云冈石窟砂岩中碳酸盐胶结物化学风化及相关文物病害研究

云冈石窟地区云冈组上段砂岩中碳酸盐胶结物的含量普遍在10%以上,其主要矿物成分为含铁方解石和含铁白云石。在碳酸盐胶结物化学风化过程中发生的化学反应包括碳酸盐矿物溶解、Fe2+ 离子氧化及Fe3+ 离子水解,以及石膏、泻利盐、水碳镁石、球碳镁石等矿物结晶。水、砂岩中裂隙和层理发育、大气污染等是影响碳酸盐胶结物化学风化的主要外因。碳酸盐胶结物化学风化引发了多种文物病害,对云冈石窟的文物价值造成严重破坏。      

云冈石窟第9、10窟列柱地质病害特征与加固设计

以第9、10窟的列柱为代表,在现场地质病害调查、室内测试和分析计算的基础上,对其地质病害进行了研究,制定了支撑方案,并采用围岩与支撑结构耦合有限元模拟方法对支撑结构的可行性和加固效果进行了计算分析。结果表明,列柱底部的应力σ1和最大剪应力τmax集中明显,τmax的最大值出现在列柱底部,从受力条件看列柱是整个围岩中受力条件最差的部位,安全隐患最大;列柱的抗压稳定性系数都不能满足规范要求,处于不安全状态;采用框架式钢管混凝土支撑框柱的支撑方案,其应力分担效果明显,列柱上所承担的竖向荷载与现状相比平均降低了63%,与现状+Ⅷ度地震相比平均降低了70%;其抗压稳定性系数可以提高到3.76～4.02,能够有效地起到保护列柱的作用,使列柱处于稳定状态。     

基于PFC2D的花岗岩新生裂隙萌生扩展过程分析

岩石中新生裂隙萌生扩展过程是分析岩石工程性质的重要基础,可以使用颗粒流方法进行研究。本文使用花岗岩室内单轴压缩试验结果标定细观力学性质参数,使用图像处理技术确定花岗岩细观组分的实际分布,通过编制颗粒流代码来确定新生裂隙的类型和萌生扩展过程,分析了岩石变形破坏过程中不同类型新生裂隙变化的阶段性。结果表明,在单轴压缩条件下,花岗岩中新生裂隙萌生时首先出现剪切裂隙、然后出现拉伸裂隙,新生裂隙类型以拉伸裂隙为主;第一条新生剪切裂隙和拉伸裂隙分别出现在石英-黑云母、长石-石英之间;新生拉伸裂隙和剪切裂隙走向分别以331°～340°和以341°～350°为主;在峰值荷载前后新生裂隙扩展表现出明显不同的特点,在峰值荷载之前新生裂隙经受了压密、剪切裂隙增长、拉伸裂隙和剪切裂隙共同增长等阶段,在峰值荷载之后新生裂隙主要经受了拉伸裂隙和剪切裂隙快速增长阶段。本文结果对分析岩石变形破坏机理具有一定的参考价值。     

南响堂石雕表层的孔隙、粒度变化与环境污染

南响堂石窟石雕表面风化破损现象日趋严重,表现在文物表面粗糙、开裂或完全破损。以石雕表层粒度、孔隙特征为主要研究对象,采用偏光显微镜、电子显微镜、红外光谱及ZHISS图像分析仪等分析方法,对风化壳剖面分层的成分、结构等进行系统研究,总结出各分层孔隙、粒度变化的规律及成因。最终证实环境污染物对该石质文物起到后生改造破坏作用。     

基于CT影像的砂岩文物结构特征分析

对于砂岩文物,成分不同、结构不同,表面变化过程和变化结果也不同。以中国三处(石门山、云冈石窟、乐山大佛)砂岩文物为例,联合使用肉眼鉴定与灰度阈值法得到了砂岩文物CT图像中不同矿物成分的实际分布,分析了不同位置切片图像的成分特点与结构特点,研究了砂岩内部结构数字图像特征参数的变化规律,探讨了三处砂岩文物数字图像特征参数的区别及其与岩样外观表现的关系。结果表明,三处砂岩文物样品主要成分均为石英和长石,石英含量大小顺序是石门山砂岩>云冈石窟砂岩>乐山大佛砂岩;乐山大佛砂岩形状变化最小,云冈石窟砂岩次之,石门山砂岩形状最不规则;石门山砂岩纹理最复杂,乐山大佛砂岩最为简单;乐山大佛砂岩表面风化严重、但随深度增加变化不明显,云冈石窟砂岩距表面越深、风化越弱,石门山砂岩风化变化比较复杂。研究结果对石质文物保护具有重要的参考价值。