石窟寺典型工程地质变形破坏模式及分类体系

石窟寺是宝贵的石质文物,但在复杂的赋存环境、长期的侵蚀风化以及人类活动的影响下产生了多种变形破坏问题.详细的破坏分类体系是石窟寺病害表征、解释、分级和预测的基础,而目前尚未有针对石窟变形破坏的综合分类方法.分析了川渝、陇东地区代表性石窟的工程地质条件和变形破坏特性,将石窟的变形破坏类型分为工程地质成因型和工程地质力学型,建立了2大类、6亚类、24种破坏现象的综合分类体系.采用工程地质类比法对比了石窟变形破坏及诱发机制的南北差异.陇东石窟因卸荷产生的变形破坏更多,而微环境扰动带来的变形破坏在川渝石窟更突出.在微环境扰动下,川渝石窟的破坏响应以鳞片状剥落破坏为主,而陇东石窟以渔网状剥蚀破坏为主.      

渗水对龙门石窟的影响及治理分析

根据龙门石窟的工程与水文地质条件,结合3个试验洞窟(潜溪寺、皇甫公窟和路洞)的地质病害调查结果,分析了石窟内渗水的形成机理和破坏作用,并重点论述了治理措施。将龙门石窟的破坏作用系统地分为力学作用、化学作用、生物作用3类,认为化学作用对文物的损害最为直接和明显;提出了“堵”与“疏”相结合的治理方案,并进一步将治理方法细分为堵来源、堵出口、外部疏导和内部疏导4种。根据调查结果,指出对于渗水严重的洞窟不宜仅采取堵出口的方法,宜先采取外部封堵、外部疏导和内部疏导等措施,待渗水量明显降低之后再采取内部封堵的办法。     

石窟寺岩体劣化机制与失稳机理研究进展

石窟寺作为弥足珍贵的文化遗产,受内外因素的长期影响,劣化严重,失稳破坏现象频发.为更好地开展石窟文物保护,对石窟寺岩体劣化失稳方面的研究成果进行了系统梳理.在阐述石窟寺岩体劣化和破坏研究的基础上,从成岩环境与区域地质、区域环境演化、可溶盐、水环境、生物作用、洞窟形制和多因素耦合共7个方面总结了各因素作用下石窟寺岩体的劣化机制与失稳机理,指出石窟寺岩体劣化失稳的根本原因是内外因素引起的力学作用、物理作用、化学作用、生物作用的相互耦合,往往表现为岩体内部微结构产生-拓展-贯通-成网的演化过程,并导致岩体发生累积性和瞬时性破坏.石窟寺岩体的劣化失稳表现出多样性和地域差异性,研究思路可相互借鉴,并由此展望了石窟寺岩体保护在多尺度、多手段、多因素耦合和多区域联合等方面的研究需求.     

可溶盐对云冈石窟砂岩劣化试验及模型建立

可溶盐富集是造成山西大同云冈石窟砂岩表面风化、结构破坏及强度降低的重要地质病害之一。采取云冈石窟造像层砂岩,使用芒硝对该砂岩进行了劣化模拟试验。在可溶盐反复结晶过程中,对样品进行实时变形监测,并对循环过程中质量衰减、强度变化、孔隙分布等进行测试与分析。结果表明,可溶盐的发育是导致石窟表面粉化脱落的重要因素,严重降低了石窟文物本体的价值;可溶盐结晶导致岩石颗粒间胶结作用破坏,增大岩石孔隙率,岩石内部结构劣化严重影响岩石的刚度与强度等力学参数;对比无水芒硝与10水芒硝两种劣化试验,云冈石窟在相对干燥季节下,可溶盐晶体发育对岩石破坏更为显著。为了预测砂岩长期劣化过程,在试验数据基础上,初步建立起孔隙增长的对数模型和强度衰减的指数模型。     

安岳毗卢洞石窟水害成因分析

安岳毗卢洞是宋代四川密宗的主要道场之一,对研究巴蜀石刻历史有极高的文化价值和艺术价值。由于年代久远,石窟渗水病害以及由于渗水衍生的其他病害不同程度地对文物造成了破坏,渗水病害是石雕岩体的最突出的问题。为研究毗卢洞石窟水害成因,基于水文地质勘察成果,排除支持毛细水对石窟的影响,并结合地面径流、包气带水、凝结水和悬挂毛细水等影响因素,研究大气降水的周期变化和水汽-凝结水的循环交替变化带来的不稳定状态对石窟的影响,探究毗卢洞石窟水害成因模式。结果显示：石窟渗水来源为大气降水和空气中的水汽。大气降水到达地表后,部分由构造裂隙、风化裂隙、孔隙进入岩体形成包气带水,部分在雨强条件合适时形成地面径流,其具有周期变化的特点。大气降水的周期变化和水汽-冷凝水的循环交替带来的不稳定,加速了石窟水害的发生。研究成果可以为石窟寺水患防治和文物保护提供科学依据及参考。     

云冈石窟砂岩特性与岩石风化试验

侏罗纪期间河相沉积而成的巨大砂岩透镜体是云冈石窟遗产载体,在目前环境条件下,石窟砂岩风化破坏非常严重。通过现场调查表明,在不同细分层位,砂岩破坏特征与其沉积环境及沉积构造密切相关。进一步对不同风化程度样品进行测试,以此建立起风化评估依据,结果表明,该砂岩化学风化主要体现在胶结物流失、长石蚀变,而次生可溶盐结晶及冻融形成的物理破坏也不应该忽视。通过风化模拟试验可知：酸的溶蚀对石窟岩体表面造成直接破坏;同时,形成的可溶盐将导致砂岩出现由内而外劣化现象;由于岩石的孔隙率低、渗透性较差且胶结密实,岩石抵抗冻融作用相对较强。建议云冈石窟目前保护措施以治水为主,通过减少崖壁表面渗水、洞窟裂隙渗水及底部泥岩泛潮来减少上述劣化作用效应。     

福州台段316国道某大桥地质灾害成因分析研究

316国道某大桥自1990年通车以来长期运行，于1999年安全检查中发现大桥病害严重，后经修复加固后重新通车运行。文章以该大桥北岸(福州台)段的病害情况为例，分析其病害的成因．并着重从地质条件出发，在分析考虑场地土层类型与结构等地质条件的基础上，从地基稳定性和斜坡面的稳定性两方面进行相应的计算分析，并结合大桥发生损伤破坏地段范围和北岸(福州台)段深层位移监测成果资料进行综合分析评价。分析结果表明：北岸(福州台)段的不良地质条件及其对高填桥台方案的不适宜，是导致该大桥产生严重病害的重要原因；同时，通过加重补桩以阻止和控制桥台滑移的加固措施，其效果也并非最佳。因此，该大桥病害的修复加固方案设计和施工设计应充分考虑不良地质条件的主要控制作用因素。     

四川广元千佛崖石窟造像表面风化的环境地质问题分析

采用温湿度测试、石窟造像渗水实验、石窟造像吸水的红外成像、岩石特征分析等手段,对四川广元千佛崖石窟造像表面及其周围环境进行监测,以及对石窟造像岩石特征进行分析。结果表明：进深较大的窟室内外存在2℃~4℃的温差,岩石0~40 mm深度范围内温度与外界气温存在显著相关性;石窟造像岩石主要成分为长石、石英、黑云母及黏土矿物,岩石渗水率和吸水率高,表层风化程度高。环境和岩石特征揭示广元千佛崖石窟造像的风化机理为：石质文物棱角部位和小型石窟造像对温度的变化敏感,当气温出现变化时,其温度变化剧烈,而其他部位相对滞后,从而导致石窟造像表层岩石在热胀冷缩的应力下出现微裂隙,并随着微裂隙逐渐增大,石质文物表面出现疏松、起壳、鳞片剥落等病害。同时微裂隙的出现增加水入渗的途径并扩大水-岩相互作用的面积,含水矿物的水合压力和结晶压力使岩石内部结构疏松逐渐破坏;水化学作用导致可溶盐离子形成,并随水毛细迁移在石窟造像表面聚集,导致石窟造像表面酥碱、锈染、彩绘层空鼓等失去原真而破坏。最后提出在窟龛上面加盖窟檐和在崖顶及立面坡面刻槽疏排水流等石窟造像治理措施来减缓其表面风化。     

云冈石窟砂岩循环冻融试验研究

风化是云冈石窟目前所面临的严重的地质病害之一,温度和水分的变化是造成石窟岩体风化的重要原因,尤其是在循环冻融条件下岩体更易风化,因此,利用室内试验研究循环冻融条件下云冈石窟砂岩的物理力学性质,对于石窟岩体的稳定性评价和保护具有重要的意义。将取自云冈石窟的砂岩岩样分为饱水组、干燥组和对比组3组,通过对饱水组和干燥组岩样进行35次循环冻融试验,模拟云冈石窟砂岩的风化过程。在冻融循环开始前以及每5次冻融循环结束后,量测岩样的质量、体积,并利用超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波测试;利用INSTRON－1346岩石伺服试验机对上述3组砂岩岩样进行单轴压缩试验,并对试验后的岩样进行SEM微观结构分析。通过试验研究,得到不同含水状态下云冈石窟砂岩岩样的冻融破坏特征以及不同循环冻融次数后岩样体积、质量、超声波纵波波速、砂岩的单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、抗冻系数以及微观结构的变化,分析归纳出循环冻融条件下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。     

节理网络分形在隧道超前地质预报中的应用

分形几何是20世纪70年代以来发展起来的研究非线性现象的理论和方法,这一理论的诞生为揭示隐藏于混乱复杂现象的精细结构和定量地描述它们提供了理论基础。将分形的方法引入到隧道的超前地质预报,通过岩体结构面网络的分维值来预测岩体的质量。结合工程实例可以看出,岩体结构具有良好的分形特征,其分形描述可作为评价结构岩体质量的标准之一。分形方法是评价岩体性质的一个有效的方法,具有广泛的应用前景。     

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。     

内蒙古敖兰敖日格一带侵入岩地球化学数据的统计分析与地质解释

采用数理统计方法,研究了内蒙古科右中旗敖兰敖日格一带出露的侵入岩的岩石地球化学特征.选用地质因子分析等统计方法,分析了解体后的敖兰敖日格岩体、杜尔基岩体中各侵入岩填图单位的常量元素、区域主要成矿元素等地球化学数据,总结了侵入岩的岩石地球化学特征由老到新的演化趋势及变化规律,探讨了各主要岩体与区域成矿的相关性,为区域地质找矿提供依据.     

吉林省红旗岭矿区7号岩体群地质特征及对地质找矿的指导意义

红旗岭矿区的南东部存在7、32、33号三个岩体,一般统称为7号岩体群。7号岩体是矿区发现含铜、镍矿最大的岩体,32与33号岩体分布在7号岩体的北西部。通过对这三个岩体的地质特征进行分析,利用3Dmine软件建模技术,对三个岩体、岩相、矿体建立三维模型。对模型进行观察、分析,结合成岩成矿地质理论,发现三个岩体是由来自7号岩体的南东部深部岩浆源生成的,岩浆由7号岩体的南东部深部向北西方向侵入,地质历史上三个岩体是一个大岩体,只是经过长期的风化剥蚀和地质构造改造形成目前的3个岩体,显示7号岩体的南东部深部具有找矿潜力。     

基于Hoek-Brown准则确定核电工程场地岩体力学参数

岩体与岩石的力学强度之间既有内在联系又存在明显的差异,场地岩石力学指标对于评价场地岩体的力学特性至关重要。以三门核电场地为研究对象,在室内岩石力学试验的基础上,结合野外地质调查,综合考虑岩体结构特征和应力分布状态等因素的影响,引入定量描述岩体结构特征和风化程度的地质强度指标（GSI）,采用Hoek Brown强度准则估计岩体力学参数,同时与岩体地质力学分类法（RMR）计算得到的岩体力学参数进行对比分析。基于GSI的Hoek-Brown法得到的中等风化凝灰质砂岩、微风化凝灰质砂岩和微风化安山玄武岩岩体的c值分别为4.03、6.20、6.10 MPa,φ值分别为31.96°、34.37°和33.87°。基于RMR评分的Hoek-Brown法得到的c值分别为4.42、6.44、7.24 MPa,φ值分别为28.92°、32.43°和34.51°。研究结果表明,采用Hoek-Brown准则确定的核电场地岩体力学强度指标比较合理,得到的岩体力学指标可以作为核电站基础设计的重要依据。     

关于三峡永久船闸高边坡快速施工地质超前预报的几个问题

文中就三峡永久船闸高边坡快速施工地质超前预报的几个问题进行了讨论。分别研究了三峡永久船闸高边坡施工地质超前预报的必要性，提出了超前预报技术思路，最后就高边坡岩体反分析及反馈设计问题、施工地质超前预报问题以及与监测相适应的超前处理及防护进行了分析。     

珊瑚礁岩体完整性评价方法

目前,针对珊瑚礁的钻探勘察工作十分有限,获取完整的珊瑚礁地质信息则更加困难,而开展珊瑚礁的研究对我国海洋资源的开发和利用具有重要意义。结合西沙琛航岛地质调查,应用数字钻孔摄像技术,获得大量第一手地质资料,由于传统的岩体完整性指数（RMDI）法并不完全适用于珊瑚礁岩体的评价,考虑到珊瑚礁岩体的孔洞尺寸效应,提出珊瑚礁孔密度的概念,并建立孔密度函数和块度函数,从而改变传统RMDI法中的? 值,重新构建珊瑚礁岩体完整性密度函数（DIDF）,最终确定珊瑚礁RMDI值,对珊瑚礁岩体的完整性进行评价,并应用于南海西沙群岛琛航岛数字钻孔摄像工程地质勘测中CK1孔的完整性评价,与其他评价结果一致,结果表明：高精度的钻孔图像能为珊瑚礁岩体完整性评价提供可靠的结果;孔密度函数能反映钻孔壁孔洞对珊瑚礁岩体影响程度的轴向分布状况;DIDF能反映钻孔孔壁珊瑚礁岩体完整程度的轴向分布状况;RMDI法用于评价珊瑚礁岩体完整性是可行的,能实现全孔或局部孔段的珊瑚礁岩体完整性评价。     

风化岩体及风化带划分的数学地质方法研究

针对风化岩体仍无理想的定量分带方法这一研究现状与工程建筑需要的矛盾,提出了对能够检测工程环境岩体风化程度的各种物理力学、矿物学和声学指标进行方差分析和特殊的“动态方差分析”方法,可对岩体风化带的划分进行定量评价,达到某一试验结果下的最佳分带效果。还结合应用实例讨论了不同地质条件下分带计算过程的相应变化和应用效果。最后指出,工程岩体分类亦可借鉴本文的研究方法。     

石窟围岩地震变形破坏机制的数值模拟分析

针对石窟文物的特点,阐述了影响石窟围岩变形稳定性的主要因素和动力有限元分析方法。以敦煌莫高窟的2个典型工段为实例,通过对不同峰值加速度、频谱、持续时间的动荷载作用下石窟围岩位移场、应力场分布特征的数值模拟计算,揭示了岩土体及其附属构筑物在地震作用下的动态响应和变化规律,指出了窟体防护加固的重点部位。分析结果表明,随着地震动峰值加速度(PGA)、反应谱特征周期和地震动持续时间的增大,洞窟的位移和应力值明显增大,应力集中区的范围扩大,围岩损伤的可能性增加,稳定性降低。应力分布与洞窟数量、组合特性、几何形状和尺寸密切相关,并控制了石窟围岩的震害特征。其成果为石窟文物的科学保护和岩体抗震加固与减灾提供理论基础和实践依据。