冻融循环作用下含结核砂岩风化特征实验研究

为研究云冈石窟砂岩孔状风化现象的形成机理,对现场选取的含结核砂岩进行冻融循环实验,利用激光共聚焦显微镜对砂岩结核、砂岩基质、以及结核与基质交界面进行观测,分析冻融条件下含结核砂岩裂隙扩展规律,建立了含结核砂岩冻融破坏力学模型。研究表明:随冻融循环周期增加,结核与基质交界面、结核中心、砂岩基质先后出现裂隙。各区域裂隙宽度随冻融循环周期增多均呈增长趋势,但3个位置裂隙发展过程存在差异,交界面的裂隙沿交界面延伸;结核中心产生新裂隙,同时早期裂隙扩展、延伸、汇交形成裂隙网络;砂岩基质裂隙发展缓慢。结核的存在改变了砂岩物理力学性质,显著增强了砂岩的非均质性,建立的含结核砂岩冻融破坏模型,揭示了裂隙一般易发育于交界面的特点。砂岩的非均质性是云冈石窟砂岩形成孔状风化的内在因素。     

云冈石窟水害及其治理措施

云冈石窟产是世界文化遗产,目前面临着严重的风化问题,其中水害是大佛最大的“灾难”。将云冈石窟的水害分为五种类型,分别阐述了五种水害类型的成因及其相应的治理措施,旨在说明云冈石窟水害的严重性、复杂性及其治理的必要性。     

基于里氏硬度计无损测量方法评价石质文物的风化程度

里氏硬度计因具有冲击能量小、对冲击方向要求不严格、对岩石的强度变化比较敏感等特点,使其可以应用于岩石的无损测量中。利用该仪器对山西大同云冈石窟片状风化岩面进行了测量,现场3个测量区域的平均里氏硬度值分别为224.8、225.8和236.4。而相同岩性的新鲜岩芯的平均里氏硬度值为661.4。根据上述测值,定义了风化程度,即风化岩石的里氏硬度值与新鲜岩石的里氏硬度值之比。据此,得到现场3个测量区域的风化程度分别为：0.34、0.34、0.36。根据文献总结的里氏硬度值与单轴抗压强度之间的公式,得出了上述3个测量区域的单轴抗压强度分别为6.06 MPa、6.13MPa、6.87MPa。     

基于扫描电镜图像和微观渗流模型的云冈石窟砂岩风化特征分析

风化作用、岩石微观结构、岩石微观渗流特性定量关系的研究是石窟文物有效保护的重要基础,砂岩风化作用严重影响了岩体上石窟文物的有效保护。本次研究使用扫描电镜（SEM）获得云冈石窟不同窟体砂岩的微观图像,根据图像增强和图像分割技术得到了岩石中颗粒和孔隙的数字特征参数,从微观角度建立了反映孔喉连接特性的渗流模型,得到了不同窟体岩石的局部水力传导系数,分析了数字特征参数、水力传导系数、风化作用之间的关系。结果表明,风化作用对石窟砂岩微观结构具有很大影响;砂岩孔隙平均长轴长度大小对应的风化程度分别是全风化或强风化、中等风化、微风化或未风化,长度分别为大于40 μm、25～35 μm、15～25 μm;风化程度越高、水力传导系数越大,随着风化程度的增高、水力传导系数的范围为1 × 10?9～1 × 10?4 cm/s;水力传导系数与孔喉尺寸、孔喉连通性密切相关;孔喉半径比增大时、水力传导系数也增大。     

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。     

基于激光点云的3维可视化方法

介绍了利用3维激光点云与数字影像,生成云冈石窟正射影像的原理与方法.采用激光扫描与数码相机同步获取石窟、石佛的3维点云与数字影像,建立点云与数字影像映射关系模型,将影像的纹理信息赋予3维点云模型,实现点云模型真彩色3维可视化,并在此基础上生成正射影像图.研究成果对于历史遗迹、文物保护与修复具有重要意义.     

云冈石窟的地震动力响应研究

选取云冈石窟中的典型石窟作为研究对象,建立了三维的石窟计算模型,首先输入水平方向地震荷载,计算了石窟岩体的位移和应力分布情况.结果表明,石窟的立柱部分和入口处易产生较大位移;石窟周围,尤其是洞窟开挖的薄壁部位,容易形成压应力、拉应力和剪应力的集中区,是石窟围岩容易破坏的地方.再输入竖向和横向的地震荷载进行比较,结果表明,竖向地震荷载对石窟拉应力的影响较横向地震荷载更为显著,但竖向地震荷载产生的压应力值远较横向地震荷载的为小;而横向地震荷载比竖向地震荷载更容易引起最大剪应力集中,即更容易导致石窟的破坏.     

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。      

基于红外热成像技术的石窟壁面凝结水形成规律研究

凝结水会加剧石质文物的风化,以往确定凝结水量的实验设备布置复杂、监测范围有限,并且无法实时反映凝结状态,从而制约了对凝结水形成过程的认识以及对石质文物凝结水的有效防治。文章利用红外热成像技术开展凝结水形成规律研究,实现了对石窟壁面凝结水的大范围无损连续观测,并利用微波水分测试技术进行验证。针对一次降雨事件,对云冈石窟第...     

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。