三軸應(yīng)力條件下溫度循環(huán)變化對(duì)大足石刻砂巖力學(xué)特性的影響

摘要：由于長期受冷熱交替作用的影響，石窟寺巖體力學(xué)特性隨之發(fā)生變化，給石窟寺的保護(hù)利用工作造成影響。以重慶大足石刻石窟砂巖為研究對(duì)象，通過三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)大足石刻砂巖的力學(xué)特性進(jìn)行研究，溫度變化過程設(shè)計(jì)為高溫（60 ℃）、常溫（25 ℃）、低溫（0 ℃），并設(shè)置不同冷熱循環(huán)次數(shù)（5、10次）、不同高溫和低溫持續(xù)時(shí)間（2、4 h）、不同冷卻方式（自然冷卻和水冷卻）等多種試驗(yàn)工況，以分析不同溫度變化對(duì)大足石刻砂巖的峰值應(yīng)力和應(yīng)變、彈性模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力和破壞形態(tài)的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過冷熱循環(huán)作用后，砂巖的力學(xué)性能發(fā)生劣化，強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角不同程度減小；砂巖的峰值應(yīng)變?cè)黾樱蝗S壓縮的破壞形式以單剪切面的剪切破壞為主，經(jīng)過冷熱循環(huán)后，破壞變復(fù)雜，出現(xiàn)“Y”型共軛剪切破壞；圍壓可以改善力學(xué)性能，增加巖樣強(qiáng)度和彈性模量。

關(guān)鍵詞：石窟砂巖；溫度影響；三軸壓縮；力學(xué)特性；破壞形態(tài)

中圖分類號(hào)：TU452 """"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"文章編號(hào)：2096-6717（2025）02-0039-10

Influence of cyclic temperature variation on mechanical properties of Dazu Rock Carving sandstone under triaxial stress condition

JIANG Siwei¹，"WANG Chenglong^1，2，3，"LIU Dongsheng³，"GUO Yachen²，ZHANG Wengang²，"CHEN Huili¹

（1. Academy of Dazu Rock Carvings， Chongqing 402360， P. R. China；"2. College of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China；"3. Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration， Chongqing 401121， P. R. China）

Abstract： The rock mass of the grotto temple has been affected by cooling and heating for a long time， which would lead to the change of the mechanical properties of the rock mass and therefore endangers the grotto temple. In this paper， the Dazu Rock Carving sandstone in Chongqing was taken as the research object， and the mechanical properties of the sandstone were studied through triaxial compression tests. Temperature change process includes high temperature （60 ℃）， normal temperature （25 ℃）， and low temperature （0 ℃）. And the experimental process involves multiple conditions such as different heating-cooling cycle times （5 and 10 times）， different durations of high and low temperatures （2 h and 4 h）， and different cooling methods （natural cooling and water cooling）. These test conditions were designed to analyze the influence of temperature changes on the peak stress and strain， elastic modulus， internal friction angle， cohesion， and failure mode. Results indicate that： The mechanical properties of sandstone weakened after multiple heating-cooling cycles. The values of strength， elastic modulus， cohesion， and internal friction angle decreased at different degrees. The peak strain of sandstone increased after multiple heating-cooling cycles. The failure mode of sandstone under triaxial compression was mainly shear failure with a single shear plane， while the failure mode became complex after multiple heating-cooling cycles， which resulted in the conjugated shear failure of “Y”"type. Confining pressure could improve the mechanical properties， which increased the strength and elastic modulus of the sandstone samples.

Keywords： grotto sandstone；"temperature effect；"triaxial compression；"mechanical properties；"failure mode

石窟寺是中國輝煌燦爛古代文明的集中體現(xiàn)，是中華文明與其他古代文明交流互鑒的歷史見證。近年來，中國對(duì)石窟寺的保護(hù)利用工作越來越重視，弘揚(yáng)傳統(tǒng)文化，加強(qiáng)新時(shí)代石窟寺保護(hù)利用工作，已經(jīng)成為各地文旅部門的重要工作內(nèi)容之一。石窟巖體作為室外文化遺存，受到晝夜交替和四季變化等自然現(xiàn)象帶來的溫度交替變化的影響，長此以往，會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)部裂隙發(fā)展，物理力學(xué)特性發(fā)生劣化，給石窟寺保護(hù)利用工作帶來一定困難。

目前，關(guān)于溫度變化對(duì)巖體的三軸力學(xué)特性造成的影響，學(xué)者們已經(jīng)開展了大量的相關(guān)研究工作^[1-6]。屈永龍等^[7]研究了砂巖在不同溫度和圍壓下的三軸力學(xué)特性，結(jié)果表明，隨著溫度升高，試樣彈性模量、剪切模量及體積模量均呈先快速、后緩慢的非線性衰減規(guī)律。徐光苗等^[8]對(duì)處于不同溫度（-20～20 ℃）和不同含水狀態(tài)的紅砂巖進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)研究得出，溫度在-10～20 ℃變化時(shí)，紅砂巖的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角隨溫度降低而增大。Yamabe等^[9]選取日本Sirahama砂巖，進(jìn)行了-20 ℃時(shí)不同圍壓下（0、1、3 MPa）的三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三軸抗壓強(qiáng)度隨圍壓增大而增大。王樂華等^[10]開展了不同熱濕循環(huán)后砂巖的三軸加載與卸荷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂巖的力學(xué)參數(shù)隨熱濕循環(huán)作用呈下降趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)一致。陳釗等^[11]通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)以及應(yīng)變場(chǎng)分析方法分析了不同干濕循環(huán)次數(shù)下石窟砂巖內(nèi)摩擦角和黏聚力等物理特性的變化規(guī)律，結(jié)果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，礦物顆粒間的膠結(jié)作用減弱，砂巖黏聚力減小。廖茹雪等^[12]開展炳靈寺石窟砂巖凍融敏感性的遺跡劣化研究發(fā)現(xiàn)，在低圍壓三軸壓縮試驗(yàn)中，凍融循環(huán)越劇烈，巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線與參照組的相差越大，且圍壓的增加可以提高巖石的壓縮和殘余強(qiáng)度。陳國慶等^[13]開展了不同溫差凍融后石英砂巖、變質(zhì)砂巖及紅砂巖核磁共振檢測(cè)及三軸蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明，凍融循環(huán)作用促進(jìn)了砂巖內(nèi)中小尺寸孔隙的發(fā)育擴(kuò)展，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，凍融后砂巖的蠕變量增大，長期強(qiáng)度逐漸降低。

開展石窟寺巖體受溫度影響的試驗(yàn)研究還需考慮石窟寺所在地的氣候變化情況，并且應(yīng)結(jié)合石窟巖體的性質(zhì)和特點(diǎn)。蘭恒星等^[14]對(duì)石窟巖體劣化失穩(wěn)方面的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，發(fā)現(xiàn)石窟巖體的劣化失穩(wěn)表現(xiàn)出多樣性和地域差異性，但研究思路可相互借鑒。筆者研究的大足石刻巖體位于中國西南地區(qū)重慶市大足區(qū)境內(nèi)，歷經(jīng)唐、五代、宋、明、清才開鑿?fù)瓿桑鞘澜缥幕z產(chǎn)，世界八大石窟之一。20世紀(jì)90年代至今，汪東云等^[15]、張贊勛等^[16]、方芳等^[17]、張兵峰等^[18]、黃軍朋^[19]對(duì)大足石刻進(jìn)行了大量研究工作，分析了大足石刻滲水病害、巖石微觀和表層風(fēng)化等問題。對(duì)于大足石刻力學(xué)特性的研究，張?chǎng)析蔚?sup>[20]開展大足大佛灣石刻巖石微觀與力學(xué)特性研究，采用X射線衍射、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)等對(duì)該區(qū)域內(nèi)巖樣進(jìn)行分析，結(jié)果表明，水對(duì)該區(qū)域巖石結(jié)構(gòu)有溶蝕、淋濾等破壞作用，且與天然狀態(tài)相比，在飽水狀態(tài)下巖樣的強(qiáng)度明顯降低。

基于以上分析可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們針對(duì)溫度變化對(duì)巖石三軸力學(xué)特性的影響已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但由于石窟寺巖體劣化存在地域差異性，一些研究成果不能直接應(yīng)用于大足石刻的保護(hù)利用工作，針對(duì)大足石刻巖體的三軸力學(xué)特性受溫度變化影響的研究較少。為了更好地開展大足石刻巖體的加固利用工作，需要了解石窟內(nèi)部巖體的物理力學(xué)理性，因此有必要進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究，分析溫度循環(huán)變化對(duì)砂巖三軸力學(xué)特性的影響。以大足石刻砂巖巖體作為研究對(duì)象，基于巖體所處環(huán)境，對(duì)石窟砂巖開展三軸壓縮試驗(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)等作用后其峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量和破壞特征等的變化規(guī)律，為進(jìn)一步研究重慶大足石刻石窟砂巖的穩(wěn)定性分析提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 巖樣制備

大足石刻賦存地層主要是侏羅系石英砂，試驗(yàn)所用巖樣取自重慶市大足區(qū)，巖樣制作過程：首先對(duì)大塊砂巖進(jìn)行鉆芯，然后進(jìn)行切割打磨等工序，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，如圖1所示。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)歷年氣象資料，大足區(qū)多年日平均氣溫為17.2 ℃，最冷月份為一月，平均氣溫為6.6 ℃，最熱月份為七月，平均氣溫為27.4 ℃，年月平均相對(duì)濕度在60%～97%之間，7月份的月均相對(duì)濕度最低，為60%，10月份的月均相對(duì)濕度最高，為97%。但近年來全球氣候變化，極端天氣現(xiàn)象逐漸頻繁，在過去的2022年，大足區(qū)最低溫度為1 ℃，最高氣溫達(dá)到41 ℃，而對(duì)于巖體，在連日暴曬等因素的影響下，溫度會(huì)更高。綜合考慮上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)砂巖試樣進(jìn)行不同溫度的冷熱循環(huán)處理，模擬石窟巖體經(jīng)歷的環(huán)境變化，然后對(duì)處理后的巖樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。

1.2.1 縱波波速測(cè)試

采用ZBL-U5100非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)巖樣進(jìn)行縱波波速測(cè)試，并對(duì)巖樣進(jìn)行編號(hào)，測(cè)得巖樣波速分布在1.81～2.06 km/s之間，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)，以避免因試樣個(gè)體差異引起的試驗(yàn)結(jié)果的離散性。

1.2.2 三軸壓縮試驗(yàn)

三軸壓縮試驗(yàn)采用HYAS-1000B型微機(jī)控制巖石三軸儀，如圖2所示，首先，以0.1 kN/s的加載速率將巖樣軸向力預(yù)加載到10 kN，然后對(duì)試樣施加圍壓，為研究石窟內(nèi)部不同位置巖體的物理力學(xué)特性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2、4、6 MPa三種圍壓工況，以加載速率0.05 MPa/s加載至圍壓預(yù)定值，待圍壓穩(wěn)定后，對(duì)試樣施加軸向力，加載過程采用應(yīng)力控制且保持圍壓在試驗(yàn)過程中始終不變，以0.1 kN/s的加載速率施加軸向壓力，直至試樣壓壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，停止試驗(yàn)，保存數(shù)據(jù)，卸掉壓力，拆除試件，試驗(yàn)完畢。

1.2.3 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，如圖3所示。

根據(jù)大足石刻巖體所處環(huán)境，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4種工況，工況1為常溫環(huán)境作參照組，工況2模擬晝夜溫度變化，工況3模擬全年溫度變化，工況4模擬多次溫度變化，每種工況設(shè)計(jì)不同的溫度條件或循環(huán)次數(shù)。其中，為模擬砂巖溫度變化，主要考慮0 ℃、常溫（25 ℃）和60 ℃三種溫度，并基于所模擬的溫度環(huán)境，設(shè)計(jì)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，設(shè)置9組試驗(yàn)，每組3塊巖樣。具體試驗(yàn)操作步驟如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同工況下石窟砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)不同工況巖樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。經(jīng)過分析，可以將工況1-R下巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為4個(gè)階段，即：1）裂隙壓密階段；2）彈性變形階段；3）塑性變形階段；4）峰后破壞階段。對(duì)比其他工況巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與1-R曲線形態(tài)相似，同樣可以分為4個(gè)階段，差異則主要體現(xiàn)在峰值應(yīng)力和應(yīng)變的大小以及曲線線彈性部分的斜率。總體來看，相同圍壓下，冷熱循環(huán)后巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線往右下偏移，說明經(jīng)過冷熱循環(huán)后，巖樣的強(qiáng)度減小，而對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?cè)龃螅⑶铱梢园l(fā)現(xiàn)，彈性變形階段后，曲線的塑性變形越來越明顯，說明經(jīng)過冷熱循環(huán)后，巖樣塑性得到發(fā)展。

對(duì)比相同工況不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍壓增加，巖樣的峰值應(yīng)變和強(qiáng)度增大，且曲線峰值前的屈服階段更明顯，巖樣塑性增加；曲線峰值后破壞階段增加，破壞后應(yīng)力跌落速度減緩，巖樣由脆性破壞逐漸向延性破壞轉(zhuǎn)化。分析原因，圍壓對(duì)巖樣的裂紋發(fā)育起到了一定的約束作用，限制了巖樣的變形，提高了承受外部荷載的能力，因此，當(dāng)圍壓增加，巖樣的三軸壓縮強(qiáng)度增大，變形增加。

2.2 石窟砂巖力學(xué)參數(shù)變化特征

通過三軸壓縮試驗(yàn)和計(jì)算得到不同工況下巖樣的力學(xué)參數(shù)如表2所示。其中，通過三軸試驗(yàn)得到巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度，運(yùn)用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則得到內(nèi)摩擦角和黏聚力，利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線段部分得到彈性模量。

引入劣化度^[22]表示砂巖試樣在經(jīng)歷不同工況后力學(xué)參數(shù)的降低程度，用相對(duì)劣化度Δ比較不同工況造成的劣化效果。

（1）

（2）

式中：T_O為未經(jīng)過循環(huán)作用（1-R）的砂巖試樣力學(xué)參數(shù)值；T_n為經(jīng)歷不同循環(huán)作用后泥質(zhì)砂巖試樣的力學(xué)參數(shù)值；S_a為工況a對(duì)巖樣力學(xué)參數(shù)造成的劣化度；S_b為工況b對(duì)巖樣造成的劣化度。

2.2.1 石窟砂巖強(qiáng)度變化特征

圖5對(duì)比分析了不同工況下巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過冷熱循環(huán)后，巖樣強(qiáng)度降低，發(fā)生劣化。

圖5（a）為工況1與工況2巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖，在圍壓為2、4、6 MPa時(shí)，2-N工況下巖樣的劣化度分別為11.57%、5.22%、4.72%，2-W工況下巖樣劣化度分別為18.82%、6.53%、8.2%，2-L工況下巖樣劣化度分別為19.84%、15.49%、10.09%。由此可見，在高溫后經(jīng)過水冷卻造成的巖樣劣化大于自然冷卻后巖樣的劣化，并且水溫越低，強(qiáng)度劣化越明顯。這可能是由于經(jīng)過加熱和冷卻后，受溫度循環(huán)變化的影響，巖樣內(nèi)部損傷增加，在多次循環(huán)過程中，損傷不斷擴(kuò)展和累積，導(dǎo)致內(nèi)部完整性降低，承受外部荷載的能力下降。試驗(yàn)加熱過程中，巖樣溫度升高，發(fā)生膨脹，冷卻過程中，巖樣因溫度降低而收縮，由于內(nèi)部、外部散熱速度不同，導(dǎo)致巖樣各部分溫度存在差異，因受到溫度應(yīng)力的影響，發(fā)生不均勻變形，促使裂隙發(fā)育；當(dāng)采用水冷卻時(shí)，一方面，水冷卻使巖樣表面溫度快速降低，導(dǎo)致其不均勻變形增大；另一方面，由于水的滲透、溶解作用導(dǎo)致礦物顆粒的流失，促使裂隙發(fā)展；并且當(dāng)水的溫度降低時(shí)，巖樣溫差增大而導(dǎo)致?lián)p傷加劇，強(qiáng)度因此更低。對(duì)于相對(duì)劣化度，2-N與2-W的相對(duì)劣化度分別為7.25%、1.31%、3.47%，工況下巖樣2-N與2-L的相對(duì)劣化度分別為8.27%、10.27%、5.37%，2-W與2-L工況下巖樣的相對(duì)劣化度分別為1.02%、8.96%、1.89%。若忽略離散性較大的4 MPa數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，2-W與2-L劣化度差異較小，說明低于常溫10 ℃的冷卻水對(duì)巖樣強(qiáng)度造成的影響與常溫水接近。

圖5（b）為2-W和4-2F、4-2T工況下巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷熱循環(huán)次數(shù)由5次增加到10次或高溫時(shí)間從2 h增加到4 h時(shí)，巖樣強(qiáng)度劣化增加。分析原因，隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加，因冷熱循環(huán)造成的損傷不斷累積，使巖樣內(nèi)部裂隙發(fā)展，降低了試樣內(nèi)部的完整性，導(dǎo)致巖樣強(qiáng)度減小；而增加在高溫下的時(shí)間，會(huì)使巖樣高溫膨脹，變形增加，裂隙發(fā)育更加充分，強(qiáng)度隨之降低。圖5（c）為3-Y、4-3F和4-3T工況下巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖，通過對(duì)比分析同樣可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷熱循環(huán)次數(shù)由5次增加到10次或高溫、低溫時(shí)間從2 h延長到4 h，巖樣的強(qiáng)度劣化加重。

圖5（d）所示為各工況下巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖，總體來看，經(jīng)過冷熱循環(huán)后，巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度發(fā)生不同程度的劣化。其中，3-Y工況下強(qiáng)度劣化最大，劣化度分別為22.64%、19.96%、12.5%，原因可能是，在該工況下，巖樣受到的冷熱變化比其他工況下更多，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，受溫度變化的影響，導(dǎo)致內(nèi)部損傷累積加劇，強(qiáng)度減小。而對(duì)比工況2-N與4-2F可以發(fā)現(xiàn)，工況2-N的設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)多于工況4-2F的循環(huán)次數(shù)，但工況2-N工況下巖樣的強(qiáng)度稍大于4-2F工況，原因可能是工況4-2F采取了水冷卻方式，使巖樣內(nèi)部產(chǎn)生了更大的損傷，導(dǎo)致強(qiáng)度減小，說明冷卻水的作用對(duì)巖樣強(qiáng)度的影響較大。

分析圍壓對(duì)巖樣強(qiáng)度的影響，通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，在較高圍壓下，巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度大于較低圍壓下巖樣的強(qiáng)度，并且比較劣化度曲線可以發(fā)現(xiàn)，圍壓為6 MPa時(shí)巖樣的強(qiáng)度劣化lt;4 MPa時(shí)lt;2 MPa時(shí)這是因?yàn)椋瑖鷫菏箮r樣原生裂隙孔洞和冷熱循環(huán)造成的損傷裂隙壓密閉合，力學(xué)性能改善，宏觀表現(xiàn)為承載能力大幅提高，當(dāng)圍壓增大時(shí)，這種制約就越強(qiáng)。因此，圍壓增大，巖樣三軸壓縮試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度增大，且冷熱循環(huán)對(duì)巖樣強(qiáng)度的劣化效果減弱。

2.2.2 石窟砂巖彈性模量的變化特征

彈性模量反映了巖石抵抗變形的能力，利用表1數(shù)據(jù)作各工況下巖樣彈性模量對(duì)比圖，如圖6所示，且因2-W工況下2 MPa時(shí)所得巖樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，故不進(jìn)行劣化度的分析。

將工況2-N、2-W、2-L與1-R進(jìn)行比較，可以得到，水冷卻導(dǎo)致的劣化度大于自然冷卻，這是因?yàn)椋谒鋮s下，因溫度應(yīng)力產(chǎn)生不均勻變形，巖樣發(fā)生熱破裂而力學(xué)性能變差，導(dǎo)致彈性模量減小；將工況4-2F與4-2T進(jìn)行對(duì)比，將工況4-3F與4-3T進(jìn)行對(duì)比，總體變化趨勢(shì)為，冷熱循環(huán)過程中，當(dāng)高溫和低溫時(shí)間延長時(shí)，巖樣彈性模量劣化增加，這是因?yàn)椋瑫r(shí)間延長使巖樣受溫度的影響增大，導(dǎo)致內(nèi)部損傷增加，彈性模量減小；將工況2-W和4-2F進(jìn)行對(duì)比，將工況3-Y和4-3F進(jìn)行對(duì)比可知，當(dāng)冷熱循環(huán)次數(shù)由5次增加到10次時(shí)，巖樣彈性模量劣化增加，這是因?yàn)椋S著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣內(nèi)部損傷不斷積累，最終導(dǎo)致力學(xué)性能變差，彈性模量減小。對(duì)比同一工況不同圍壓下彈性模量的變化，總體趨勢(shì)為，圍壓為4、6 MPa時(shí)巖樣的彈性模量大于2 MPa時(shí)，且圍壓為4、6 MPa時(shí)巖樣的彈性模量劣化度小于2 MPa時(shí)。

總的來說，冷熱循環(huán)后，巖樣彈性模量發(fā)生劣化，工況3-Y劣化度最大，圍壓為2、4、6 MPa時(shí)，劣化度分別為29.76%、22.98%、22.63%，這是因?yàn)椋摴r設(shè)計(jì)冷熱變化次數(shù)較多，受溫度變化的影響，巖樣內(nèi)部損傷較嚴(yán)重，導(dǎo)致力學(xué)性能大幅下降，抵抗變形能力減弱，彈性模量減小。對(duì)比其他工況下的數(shù)據(jù)，總體規(guī)律為，水冷卻造成的彈性模量劣化大于自然冷卻，且冷熱循環(huán)次數(shù)增多，高溫和低溫持續(xù)時(shí)間延長，巖樣彈性模量劣化會(huì)加劇，原因可能是，這些變化使巖樣受溫度變化的影響增加，導(dǎo)致其內(nèi)部損傷增大，力學(xué)性能變差。圍壓對(duì)巖樣彈性模量的影響表現(xiàn)為，在圍壓為4、6 MPa時(shí)，巖樣的彈性模量大于2 MPa時(shí)，且4、6 MPa時(shí)彈性模量劣化度更小，2 MPa時(shí)最大，這是因?yàn)閲鷫菏箮r樣內(nèi)部的部分裂隙閉合，從而改善了其力學(xué)性能，彈性模量提高。

2.2.3 石窟砂巖黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化特征

內(nèi)摩擦角和黏聚力是表征抗剪強(qiáng)度的重要參數(shù)，圖7、圖8分別為不同工況下巖樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力變化規(guī)律對(duì)比圖。可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的工況對(duì)砂巖試樣的c、φ值影響較小，但從圖中c、φ"""""值的變化趨勢(shì)可以分析出，經(jīng)過冷熱循環(huán)，巖樣的c、φ值減小，發(fā)生劣化，以工況1-R作為參照組，其c、φ值大于大部分經(jīng)過冷熱循環(huán)處理巖樣的c、φ值，這表明冷熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致砂巖試樣的抗剪強(qiáng)度降低。

將工況2-W與4-2F、3-Y與4-3F進(jìn)行對(duì)比，2-W工況下巖樣c、φ值劣化度分別為3.11%、1.25%，4-2F工況下分別為1.55%、0.63%，4-3F工況下分別為2.56%、1.04%，3-Y工況下分別為11.50%、5.01%。當(dāng)循環(huán)次數(shù)由5次增加到10次，巖樣c、φ值劣化更嚴(yán)重。將工況4-2F與4-2T、4-3F與4-3T進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高溫和低溫時(shí)間增加2 h對(duì)巖樣的c、φ值影響不大。對(duì)比工況2-N和2-W發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水冷卻后，高溫巖樣c、φ值劣化大于自然冷卻對(duì)巖樣造成的劣化。各工況中劣化最大的為3-Y，而3-Y經(jīng)歷的冷熱變化次數(shù)最多，說明冷熱循環(huán)對(duì)巖樣的c、φ值有影響，即對(duì)巖樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)產(chǎn)生弱化作用，這是因?yàn)椋S著循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣內(nèi)部因溫度變化而造成的損傷不斷累積，再加上水的作用，最終導(dǎo)致巖樣的力學(xué)性能變差，c、φ值減小，并且同一工況下值劣化度大于值劣化度，說明試驗(yàn)中值對(duì)冷熱循環(huán)的敏感性高于φ值。

2.3 石窟砂巖變形特征

不同工況下巖樣三軸壓縮試驗(yàn)峰值應(yīng)變?nèi)鐖D9所示，因工況2-W在圍壓為2 MPa時(shí)所得數(shù)據(jù)離散性較大，故不進(jìn)行變形特征分析。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)巖樣變形特征的總體變化趨勢(shì)，冷熱循環(huán)后，峰值應(yīng)變?cè)黾樱治鲈颍环矫媸且驗(yàn)閹r樣在高溫下會(huì)產(chǎn)生熱破裂現(xiàn)象，內(nèi)部孔隙和裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致初始應(yīng)變?cè)黾樱S壓縮試驗(yàn)前期的壓密階段應(yīng)變?cè)黾樱涣硪环矫妫?jīng)過冷熱循環(huán)巖樣內(nèi)部損傷增加，彈性模量減小，抵抗變形的能力降低，峰值應(yīng)變?cè)黾印?/p>

對(duì)比2-N、2-W、2-L工況下3組巖樣，與工況1-R相比，在2、4、6 MPa圍壓下，2-N工況下巖樣應(yīng)變?cè)龇謩e為0.52%、0.72%、5.6%，2-W工況下應(yīng)變?cè)龇謩e為-25.96%、1.29%、25.56%，2-L工況下應(yīng)變?cè)龇謩e為17%、2.66%、28.36%，忽略2-W工況下圍壓為2 MPa時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，2-W和2-L工況下峰值應(yīng)變大于2-N工況下，說明采用水冷卻巖樣的峰值應(yīng)變大于自然冷卻，這是因?yàn)樗淖饔脮?huì)促進(jìn)裂隙的發(fā)展，三軸壓縮試驗(yàn)中壓密階段應(yīng)變?cè)黾樱⑶規(guī)r樣內(nèi)部損傷增加，抵抗變形的能力降低，導(dǎo)致應(yīng)變?cè)黾印?duì)比工況2-W和2-L可以發(fā)現(xiàn)，降低水溫后巖樣峰值應(yīng)變?cè)龃螅@是因?yàn)榻档退疁卦龃罅藴夭睿瑤r樣受溫度的影響增大，導(dǎo)致?lián)p傷加劇，應(yīng)變?cè)黾樱f明溫差會(huì)影響巖樣的峰值應(yīng)變。

對(duì)比工況4-2F、4-2T、4-3F、4-3T可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到高溫和低溫的時(shí)間從2 h延長到4 h，巖樣的峰值應(yīng)變?cè)黾樱@是因?yàn)楦邷睾偷蜏貢r(shí)間延長，受溫度影響，巖樣內(nèi)部裂隙和裂紋發(fā)展，三軸壓縮試驗(yàn)壓密階段應(yīng)變?cè)黾樱业挚棺冃蔚哪芰p弱，導(dǎo)致峰值應(yīng)變?cè)黾印Ｔ賹⒐r2-W與4-2F、3-Y與4-3F進(jìn)行對(duì)比，總體規(guī)律為，巖樣經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)由5次增加到10次后，峰值應(yīng)變?cè)龃螅@是因?yàn)殡S著循環(huán)次數(shù)的增加，試驗(yàn)過程中巖樣的損傷不斷累積發(fā)展，導(dǎo)致其力學(xué)性能變差，彈性模量減小，應(yīng)變?cè)黾印?/p>

對(duì)比同一工況下不同圍壓對(duì)峰值應(yīng)變的影響可以發(fā)現(xiàn)，每一組巖樣在圍壓為2 MPa時(shí)的峰值應(yīng)變lt;4 MPa時(shí)lt;6 MPa時(shí)，且6 MPa時(shí)巖樣的應(yīng)變?cè)龇畲螅@是因?yàn)閲鷫菏箮r樣的塑性增強(qiáng)，導(dǎo)致變形增加，并且較高圍壓下巖樣的承載力增加，破壞時(shí)間加長，有更充分的時(shí)間發(fā)展變形。

2.4 石窟砂巖剪切破壞特征規(guī)律分析

巖樣的三軸壓縮破壞是巖石內(nèi)部的微裂隙萌生、擴(kuò)展、貫通的結(jié)果，表3為各工況下巖樣經(jīng)過三軸壓縮試驗(yàn)后的破壞形態(tài)。可以看出，巖樣的三軸壓縮破壞形式有單剪切面的剪切破壞和“Y”型剪切面的共軛剪切破壞兩種，剪切帶大致沿著巖樣端面對(duì)角開展并伴隨有局部巖塊掉落，在破壞面上有剪切摩擦痕跡，側(cè)表面出現(xiàn)網(wǎng)狀擴(kuò)張裂紋，部分巖樣端部形成含有圓錐的對(duì)角破壞。

對(duì)比各組巖樣破壞形態(tài)，1-R工況下巖樣破壞沿對(duì)角展開，形成一條主裂縫，并伴有細(xì)微塊末在破壞面上掉落；觀察其他工況下巖樣的破壞特征發(fā)現(xiàn)，在圍壓為2 MPa時(shí)，不同工況下巖樣的破壞特征差別較大，總體規(guī)律為，2-N、4-2F、4-2T和4-3F工況下巖樣以單剪切面的剪切破壞為主，破壞形成一條主裂縫。不同的是，在主裂縫處掉落的塊末增多，且掉落巖塊的體積增大，并且4-2T和4-3F工況下巖樣破壞時(shí)在主裂縫周邊出現(xiàn)次裂縫；而在4-3T、2-W、2-L和3-Y工況下，巖樣發(fā)生“Y”狀共軛剪切破壞，破壞面周邊次裂縫增多且?guī)r石更加破裂。分析原因，經(jīng)過冷熱循環(huán)后，巖樣內(nèi)部損傷加劇，產(chǎn)生了較多的裂隙和裂紋，而在受力過程中，這些裂隙有充分的擴(kuò)展時(shí)間，導(dǎo)致破壞試樣表面裂縫增多，剪切面間錯(cuò)動(dòng)摩擦逐漸加重，致使最終崩落斷面處出現(xiàn)較多巖石塊末。根據(jù)巖樣的破壞特征，可以發(fā)現(xiàn)，采取水冷卻方式且經(jīng)過冷熱循環(huán)次數(shù)越多、高溫和低溫的持續(xù)時(shí)間越長，巖樣內(nèi)部裂隙發(fā)育越多、越充分，越容易出現(xiàn)次破裂面，且破壞時(shí)巖石越破碎。

當(dāng)圍壓增大時(shí)，巖樣破壞受到限制，破壞形態(tài)隨之發(fā)生變化，圍壓為4 MPa時(shí)，巖樣單剪切面的破壞形式增多，只有冷熱循環(huán)影響加劇，巖樣才表現(xiàn)出“Y”狀共軛剪切破壞；圍壓增大到6 MPa時(shí)，巖樣的破壞形態(tài)變得簡(jiǎn)單，破壞時(shí)僅出現(xiàn)一條主裂縫，且大部分沿對(duì)角展開，這可能是因?yàn)閲鷫菏箮r樣內(nèi)部的部分裂隙閉合，因此在破壞時(shí)裂縫的發(fā)育減少，破壞形式單一。

3 結(jié)論

針對(duì)三軸應(yīng)力條件下溫度循環(huán)變化對(duì)大足石刻砂巖力學(xué)特性的影響開展研究，根據(jù)大足區(qū)日常環(huán)境變化情況設(shè)計(jì)不同的冷熱循環(huán)工況，得到以下主要結(jié)論：

1）冷熱循環(huán)作用后，石窟砂巖三軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量減小，相較于自然冷卻，水冷卻循環(huán)對(duì)砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響更大。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、高溫和低溫持續(xù)時(shí)間增加，會(huì)導(dǎo)致巖樣強(qiáng)度和彈性模量劣化加劇。

2）經(jīng)過冷熱循環(huán)，巖樣內(nèi)摩擦角和黏聚力減小，并且相較于自然冷卻，水冷卻造成的劣化更嚴(yán)重。當(dāng)采用相同的冷卻方式時(shí)，冷熱循環(huán)次數(shù)越多，劣化越明顯，但高溫和低溫時(shí)間延長對(duì)內(nèi)摩擦角和黏聚力造成的影響較小。

3）經(jīng)過冷熱循環(huán)后，石窟砂巖三軸壓縮的峰值應(yīng)變?cè)黾樱⑶宜鋮s對(duì)砂巖峰值應(yīng)變的影響大于自然冷卻，而當(dāng)冷卻方式相同時(shí)，循環(huán)次數(shù)由5次增加到10次、溫差增大（冷卻水溫度更低）、高溫和低溫持續(xù)時(shí)間延長，會(huì)使砂巖峰值應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

4）圍壓為2 MPa時(shí)，石窟砂巖三軸壓縮的破壞模式以單剪切面的剪切破壞為主，但經(jīng)過冷熱循環(huán)作用后砂巖破壞模式變復(fù)雜，出現(xiàn)“Y”型共軛剪切破壞，并且破壞時(shí)伴隨有局部巖塊掉落，部分巖樣側(cè)表面出現(xiàn)擴(kuò)張裂紋；當(dāng)圍壓增大到4、6 MPa時(shí)，巖樣破壞形態(tài)變簡(jiǎn)單，受冷熱循環(huán)導(dǎo)致的“Y”型剪切破壞減少。

5）圍壓會(huì)使砂巖的塑性增強(qiáng)，峰值應(yīng)變隨圍壓增加而增大，并且圍壓能夠改善砂巖的力學(xué)性能。總體來看，圍壓由2 MPa增加到4、6 MPa時(shí)，巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度隨之增加且劣化度隨之減小，內(nèi)摩擦角和黏聚力基本無變化，彈性模量在圍壓為4、6 MPa時(shí)也得到提高且劣化度減小。

6）本次測(cè)試樣品數(shù)量有限，今后有必要進(jìn)一步開展三軸應(yīng)力條件下的大足石刻砂巖力學(xué)特性研究。

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（編輯""胡玲）