大足大佛灣石刻巖石微觀與力學(xué)特性研究

張鑫鑫，任偉中，吳習(xí)文，劉?？担F軍

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢，430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；3.興山縣公路管理局，湖北 興山，443700)

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大足大佛灣石刻巖石微觀與力學(xué)特性研究

張鑫鑫1,2，任偉中1,2，吳習(xí)文3，劉?？?,2，符貴軍1,2

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢，430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；3.興山縣公路管理局，湖北 興山，443700)

為了給大佛灣石刻造像的病害治理提供依據(jù)，采用X射線衍射、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)等對該區(qū)域內(nèi)巖樣的礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，石刻區(qū)域內(nèi)巖石的礦物成分以石英、鈉長石、方解石、黏土礦物為主，且由于黏土礦物和方解石的含量與分布不同，造成了砂巖外觀顏色的差異；區(qū)域內(nèi)巖層沒有變形改造，砂巖內(nèi)部存在較多微孔隙而泥質(zhì)砂巖、泥巖的結(jié)構(gòu)較為致密，且水對巖石的結(jié)構(gòu)有溶蝕、淋濾等破壞；區(qū)域內(nèi)巖石的力學(xué)性質(zhì)受黏土礦物的影響較大，通過力學(xué)試驗得出的基本力學(xué)參數(shù)顯示，與天然狀態(tài)相比，巖樣在飽水狀態(tài)下的強(qiáng)度明顯降低。

大足石刻；大佛灣；巖石；礦物成分；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性質(zhì)；黏土礦物

大足石刻是中國晚期石窟造像藝術(shù)的典范，也是世界石窟藝術(shù)中壯麗輝煌的一頁，而寶頂山大佛灣石刻造像是大足石刻的重要組成部分。古人利用大佛灣的天然地形，開鑿出規(guī)模宏大、氣勢恢弘、形態(tài)活潑生動的石刻造像，前后銜接，豐富多彩，保存比較完整，具有極高的歷史、藝術(shù)、科學(xué)價值，被聯(lián)合國教科文組織列入《世界遺產(chǎn)名錄》。

八百多年來，由于自然因素侵蝕、人為的擾動和破壞，大佛灣石刻遭到不同程度的破壞，引起研究人員的廣泛關(guān)注。汪東云等[1]對寶頂山石窟臥佛的滲水病害成因進(jìn)行分析，提出了圣跡池防滲、完善臥佛周邊排水系統(tǒng)、環(huán)境整治等治水建議。胡振瀛等[2]探討了大足石刻危巖體的穩(wěn)定性。張贊勛等[3]對大足石刻砂巖的層位、成分、成巖變化及其對石刻造像的影響進(jìn)行了分析，但未對大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)巖石的微觀力學(xué)特性展開研究。張兵峰等[4]認(rèn)為大佛灣石刻的病害情況與水密不可分，每種病害都能找到水的“影子”，而現(xiàn)階段石窟水害也是最嚴(yán)重的問題。方芳等[5]調(diào)查分析了千手觀音造像區(qū)的地下水滲流機(jī)制。在文物保護(hù)部門和相關(guān)人士的努力下，多項治理工程在大足石刻區(qū)得以實施，使石刻造像的局部病害有所緩解，但形勢依然不容樂觀，尤其是水害在該區(qū)域內(nèi)還普遍存在。

上述文獻(xiàn)大都是從宏觀層面上研究石刻造像，而巖體作為石刻造像的載體，其宏觀特性又主要取決于巖石的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)等微觀特性，因此研究人員通過多種手段來分析文物的病害成因以及巖石的風(fēng)化機(jī)理和力學(xué)性質(zhì)[6-9]。為了更加全面地了解大佛灣石刻區(qū)域的巖石特性，本文采用X射線衍射、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡等對該區(qū)域內(nèi)巖樣的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并通過巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)檢測砂巖的力學(xué)性質(zhì)，以期為大佛灣石刻造像病害治理提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣

本次研究的試樣是通過大佛灣石刻造像勘察孔獲得的巖芯樣(直徑54 mm)，鉆孔分布如圖1所示，巖芯主要取自石刻造像崖壁后側(cè)20 m范圍內(nèi)的鉆孔中。

石刻造像主要出露地層為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖。分別選取區(qū)域內(nèi)軟弱夾層、泥巖、砂巖進(jìn)行礦物成分分析、薄片鏡下觀察、SEM分析等。同時，在鉆孔所得巖芯中選取長度大于220 mm的砂巖巖樣，按照規(guī)范要求加工成高度分別為100 mm(共48個)和25 mm(共26個)的試樣進(jìn)行力學(xué)試驗。大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)的水害現(xiàn)象廣泛存在，在對砂巖的力學(xué)特性進(jìn)行檢測時應(yīng)充分考慮水的影響，為更加全面、準(zhǔn)確地獲得巖樣的力學(xué)參數(shù)，應(yīng)在天然和飽水狀態(tài)下分別進(jìn)行試驗，經(jīng)波速測定最終在試樣中篩選出3組進(jìn)行單軸壓縮試驗、8組進(jìn)行間接拉伸試驗、2組進(jìn)行三軸壓縮試驗。

圖1 鉆孔分布

1.2 檢測儀器與設(shè)備

通過粉晶X射線衍射試驗(儀器型號D8 Advance)檢測巖石的礦物成分。選取不同的巖芯狀砂巖和塊狀夾層狀巖樣制成切片，通過光學(xué)顯微鏡(儀器型號Axio Scope A1)分別在單偏光和正交偏光下觀察其顯微結(jié)構(gòu)，并通過掃描電鏡(儀器型號Quanta 250)獲得不同放大倍數(shù)下的巖樣微觀圖像。

根據(jù)《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)和《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》(GB/T 23561—2009)(第7、9、10部分),在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的RMT-150C巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)中完成砂巖巖芯試樣的單軸壓縮試驗、間接拉伸試驗(巴西劈裂法)和三軸壓縮試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 大佛灣石刻巖體的礦物成分

表1所示為通過粉晶X射線衍射方法得到的大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)砂巖、泥巖、軟弱夾層的礦物成分，每種類型選取了2～3個試樣檢測。由表1可見，大佛灣石刻區(qū)的巖樣雖類型不一，但主要礦物組成均為碎屑和黏土礦物，碎屑主要包括石英、鈉長石和方解石，黏土礦物主要有伊利石、綠泥石和蒙脫石，黏土礦物總含量為14%～32%，其具有很大的脹縮性，對巖石的力學(xué)性質(zhì)和工程性質(zhì)有顯著影響。特別要指出，砂巖含有10%左右的蒙脫石，蒙脫石親水性較強(qiáng)，遇水以后易膨脹，有利于巖石內(nèi)部微觀裂紋的擴(kuò)展，從而對巖石的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。

表1 大佛灣巖樣的礦物成分

另外，大佛灣石刻區(qū)巖石中鈉長石和方解石的總含量為31%～52%，而區(qū)域內(nèi)滲水病害又普遍存在，水的作用會導(dǎo)致鈉長石高嶺土化以及方解石膠結(jié)物溶蝕，致使石刻造像出現(xiàn)表層粉化和剝落、造像模糊、巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)[10]，如圖2所示。

(a)軟弱夾層風(fēng)化剝落 (b)石刻造像表層粉化

圖2 水對石刻造像的不利影響

Fig.2 Negative influences of water on the stone statues

2.2 大佛灣石刻巖體的微觀結(jié)構(gòu)

2.2.1 光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)分析

選取不同的巖芯狀砂巖，切薄片進(jìn)行鏡下觀察，如圖3所示，可以明顯看出，4#、32#、50#、52#試樣在同一切面內(nèi)顏色上存在很大差異，主要表現(xiàn)為團(tuán)塊的混雜、深色不連續(xù)的雜質(zhì)分布；部分試樣(34#、50#、52#)的切面存在清晰的層理構(gòu)造，但層理間有顏色差異。

在顯微鏡單偏光和正交偏光下觀察上述巖樣切面，結(jié)果見圖4，從圖中可以看出巖石碎屑主要是石英和長石，且以石英為主。在50#(圖4(f))和52#(圖4(k)、圖4 (l))巖樣中觀察到白云母，偶見巖屑，碎屑的分選中等，磨圓度差，沒有表現(xiàn)出定向排列的特征，表明沒有經(jīng)過變形改造。各

(a)4#試樣 (b)32#試樣 (c)34#試樣 (d)42#試樣 (e)50#試樣 (f)52#試樣

圖3 巖樣切面照片

Fig.3 Section images of rock samples

(a)4#單偏光 (b)32#砂質(zhì)正交偏光 (c)32#泥質(zhì)紋單偏光 (d)34#正交偏光

(e)42#單偏光 (f)50#泥質(zhì)部分正交偏光 (g)50#粗粉砂巖部分單偏光 (h)50#泥質(zhì)和粗粉砂巖接觸界線正交偏光

(i)52#單偏光 (j)52#正交偏光 (k)52#泥質(zhì)巖部分單偏光 (l)52#泥質(zhì)巖部分正交偏光

圖4 不同巖樣在顯微鏡下的特征圖

Fig.4 Characteristic images of different rock samples under microscope

巖樣的巖性均為砂巖，只是在顏色上存在差異，經(jīng)過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，顏色上的差異主要是由孔隙間的充填物不同導(dǎo)致的?？紫吨饕绅ね恋V物和碳酸鹽礦物充填，結(jié)合X射線衍射的礦物成分分析結(jié)果可知碳酸鹽礦物為方解石，黏土礦物主要包括伊利石、綠泥石和蒙脫石等。由于充填物的分布不均勻，被黏土礦物充填的地方顏色較深，而方解石充填處顏色較淺。

50#巖樣中顏色稍淺的部分為粗粉砂巖，其中也有暗紫紅色泥質(zhì)巖的紋層斷續(xù)平行分布，顯示出層理構(gòu)造。從鏡下觀察來看,泥質(zhì)巖集中的部分與粗粉砂巖集中的部分之間沒有截然平直的界線，表現(xiàn)出兩者之間的軟穿插關(guān)系，顯示出軟沉積壓實變形的特征，如圖4(h)所示。

52#巖樣呈暗紫紅色，不同顏色紋層顯示的層理構(gòu)造在顯微鏡下表現(xiàn)為泥質(zhì)、粉砂質(zhì)相間分布，泥質(zhì)顏色相對較深，在巖芯標(biāo)本上顯示為暗紫紅色，主要是黏土礦物，且見大量定向排列的碎屑白云母，淺色部分以粉砂級的碎屑含量較多為特征，如圖4(i)和圖4 (j)所示。

從區(qū)域內(nèi)地層中軟弱夾層部位取出的巖樣切面如圖5所示，顯微鏡觀察結(jié)果如圖6所示。圖6中淺色部分為細(xì)砂巖，碎屑粒度為0.01～0.25 mm，碎屑主要是石英和鈉長石，以石英為主，偶見白云母碎屑和巖屑，碎屑分選中等，磨圓度差，呈棱角狀，無定向排列特征，表明沒有經(jīng)過變形改造?？紫吨饕绅ね恋V物和碳酸鹽礦物充填(見圖6(a))。軟弱夾層巖樣中的泥質(zhì)巖部分由黏土礦物組成，含有綠泥石，可觀測到極細(xì)的白云母碎屑。泥質(zhì)巖分布于粒狀的細(xì)砂巖中，顯示出平行層理面的定向排列，可能是成巖過程中的壓實作用導(dǎo)致泥質(zhì)巖軟層定向排列，如圖6(b)所示。

圖5 軟弱夾層巖樣切面圖

(a)細(xì)砂巖部分單偏光 (b)泥質(zhì)巖部分正交偏光

圖6 軟弱夾層巖樣在顯微鏡下的特征圖

Fig.6 Characteristic images of rock sample from weak interlayer under microscope

2.2.2 SEM分析

通過掃描電鏡觀察大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)的砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖，發(fā)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)存在較大差異，如圖7所示。圖7(a)中砂巖的微觀結(jié)構(gòu)存在明顯的孔隙，結(jié)構(gòu)較為疏松；泥質(zhì)砂巖(圖7(b))結(jié)構(gòu)較為致密，幾乎看不到孔隙；泥巖(圖7(c)、圖7(d))結(jié)構(gòu)也比較致密，少見礦物顆粒，黏土礦物比較明顯。

(a)砂巖 (b)泥質(zhì)砂巖 (c)泥巖 (d)泥巖

圖7 不同種類巖樣的SEM照片

Fig.7 SEM images of different types of rock samples

部分砂巖試樣的SEM照片見圖8，在圖中可以明顯觀察到石英、蒙脫石、伊利石、方解石、鈉長石等通過X射線衍射檢測到的礦物成分，礦物形態(tài)不一，但各種礦物之間有著很好的共生關(guān)系，由于所處環(huán)境的影響導(dǎo)致不同礦物之間出現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象，將會改變砂巖的成分并對砂巖的其他性質(zhì)產(chǎn)生影響。

黏土礦物含量影響砂巖的孔隙發(fā)育程度和連通性，黏土礦物的種類和結(jié)晶程度也對砂巖的孔隙度和滲透性有重要影響[11]。大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)砂巖中所含黏土礦物主要以伊利石和蒙脫石為主，由于其發(fā)育不充分，未能將孔隙充填完整，從而導(dǎo)致微孔隙和微裂紋的存在，如圖9所示。

石刻區(qū)域內(nèi)遭受水害的影響，主要表現(xiàn)為造像崖壁上經(jīng)常出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，通過SEM圖像也能發(fā)現(xiàn)砂巖內(nèi)部礦物遭受水的溶蝕和淋濾而出現(xiàn)孔隙、結(jié)構(gòu)被破壞的現(xiàn)象，如圖10所示。

相比于砂巖，泥巖的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)就較為致密，很少能見到類似于砂巖中那樣的孔隙、裂縫的存在，礦物充填比較完整，結(jié)構(gòu)致密，如圖11所示。

圖8 砂巖試樣的SEM照片

圖9 砂巖中由于礦物充填不完整而形成的孔隙

Fig.9 Pores formed by under-filling of minerals in sandstone

圖10 砂巖內(nèi)部的溶蝕、淋濾現(xiàn)象

Fig.10 Phenomenon of corrosion and leaching in sandstone

圖11 泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)SEM照片

2.3 大佛灣石刻區(qū)砂巖的力學(xué)特性

2.3.1 抗壓強(qiáng)度

對3組砂巖巖芯試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，得到對應(yīng)的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖12)。取應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段作為彈性模量的計算區(qū)域，得到各巖樣在天然和飽水兩種狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，如表2所示。

水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在黏結(jié)力的減小、內(nèi)摩擦系數(shù)的降低和孔隙水壓變化[12]。

(a)9#試樣 (b)13#試樣 (c)28#試樣

圖12 不同試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.12 Stress-strain curves of different rock samples

由圖12可見，試樣在飽水狀態(tài)下的壓密階段歷時較長，這是由于所含黏土礦物(10%～20%)在吸水后產(chǎn)生膨脹力，導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂紋和孔隙的發(fā)育，在軸壓作用下孔隙體積被逐漸壓密，引起孔隙水壓的增加，對裂隙附近巖石產(chǎn)生附加應(yīng)力，再次觸發(fā)微裂隙的擴(kuò)展，從而使壓密階段變長；同樣，黏土礦物在遇水以后導(dǎo)致微裂紋的擴(kuò)展與萌生，顆粒間的黏結(jié)力在水的侵蝕和軟化作用下變?nèi)?，巖石強(qiáng)度會降低，在壓縮荷載的作用下黏土礦物所表現(xiàn)出的高壓縮性，使得巖石軸向應(yīng)變增大。

表2 單軸壓縮試驗結(jié)果

2.3.2 抗拉強(qiáng)度

分別考慮天然和飽水狀態(tài)，對8組巖樣進(jìn)行巴西劈裂試驗，結(jié)果如表3所示。從表3中可知：①幾組數(shù)據(jù)的離散系數(shù)在0.0116～0.0487之間，表明試驗結(jié)果穩(wěn)定可靠、誤差很??；②大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)砂巖在天然狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度為2.0～3.3 MPa，飽水狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度為1.3～2.2 MPa，暗紫紅色砂巖中黏土礦物和膠結(jié)物的含量要高于灰色砂巖中相應(yīng)礦物的含量，因此前者的黏結(jié)力和抗拉強(qiáng)度稍大；③與天然狀態(tài)相比，在飽水狀態(tài)下由于孔隙水的影響導(dǎo)致黏結(jié)力弱化，從而使砂巖的抗拉強(qiáng)度明顯降低，降幅在16%～44%，而且暗紫紅色砂巖的強(qiáng)度降低幅度明顯高于灰色砂巖，這是由于黏土礦物在水的作用下對巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的破壞，黏土礦物含量越高，破壞就越嚴(yán)重，對巖石力學(xué)特性的影響也就越大。

表3 巴西劈裂試驗結(jié)果

2.3.3 抗剪強(qiáng)度

本研究采用恒定圍壓條件下逐漸增大軸向壓應(yīng)力直至巖石破壞的方法即常規(guī)三軸壓縮試驗來檢測巖樣的抗剪強(qiáng)度。結(jié)合實際情況確定0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 MPa五級圍壓，分別考慮天然和飽水狀態(tài)進(jìn)行試驗，獲得兩組試樣的圍壓與相應(yīng)軸向最大壓應(yīng)力的關(guān)系，推算出巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)：內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ，見表4。

表4 三軸壓縮試驗結(jié)果

根據(jù)三軸壓縮試驗結(jié)果還可以得知，巖石的彈性模量隨著圍壓的增大而提高，天然狀態(tài)下為6～9.5 GPa，飽水狀態(tài)下為3～5.5 GPa；泊松比μ為0.23～0.35。試樣的破壞形式也隨著圍壓的變化而不同，圍壓小于2.5 MPa時試樣表現(xiàn)為拉伸破壞，圍壓達(dá)到2.5 MPa及以上時試樣表現(xiàn)為單斜面剪切破壞。

3 結(jié)論

(1)大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)巖石的礦物組成以石英、鈉長石、方解石、黏土礦物(伊利石、蒙脫石、綠泥石)為主，且黏土礦物含量(14%～32%)較高。

(2)大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)砂巖顏色上的差異主要是由黏土礦物和方解石的含量不同以及分布不均所引起的，同時通過對巖樣砂質(zhì)、泥質(zhì)層理的觀察發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)巖石形成過程中并沒有變形改造，是自然沉積的結(jié)果。

(3)大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)的砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖的微觀結(jié)構(gòu)存在較大差異。砂巖存在較多微孔隙，泥質(zhì)砂巖和泥巖的結(jié)構(gòu)較為致密；巖石內(nèi)礦物之間存在較好的共生關(guān)系，且滲水病害對巖石的微觀結(jié)構(gòu)造成淋濾、溶蝕等破壞。

(4)大佛灣石刻區(qū)域內(nèi)巖石的力學(xué)性質(zhì)受黏土礦物的影響較大。與天然狀態(tài)相比，巖樣在飽水狀態(tài)下的強(qiáng)度明顯降低。天然狀態(tài)下，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度為35～41.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為2～3.3 MPa，內(nèi)聚力為13～14.5 MPa，內(nèi)摩擦角為33°～41.5°；飽水狀態(tài)下，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度為28～37 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.3～2.2 MPa，內(nèi)聚力為8.5～10 MPa，內(nèi)摩擦角為27°～30°。

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[責(zé)任編輯 尚 晶]

Microscopic and mechanical characteristics of rocks near Big Buddha Bay Rock Carvings in Dazu

ZhangXinxin1,2,RenWeizhong1,2,WuXiwen3,LiuHaikang1,2,FuGuijun1,2

(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049, China; 3. Highway Administration of Xingshan County, Xingshan 443700, China)

In order to provide reference for disease management of the stone statues in Big Buddha Bay, mineral composition, microstructure and mechanical properties of the rock samples were analyzed by X-ray diffraction, optical microscopy, scanning electron microscopy and rock mechanics test system. The results show that mineral composition of the rocks in the stone carving area mainly includes quartz, albite, calcite and clay minerals, and different contents and distribution of the clay minerals and calcite result in different appearances and colors of the sandstone samples. There is no deformation in the rook strata in this area. Many micro-pores exist in sandstone and the structures of argillaceous sandstone and mudstone are denser. Corrosion and leaching by water damage the structure of the rocks. Clay minerals have a great influence on the mechanical properties of the rocks in this region. Basic mechanical parameters obtained by mechanical tests indicate that strength of water-saturated rock samples is significantly lower than that of rock samples in the natural state.

Dazu Rock Carvings; Big Buddha Bay; rock; mineral composition; microstructure; mechanical property; clay mineral

2017-03-24

國家自然科學(xué)基金資助項目(51379201)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51404239).

張鑫鑫(1993-)，男，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所碩士生.E-mail：zdx9212@139.com

任偉中(1967-)，男，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研究員，博士.E-mail：wzren@whrsm.ac.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.04.014

TU45

A

1674-3644(2017)04-0314-07