頤和園萬壽山巖石物理力學(xué)試驗(yàn)與巖礦分析*

楊建民　秦　軍　巴振寧　張　龍　劉　瑗

頤和園萬壽山巖石物理力學(xué)試驗(yàn)與巖礦分析*

楊建民①②秦軍①巴振寧①②張龍③④劉瑗⑤

( ①天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程系天津300072)

( ②濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 天津大學(xué)) 天津300072)

( ③天津大學(xué)建筑學(xué)院建筑系天津300072)

( ④文物建筑測(cè)繪研究國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地( 天津大學(xué)) 天津300072)

( ⑤頤和園管理處北京100091)

摘要頤和園是世界文化遺產(chǎn)，其萬壽山山體既是文物本體，也是建筑、題刻等文物和草木的載體，保護(hù)萬壽山及其承載的文物，首先需要對(duì)萬壽山山體的特征和巖體特性進(jìn)行調(diào)查和研究。本文在查閱萬壽山地質(zhì)成因的基礎(chǔ)上，測(cè)量了巖層的產(chǎn)狀和多處裸露巖石的回彈值。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)散落巖塊進(jìn)行了密度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試。選取典型巖塊，開展薄片、光片和電鏡掃描等測(cè)試分析其礦物成分，獲得了萬壽山巖石礦物組成與含量比例。以上試驗(yàn)和測(cè)試成果是后期萬壽山山體工程地質(zhì)研究和石質(zhì)文物保護(hù)的理論依據(jù)，具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞萬壽山產(chǎn)狀巖塊強(qiáng)度指標(biāo)巖礦分析

( ①Department of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072)

( ②Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety( Tianjin University) ，Ministry of Education，Tianjin 300072)

( ③Department of Architecture，Tianjin University，Tianjin 300072)

( ④Key Scientific Research Base of Building Surveying and Mapping of Cultural Relics，State Administration for Cultural Heritage ( Tianjin University) ，Tianjin 300072)

( ⑤Beijing Summer Palace Administration，Beijing 100091)

1頤和園之萬壽山概況

頤和園位于北京市西北郊區(qū)，主體由萬壽山、昆明湖組成，占地約290hm，湖泊面積約占四分之三。萬壽山高58.59m，山體表面積約為36×104m2，佛香閣、四大部洲、畫中游等眾多古代建筑分布其上，山勢(shì)南北坡陡峭，東西向略緩。山體植被覆蓋度良好，南坡以檜柏為主，北坡以松樹為主，散落一些落葉喬木。山體等高線70m以下人工草坪較多，其間點(diǎn)綴許多碧桃、迎春等灌木，等高線70m以上山體為野生植被、樹木所覆蓋(白凈， 2014)。

萬壽山局部山體巖石裸露，部分裸露巖石出現(xiàn)風(fēng)化脫落現(xiàn)象，其中包括珍貴的砂巖質(zhì)藝術(shù)品類文物和石質(zhì)建筑，如清可軒、摩巖羅漢等。其余巖石裸露部分雖無石刻，但由于巖石位于半山腰，其風(fēng)化導(dǎo)致的巖石脫落或山石失穩(wěn)易對(duì)過往游客和下方的亭、閣、廊帶來安全隱患。對(duì)山體裸露巖石的監(jiān)測(cè)加固和石質(zhì)文物的保護(hù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2萬壽山現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

萬壽山的形成及演變歷史至少能追溯到2.5億年前的二疊紀(jì)。當(dāng)時(shí)西山已從海陸交替的振蕩狀態(tài)上升為陸地，地勢(shì)比較平坦，內(nèi)陸湖泊發(fā)育，氣候干燥炎熱，形成了構(gòu)成山體的“紅廟嶺砂巖”。在距今1.8～1億年的燕山運(yùn)動(dòng)過程中，西山又經(jīng)歷了翻天覆地的巨大變化，火山噴發(fā)，盆地陷落，崛起為山，從此奠定了西山巒峰疊嶂的基本地貌框架。本來萬壽山與玉泉山、香山等一脈相連，是西山伸入北京小平原的最東端，均為西山乃至燕山山脈的組成部分。但在后來地殼變動(dòng)過程中，八寶山斷裂的出現(xiàn)與劇烈活動(dòng)及強(qiáng)烈的侵蝕作用將萬壽山與其分開，形成平原腹地的一座小孤山(頤和園管理處， 2006)。

萬壽山海拔108.94m，山體為單斜構(gòu)造，山巖多為淡紅色、顆粒較大、質(zhì)地堅(jiān)硬，由白色石英粒和紅色鐵質(zhì)黏體組合而成，為堅(jiān)硬的長(zhǎng)石石英砂巖。巖層中夾雜的白色石脈為石英，由巖漿活動(dòng)形成。巖層大致為東西走向，向北傾斜，傾角比較大，局部巖層近似為直立產(chǎn)狀。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分區(qū)如圖1，其中2#、4#、5#、6#、8#、10#、12#、13#、18#、19#、24#、25#、26#、27#、34#、35#、37#和38#區(qū)內(nèi)有裸露巖石，對(duì)13#、18#、28#、35#和38#區(qū)內(nèi)巖層露頭處產(chǎn)狀測(cè)量具體結(jié)果如表1。

表1　巖層產(chǎn)狀

圖2　部分裸露巖石風(fēng)化狀況Fig. 2　Some pictures of weathered rocks

圖3　巖塊室內(nèi)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 3　Photos of laboratory test for rocks

自清朝乾隆年間修建至今歷近300年，萬壽山裸露巖石經(jīng)物理、化學(xué)和生物風(fēng)化作用，巖石表層有不同程度的蝕變，現(xiàn)場(chǎng)部分巖石風(fēng)化照片如圖2 所示。

3巖石物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試

為了更深入研究萬壽山巖石特性，針對(duì)其特性，在不破壞文物的前提下按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法開展了系列物理力學(xué)特性測(cè)試，包括原位試驗(yàn)的回彈值測(cè)量，室內(nèi)試驗(yàn)的密度、含水率、抗壓強(qiáng)度、凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、三軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試，獲得大量試驗(yàn)成果。

3.1原位回彈值測(cè)量

巖石回彈值的測(cè)量與產(chǎn)狀測(cè)量在現(xiàn)場(chǎng)同步開展，采用HT-225型回彈儀，測(cè)量了小有趣、福蔭軒、重翠亭、清可軒、畫中游、智慧海和轉(zhuǎn)輪藏共7個(gè)區(qū)域巖層的回彈值。參考國(guó)內(nèi)規(guī)程采用的方法：在每個(gè)區(qū)內(nèi)測(cè)得16個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算時(shí)舍去試區(qū)內(nèi)3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，然后計(jì)算出平均回彈值，再進(jìn)行修正，依修正后的回彈值及巖塊重度γ求出巖塊單軸抗壓強(qiáng)度(張咸恭等， 1988)，結(jié)果(表2)。

表2　回彈值測(cè)試獲得的各測(cè)區(qū)巖塊抗壓強(qiáng)度值

表中所列巖石回彈試驗(yàn)的沖擊角度為0°，巖石狀態(tài)為干燥

3.2室內(nèi)試驗(yàn)

圖3為室內(nèi)試驗(yàn)的部分照片，圖4 和圖5 為三軸剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和極限平衡狀態(tài)下的應(yīng)力莫爾圓。表3為室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。

表3　巖塊室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

圖4　三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4　Stress-strain curve of triaxial compression test

表4　巖石薄片鑒定結(jié)果

圖5　極限平衡狀態(tài)應(yīng)力莫爾圓 Fig. 5　Stress Mohr circle for limit equilibrium state

表3可以看出：各場(chǎng)地巖塊的密度均值較為接近，屬于天然石材密度的合理區(qū)間范圍； 各場(chǎng)地巖塊干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度幅值范圍為40～70MPa； 劈裂實(shí)驗(yàn)顯示各場(chǎng)地巖塊的抗拉強(qiáng)度接近； 巖石的吸水率實(shí)驗(yàn)顯示屬于石英石吸水率范圍(1%～2%)； 對(duì)比凍融循環(huán)前后各場(chǎng)地的石材抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)顯示經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，各場(chǎng)地試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較為明顯的降幅，說明場(chǎng)地巖石的含水量、溫度變化對(duì)于表層巖石的強(qiáng)度影響較為明顯。

現(xiàn)場(chǎng)原位回彈實(shí)驗(yàn)測(cè)得的巖塊抗壓強(qiáng)度值小于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下的抗壓強(qiáng)度值，其原因?yàn)閹r石表層為風(fēng)化層，強(qiáng)度較低，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)試樣在加工成標(biāo)準(zhǔn)試件時(shí)已經(jīng)將表層切除。

三軸壓縮試驗(yàn)中試件2#、3#和6#試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示其在低圍壓下呈脆性破壞，由1#～6#試件的極限平衡狀態(tài)應(yīng)力莫爾圓得巖塊的庫侖-納維爾強(qiáng)度準(zhǔn)則判據(jù)中黏聚力c值為2.741MPa，內(nèi)摩擦角φ值為48.9°。

4巖礦分析

為了進(jìn)一步了解萬壽山巖石力學(xué)性能和抗風(fēng)化能力的內(nèi)因，開展了巖石礦物分析和化學(xué)分析。利用偏光顯微鏡對(duì)透明礦物薄片進(jìn)行系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)測(cè)定，不透明礦物采用光片鑒定。

4.1薄片鑒定

薄片分析得到巖石主要由礫級(jí)碎屑、砂級(jí)碎屑、填隙物組成。巖石蝕變?nèi)?，蝕變礦物為絹云母。巖石礦化弱。巖石形成過程大致為：原巖為中細(xì)粒巖屑石英砂巖 → 區(qū)域變質(zhì) → 弱蝕變、弱礦化。鑒定名稱為變質(zhì)中細(xì)粒巖屑石英砂巖。

礫級(jí)碎屑為單晶石英、多晶石英、石英巖、硅質(zhì)巖，次棱-次圓狀，大小一般為2～5mm，星散狀分布。砂級(jí)碎屑為石英、巖屑。石英部分為單晶石英、部分為多晶石英，次棱角狀為主，部分次棱-次圓狀，大小一般為1～2mm，部分為0.5～1mm(粗)，少部分為0.25～0.5mm(中)，極少為0.1～0.25mm(細(xì))，定向分布。為巖石之主體部分。波狀消光明顯，可見帶狀消光。巖屑為硅質(zhì)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)巖、石英巖，并可見少量絹云母集合體、云母碎屑，次棱狀為主，部分次棱-次圓狀，大小一般為1～2mm，部分為0.5～1mm，少部分為0.25～0.5mm，定向分布。填隙物為黏土雜基。黏土雜基已變?yōu)榻佋颇?。絹云母片狀，片直徑?.005～0.02mm，部分為0.02～0.05mm，少部分為0.05～0.1mm，填隙狀分布。

4個(gè)巖樣薄片鑒定圖片(圖6)， 9個(gè)巖樣具體鑒定結(jié)果(表4)(張江滿， 2014a，2014b)。

4.2光片鑒定

光片分析得到巖石由透明礦物和不透明礦物組成，不透明礦物主要為黃鐵礦、白鈦礦、褐鐵礦。不透明礦物生成順序：黃鐵礦→白鈦礦→褐鐵礦。鑒定名稱為白鈦褐鐵礦化巖石。

圖6　薄片鑒定圖片F(xiàn)ig. 6　Pictures from thin section examination of rocks

圖7　光片鑒定圖片F(xiàn)ig. 7　Pictures from light section examination of rocks

黃鐵礦半自形-他形粒狀，星散狀分布，大小一般為0.001～0.005mm，部分為0.005～0.01mm。黃鐵礦光性特征：反射色為淺黃白色，未見雙反射，均質(zhì)，內(nèi)反射不顯。白鈦礦隱晶狀集合體呈似鈦鐵礦假象產(chǎn)出，星散狀分布。

表5　巖石光片鑒定結(jié)果

表6　巖樣主次成分含量

鈦鐵礦假象特點(diǎn)：半自形板狀，大小一般為0.05～0.1mm，部分為0.1～0.2mm，星散狀分布。褐鐵礦隱晶狀，多細(xì)分散狀分布，少部分集合體呈似黃鐵礦假象產(chǎn)出。黃鐵礦假象特點(diǎn)：半自形-他形粒狀，大小一般為0.01～0.02mm，少部分為0.02～0.03mm，極少為0.03～0.05mm，星散狀分布。褐鐵礦光性特征：反射色為灰色微帶藍(lán)色，未見雙反射，弱非均質(zhì)，內(nèi)反射顯(黃-棕色)。

4個(gè)巖樣光片鑒定圖片(圖7)， 9個(gè)巖樣具體鑒定結(jié)果(表5)(張江滿， 2014b，2014c)。

4.3化學(xué)全分析

根據(jù)國(guó)標(biāo)巖石化學(xué)分析方法，對(duì)萬壽山采樣巖石進(jìn)行了主次成分量、稀土元素和多元素測(cè)定，表6為主次成分量測(cè)定結(jié)果。

5結(jié)論

為了更好地保護(hù)世界文化遺產(chǎn)頤和園萬壽山及其文物，開展地質(zhì)勘查，對(duì)巖石取樣進(jìn)行了物理力學(xué)特性測(cè)試和巖礦分析，獲得大量試驗(yàn)結(jié)果，為后續(xù)巖質(zhì)文物保護(hù)提供重要依據(jù)，總結(jié)如下：

(1)巖層大致為東西走向，向北傾斜，傾角較大。

(2)巖塊干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度幅值范圍為40～70MPa，抗拉強(qiáng)度幅值范圍為1.87～4.74MPa，在低圍壓下呈脆性破壞，巖塊的庫侖-納維爾強(qiáng)度準(zhǔn)則判據(jù)中黏聚力c值為2.741MPa，內(nèi)摩擦角φ值為48.9°。

(3)經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，巖石的抗壓強(qiáng)度降低； 現(xiàn)場(chǎng)原位回彈實(shí)驗(yàn)測(cè)得的巖塊抗壓強(qiáng)度值小于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下的抗壓強(qiáng)度值。巖石表層風(fēng)化降低其力學(xué)強(qiáng)度。

(4)巖石主由礫級(jí)碎屑、砂級(jí)碎屑、填隙物組成。巖石蝕變?nèi)?，蝕變礦物為絹云母。石英和巖屑為其主要成分。不透明礦物主要為黃鐵礦、白鈦礦、褐鐵礦。巖石礦化弱。巖石形成過程大致為：原巖為中細(xì)粒巖屑石英砂巖→區(qū)域變質(zhì)→弱蝕變、弱礦化。鑒定名稱為變質(zhì)中細(xì)粒巖屑石英砂巖。

(5)化學(xué)成分中SiO2占80%以上。

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PHYSICAL-MECHANICALTESTANDMINERALANALYSISOFROCKFORMINGLONGEVITYHILLOFSUMMERPALACE,BEIJING

YANGJianmin①②QINJun①BAZhenning①②ZHANGLong③④LIUYuan⑤

AbstractThe Summer Palace in Beijing is one of the world’s cultural heritage protection units. Its Longevity Hill is located within the north portion of the Summer Palace. The Hill stands a series of cultural relics. For protection of Longevity Hill and its cultural relics, this paper investigates the characteristics of the hill and rock properties. It is based on the existed documentations of Longevity Hill’s geological origin. It measures the rock occurrence and rebound strength at different exposed locations. The physical and mechanical properties include density, tensile strength, compressive strength, shear strength. They are tested in laboratory. The mineral composition and content ratio of the rock at Longevity Hill are obtained using thin-sections, rays test, and SEM tests. The results of experiments and tests can have significance and application because they are the basis for geological research and stone relic protection of Longevity Hill．

Key wordsLongevity Hill， Attitude， Rock， Strength index， Rock-mineral analysis

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.016

* 收稿日期：2015-01-04; 收到修改稿日期： 2015-04-23.

基金項(xiàng)目：天津大學(xué)北洋學(xué)者-青年骨干教師計(jì)劃資助項(xiàng)目， 國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“頤和園營(yíng)建過程研究”(51108306)資助.

第一作者簡(jiǎn)介：楊建民(1979-)，男，博士，副教授，從事巖土工程方面的研究. Email: yangjianmin@tju.edu.cn

中圖分類號(hào)：P642.4; P585

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A