敦煌石窟砂岩吸水特性及力学效应试验研究_郝耐

采用上述试验系统进行无压吸水试验，可以分 为如图 2 所示的四个主要步骤。按照上述四步试验 步骤，本文作者利用敦煌石窟的实际砂岩试样，进行 常温、常压条件下的液态水无压吸附试验研究，分析 敦煌石窟的岩体试样在无压吸水条件下的吸水下的 力学特性。通过吸水量评价围岩的吸水性能，分析 围岩水理作用规律。
图 2 岩石无压吸水试验步骤 Fig. 2 Test steps of water absorption by rock without pressure
系统主要 利 用 了 U 形 管 的 原 理，即 储 水 桶 和 触水器中的水面保持相齐平。岩石试样置于触水 器 内 部 上 侧 的 环 形 支 撑 面 上 ，在 毛 细 作 用 下 ，试 样 吸 收 储 水 器 中 的 水 ，而 储 水 桶 中 水 量 则 会 减 小 ，也 就是试样的 吸 水 量，储 水 桶 中 的 水 分 的 减 少 量 通 过其下面的 电 子 天 平 实 时 记 录，并 通 过 数 据 采 集 系统实时保存。
编号 FS-0 FS-5 FS-6 FS-8 FS-10
直径 / mm 49. 76 49. 50 50. 20 49. 71 49. 88
高度 / mm 98. 20
102. 46 101. 48
88. 93 91. 09
干燥质量 /g 436. 68 450. 38 456. 68 389. 68 404. 88
表 1 砂岩孔隙结构基本参数 Table 1 Basic parameters of sandstone pore structure
比表 孔隙 面积/ 率/ % （ m2·g －1 ）
体积中 值孔 径/ nm
面积中 值孔 径/ nm
平均孔 径/ nm
体密度 / （ g·mL －1 ）
骨架 密度 / （ g·mL －1 ）
为了更加真实的模拟岩石吸水过程，笔者所在
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科学技术与工程
17 卷
课题组［15］采用自 主 开 发 研 制 的 深 部 软 岩 水 理 作 用 测试仪对深井泥岩进行了吸水试验，得到了深井泥 岩的吸水量随时间的变化函数，并结合电镜扫描与 X 射线衍射分析等测试手段对比分析了对深井泥岩 的吸水特性。 柳 培 玉 等［16］ 对 平 庄 煤 矿 砂 质 泥 岩 岩 样进行了吸水试验，得出了不同水压条件下岩样吸 水量和吸水速率随时间的变化特性，比较了岩样在 吸水前后的 微 观 结 构 变 化。 郭 宏 云 等［17］ 对 大 强 煤 矿的钙质页岩进行了吸水试验，并且结合岩石各项 物理化学性质表征参数讨论分析了岩石吸水的相关 影响因素。郭志飚等［18］对深部中砂岩、细砂岩试样 吸水特性进行了分析，并对岩石吸水前后的抗压强 度进行对比。笔者利用工业 CT 和电子万能材料试 验机对煤岩试样进行了气体对岩体性能的试验研 究，本 文 将 其 推 广 到 吸 水 对 岩 体 性 能 的 研 究 上［19，20］。基于本课题组上述已有研究成果，本文研 制了岩石水理作用智能测试系统，利用该测试系统 进行敦煌石窟砂岩试样吸水试验，结合单轴压缩试 验，研究砂岩干燥状态及不同吸水状态下的强度变 化规律，以粗略评价敦煌莫高窟围岩风化程度，为揭 示壁画病害机理及评估保护技术方案提供一定的参 考和依据。
表 3 岩样吸水过程参数拟合结果 Table 3 Fitting results of parameters during
water adsorption
试样编号
FS-5 FS-6 FS-8 FS-10
a － 3. 532 － 3. 679 － 5. 571 － 4. 718
吸水曲线拟合参数
b
w0
－ 6. 465
图 1 岩石水理作用智能测试系统 Fig. 1 Intelligent test system for water-rock interaction
1 试验
1. 1 石窟围岩无压吸水原理和方法 根据现场测试资料，敦煌石窟地区干旱少雨，由
于支撑体围岩中本身含有一定的水分，水分主要通 过毛细作用在支撑体中运移。采用无压吸水实验， 模拟窟壁岩体在水分毛细作用下的物理力学性质变 化规律。岩石无压吸水试验系统如图 1 所示，试验 系统主要包括试样、触水器、胶管、储水桶、天平以及 用于数据采用用途的电脑输出终端。
12. 23 0. 082 9 764. 8 974. 2 838. 4 2. 11
2. 41
1. 3 试样制备 利用原位取样系统在石窟当地获取圆柱形的砂
岩试样，试样直径 50 mm、高度 100 mm。吸水试验 所用试样的基本参数情况如表 2 所示。
表 2 砂岩岩样基本参数 Table 2 Basic parameters of sandstone samples
图 5 砂岩吸水率随吸水时间变化曲线 Fig. 5 Water content curves with time of sandstone
图 4 砂岩试样 SEM 图像 Fig. 4 SEM images of sandstone sample
采用压 汞 法 测 定 砂 岩 孔 隙 结 构 参 数，结 果 见 表 1。
中图法分类号 TD315；
文献标志码 B
岩体的水化作用是影响其力学性能的关键因 素，并且随着时间的增加，该作用愈加明显。对于重 要性较高的建筑或文物古迹的岩体水化性能研究， 是对其进行保护的基础。敦煌石窟是我国著名的历 史文化遗产，具有显著的科学、艺术、历史、社会及文 化价值，保护敦煌石窟壁画具有重要意义。由于石 窟开凿岩体为钙泥质或泥质弱胶结的砂砾岩体上， 受 到 自 然 及 人 为 因 素 的 影 响，Maekawa、Kenderdine 等研究认为石窟壁画存在各种病害。壁画病害主要 有起甲、酥 碱、空 鼓、壁 画 大 面 积 脱 落、霉 变 等［1，2］。 Wang［3，4］、Wainwright［5］研究认为大多数病害与水盐 运移有关。国内研究者对敦煌石窟的水化作用开展 了许多研 究，王 旭 东 等［6］ 研 究 表 明，水 分 是 导 致 敦 煌石窟围 岩 风 化 的 重 要 因 素。 张 明 泉 等［7］ 研 究 得 出，水分是 敦 煌 石 窟 壁 画 产 生 病 害 的 最 关 键 因 素。 因此，水岩相互作用研究对于揭示石窟围岩风化机
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理和防治壁画病害等均具有重要意义。 目前，关于水岩相互作用的研究主要涉及到两
个方向，一是水文地质方向； 二是岩土力学和工程地 质的方向。 关 于 前 者，沈 照 理［8，9］ 总 结 和 回 顾 了 水 岩相互作用研究的历史和进展，并指出面临的挑战。 后者主要集中在水与岩土介质作用对岩土的力学状 态、变形特性的影响，这对于岩土工程的稳定具有重 要意义。汤连 生［10］ 针 对 水 化 学 作 用 对 岩 体 力 学 性 质的影响机理，较系统地总结了该研究领域中的现 状和研究新进展，分析了其研究方法，指出了今后的 研究方向和主要研究内容，并认为此方面的研究将 在工程地质 学 中 占 重 要 地 位。 周 翠 英 等［11］ 对 华 南 地区黑色炭质泥岩、泥岩及红色砂岩进行了不同含 水状态下的各项力学实验，实验结果表明各项力学 强度指标随着饱水时间的增长而不断降低，但最终 趋向稳定。康红普［12］从损伤力学的角度，分析了水 对岩石强度和变形的影响，并把岩石扩容导致的体 积变化引入损伤变量，建立了与应力状态密切相关 的岩石遇水 损 伤 变 量 的 演 变 方 程。 傅 晏 等［13］ 研 究 了干湿循环作用对砂岩的单轴抗压强度、抗拉强度 及弹性模量的影响，三者与循环次数之间有良好的 对数关系。邵 明 申 等［14］ 进 行 不 同 含 水 状 态 下 龙 游 石窟砂岩的力学性能和弹性波测试，结果表明，随着 含水率的增加，应变软化特性弱化，峰值强度和弹性 模量呈指数减少。上述水岩相互作用研究中，岩石 吸水测试采用的均为浸水法，即将试件完全浸泡在 水中，而这种方法难以反映岩石在真实环境中的吸 水过程。
3. 848
－ 4. 805
3. 771
－ 25. 779
5. 630
－ 5. 633
4. 822
Ｒ2 0. 式（ 1） 中： w（ t） 为砂岩含水率； t 为吸水时间，h。从 图 5 可以看出，4 个试样在开始吸水的时候，吸水速 率比较快，吸水量增加很快，随着时间增加，吸水速 率递减直至样品饱和，吸水量也不再随时间增加而 增加。分析表 3 可知，吸水曲线符合指数函数变化 规律，随着吸水时间的增加，吸水量趋于稳定，吸水 速率几乎不再变化。 2. 2 围岩试样吸水强度变化特征
Hao Nai，Zhang Xiulian，Wang Shupeng，et al． Experimental study on wa-
ter absorption characteristic and mechanical effect of sandstone in Mogao
Grottoes，Dunhuang，China［J］． Science Technology and Engineering，
郝 耐1，2 张秀莲1，2 王淑鹏1，2 秦新展1，2 何满潮1*
（ 中国矿业大学（ 北京） 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室1 ，力学与建筑工程学院2 ，北京 100083）
摘 要 为研究水分对敦煌石窟围岩风化产生的影响，在室内进行砂岩岩样的无压吸水试验； 并对吸水后的试样进行单轴压
缩试验，分析吸水状态对砂岩力学参数变化的影响。试验结果表明，岩样的吸水特性曲线均表现为初始阶段吸水量迅速增
* 通信作者简介： 何满潮（ 1956—） ，男，河南灵宝人，博士，中国科学
院院 士，教 授，博 士 研 究 生 导 师。 研 究 方 向： 软 岩 工 程 和 力 学。
E-mail： hemanchao@ 263． net。
引用格式： 郝 耐，张秀莲，王淑鹏，等． 敦煌石窟砂岩吸水特性及