溫度循環作用下石窟砂巖滲透特性試驗

關鍵詞：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。溫度循環變化會引起石窟巖體強度發生改變，而水在巖石中滲流也會對巖石的物理力學性質產生一定影響，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生變化，進而對石窟寺保護利用工作產生巨大阻礙。

目前，針對溫度變化對巖體滲透特性的影響，國內外學者已經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巖裂隙滲透特性試驗研究，結果表明升溫過程中流量和等效水力開度呈現增大的趨勢，恒溫過程等效水力開度逐漸變小并趨于穩定。Casse 等[7]在不同溫度和壓力條件下進行滲流試驗，發現溫度對膠結砂巖滲透率的影響與飽和流體的性質有關，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。賀玉龍等[8]在不同溫度和不同有效應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，最終導致砂巖產生壓縮效應，在有效應力不變的情況下，使砂巖巖樣的滲透率大幅度減小。劉均榮等[9]對砂巖、灰巖、變質巖和礫巖的滲透率受熱變化規律進行了試驗研究，結果表明巖石在常壓下經過高溫處理后，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。

考慮到巖體性質的差異和外部環境條件等的不同，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外學者也已取得大量成果，陳釗等[11]開展了干濕循環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，發現隨著干濕循環次數的增加，砂巖黏聚力和內摩擦角減小，最終造成拉裂力學性質的劣化。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劣化試驗，結果表明鹽結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]從多方面總結了各因素作用下石窟寺巖體的劣化機制與失穩機理，得出石窟寺巖體的劣化失穩表現出多樣性和地域差異性。

通過以上研究成果可以發現，針對石窟巖體的研究，應考慮石窟寺所在地的環境特點，并結合石窟巖體的性質。大足石刻位于中國西南地區重慶市大足區境內，歷經唐末、五代、盛極于兩宋，至今已有千年歷史，在其石窟內也逐漸產生了較多裂隙（見圖1）。因所在地區夏季雨水充足，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，基于巖體所處環境，考慮圍壓，對石窟砂巖開展滲透試驗，分析經過不同冷卻方式、不同冷熱持續時間和不同循環次數等作用后，大足石刻砂巖滲透特性的變化規律，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定性分析提供技術支撐。

1 試驗概況

1.1 巖樣制備

巖樣取自重慶市大足區，對大塊的砂巖進行鉆芯、切割、打磨，按照規范要求，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

根據大足區氣象資料，近些年，大足區最低溫度為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，設計不同工況的冷熱循環試驗，模擬大足石刻巖體的環境變化過程，對冷熱循環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，結果如表1 所示，可以發現，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果的離散性。

1.2.2 冷熱循環試驗

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。根據大足石刻環境條件共設計4 種試驗工況，工況一模擬石窟砂巖所處環境的晝夜溫度變化，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境，設計了不同的高溫和低溫持續時間，為模擬降雨環境設計水冷卻方式，為研究長期影響，設計不同次數的冷熱循環。根據不同的工況條件，共設置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力多場耦合三軸試驗儀，如圖3（a）所示。利用穩態法測定巖樣滲透率，計算表達式[20]為

式中：Kn 為砂巖在Δtn 時間內的平均滲透率，m2；μ 為流體黏滯系數，取1×10?3 Pa·s，水溫為20 ℃；ΔQn 為Δtn 時間內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。

為了研究石窟內部巖體在不同滲透壓下的滲透特性，設置軸壓與圍壓為0.70 MPa，滲透壓設計為0.20、0.35、0.50 MPa。試驗過程中，將冷熱循環完成的巖樣安裝到三軸壓力室中，然后，以應力控制的方式施加軸壓和圍壓至0.70 MPa，軸壓和圍壓穩定后，施加滲透壓力，待滲透壓穩定，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，當滲透穩定不再發生變化則認為巖樣滲透完成。保存數據，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，應力?應變曲線出現明顯下降趨勢，停止試驗，保存數據，卸除壓力拆除試件，拍照記錄巖石破壞后的外觀形態，試驗完畢。

2 試驗結果與分析

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，分析巖樣經過冷熱循環后滲透率的變化情況。

式中：Kn 為經過冷熱循環后巖樣的滲透率，m2；K0 為常溫狀態下巖樣的滲透率，m2。

圖4 為工況一與工況四巖樣的滲透率變化對比圖，可以發現，與工況4-B 相比，冷熱循環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，是因為在冷熱循環過程中，加熱時，巖樣溫度升高發生膨脹，冷卻時，巖樣溫度降低而收縮。由于巖樣內部、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力的影響發生不均勻變形促使內部產生損傷，在多次冷熱循環后，損傷不斷累積，裂紋、裂隙逐漸發育，最終巖樣內部孔裂隙增多，內部連通程度增大，導致巖樣滲透率增大。通過對比不同工況巖樣的滲透率，可以發現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，可以發現，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，當冷熱循環次數由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。這是因為冷熱循環次數增加，巖樣因冷熱循環造成的損傷不斷累積，內部孔裂隙逐漸發展，使內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，同樣可以發現，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境和冬季低溫環境，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，內部會產生損傷，孔裂隙逐漸發育，并且產生的損傷無法自然修復，在多次冷熱循環后，巖樣內部損傷不斷累積加劇，孔裂隙擴展、貫通，導致巖樣內部的連通程度較好，滲透率增加。對比不同滲透壓下巖樣的滲透率，同樣可以發現，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%，可以發現，相比于自然冷卻，高溫巖樣經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。這是因為冷熱循環作用會導致巖樣內部產生損傷，孔裂隙逐漸發育，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?應變曲線，由于巖樣采集地點的差別，應力峰值與朱鵬熹等[15]的有一定差別，但是研究得到的結論相似。可以發現，經過不同工況的冷熱循環和滲透試驗后，巖樣的單軸抗壓強度和應變出現差異，表現為高溫巖樣經過水冷卻后，峰值強度和應變小于巖樣自然冷卻的情況，分析原因可能是，冷熱循環作用導致巖樣內部產生損傷，使巖樣力學性能變差，抗壓強度和應變減小。試驗過程中，高溫巖樣樣受到冷卻水的作用，一方面使巖樣內部和外部礦物產生溫差而受到溫度應力的影響，產生不均勻的膨脹、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育，并在多次冷熱循環過程中裂紋不斷擴展和累積，巖樣內部完整性降低，宏觀表現為承載力較低，加載過程更易發生破壞，應變也隨之減小。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，發現當冷卻水溫度較低，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力?應變曲線，可以發現，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部裂紋逐漸擴展、貫通的結果，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，可以發現，不同工況下巖樣破壞時形成的破壞面、裂縫數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，巖塊碎屑掉落數量也隨之增加。在較大滲透壓時，破壞也更為明顯。經過冷熱循環和滲透試驗作用后，巖樣內部損傷增加，裂紋裂隙發育，在壓縮試驗過程中，這些裂紋裂隙會不斷發展，導致巖樣薄弱處增多，逐漸形成多個裂縫，破壞時表現為形成多個破壞面并相互貫通。

3 結論

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，最終得出以下結論：

1）經過冷熱循環，石窟砂巖滲透率增大，相較于自然冷卻，水冷卻循環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），冷熱循環次數由5 次增加到10 次，高溫持續時間增加，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）在不同滲透壓下經過滲透試驗后，砂巖峰值強度出現差異，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。