性與完整性的一種表征指標，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行縱波波速測試，并對巖樣進行編號，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行同一工況試驗，避免因巖樣個體差異所引起的試驗結(jié)果的離散性。

1.2.2 冷熱循環(huán)試驗

溫度變化過程采用GH?100C 可程式恒溫恒濕試驗箱和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4 種試驗工況，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)計了不同的高溫和低溫持續(xù)時間，為模擬降雨環(huán)境設(shè)計水冷卻方式，為研究長期影響，設(shè)計不同次數(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，每組包括3 塊巖樣。具體試驗操作如表2 所示。

1.2.3 滲透試驗

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

式中：Kn 為砂巖在Δtn 時間內(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 為記錄點間隔時間，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)計為0.20、0.35、0.50 MPa。試驗過程中，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。

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

1.2.4 單軸壓縮試驗

滲透試驗完成后，挑選部分巖樣進行單軸壓縮試驗，研究水的滲透作用對砂巖力學特性的影響，試驗儀器采用WDAJ?600 巖石剪切流變試驗機，如圖3（b）所示，首先將巖樣放置在試驗臺中央，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，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)，試驗完畢。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 石窟砂巖滲透率變化特征

通過試驗和式（1）計算得到不同工況下巖樣的滲透率，利用式（2）計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，是因為在冷熱循環(huán)過程中，加熱時，巖樣溫度升高發(fā)生膨脹，冷卻時，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，會導致巖樣滲透率變化增大，說明增大溫差和水冷卻會對巖樣內(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致巖樣不均勻變形增加，并且冷卻水溫度降低，會使溫差增大，溫度應(yīng)力對巖樣造成的損傷加劇；另一方面水的滲透、溶解等作用會導致礦物顆粒的流失促使裂隙發(fā)展，最終導致滲透變化率增加。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 時巖樣的滲透率＞滲透壓為0.35 MP 時巖樣的滲透率＞滲透壓為0.20 MPa 時巖樣的滲透率，這是由于當滲透壓增大，巖樣受到的滲透力增加，導致滲流增加，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，當高溫時間從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。這是因為冷熱循環(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，導致巖樣滲透率增加；而增加巖樣在高溫下的時間，會使巖樣高溫膨脹變形增加，孔裂隙發(fā)育因此更加充分，導致巖樣滲透增加，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，這是因為增大滲透壓會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，試驗過程溫度變化較大，巖樣在試驗過程中受溫度變化影響，內(nèi)部會產(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，在多次冷熱循環(huán)后，巖樣內(nèi)部損傷不斷累積加劇，孔裂隙擴展、貫通，導致巖樣內(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，并且當水的溫度降低時，巖樣的滲透變化率增大。這是因為冷熱循環(huán)作用會導致巖樣內(nèi)部產(chǎn)生損傷，孔裂隙逐漸發(fā)育，進而使巖樣滲流增加，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，這是因為該工況設(shè)計溫度變化較大，包括模擬夏季高溫后冷卻和冬季低溫后恢復，導致試驗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 單軸壓縮試驗結(jié)果分析

2.2.1 不同工況石窟砂巖強度和變形特征

圖8 為滲透壓為0.20 MPa 時工況一巖樣的單軸壓縮試驗壓力?應(yīng)變曲線，由于巖樣采集地點的差別，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。可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不同工況的冷熱循環(huán)和滲透試驗后，巖樣的單軸抗壓強度和應(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)作用導致巖樣內(nèi)部產(chǎn)生損傷，使巖樣力學性能變差，抗壓強度和應(yīng)變減小。試驗過程中，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，進而導致孔裂隙的發(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 巖樣的單軸抗壓強度，發(fā)現(xiàn)當冷卻水溫度較低，巖樣單軸抗壓強度減小，這可能是因為冷卻水溫度降低，導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，導致巖樣強度降低。

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后的強度小于巖樣在較低滲透壓下的峰值強度，說明本試驗中較高滲透壓會對巖樣造成更大的損傷，導致巖樣力學性能變差，峰值強度降低，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，導致巖樣內(nèi)部損傷加劇，峰值強度減小。

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的破壞形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下巖樣破壞時形成的破壞面、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，形成裂縫更多并且相互貫通，導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，破壞也更為明顯。經(jīng)過冷熱循環(huán)和滲透試驗作用后，巖樣內(nèi)部損傷增加，裂紋裂隙發(fā)育，在壓縮試驗過程中，這些裂紋裂隙會不斷發(fā)展，導致巖樣薄弱處增多，逐漸形成多個裂縫，破壞時表現(xiàn)為形成多個破壞面并相互貫通。

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，并進一步研究了溫度和滲透影響下砂巖的強度特性，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。當冷卻方式相同時，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)時間增加，會導致巖樣滲透率變化增加。

2）冷卻方式會影響砂巖強度，與自然冷卻相比，水冷卻后砂巖強度降低，巖樣的破損程度更嚴重，并且當冷卻水的溫度降低，砂巖強度進一步減少。

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