1緒論1.1問題提出的背景中國規(guī)模最大的古代石窟群之一——云岡石窟，位于山西省大同市西約16km處的武周山上，東經(jīng)113°20′，北緯40°04′?，F(xiàn)存主要洞窟45座，大小窟龕254個(gè)，石雕造像51000尊，最大者達(dá)17米，最小的僅有幾厘米。開鑿時(shí)間約在公元460年的北魏文成帝時(shí)期，是我國最大的石窟之一，與敦煌莫高窟、洛陽龍門石窟并稱為中國三大石窟藝術(shù)寶庫，該石窟群開鑿于一套侏羅紀(jì)的砂巖地層中，石窟依山開鑿，東西綿延1km，由東向西可分為東部、中部、西部3部分，東部諸窟(1—4窟)位于石窟東院，中部諸窟(5～20窟)、西部諸窟(21—53窟)位于石窟西院。洞窟迄今已有近1560年的歷史。ab圖1-1北魏酈道元描述：“鑿石開山，因巖結(jié)構(gòu)，真容巨壯，世法所稀，山堂水殿，煙寺相望”。云岡石窟堪稱中國佛教藝術(shù)巔峰之作，代表了公元5世紀(jì)世界雕刻藝術(shù)的最高水平，形象地記錄了印度及中亞佛教藝術(shù)向中國佛教藝術(shù)發(fā)展的歷史軌跡，反映出佛教造像在中國逐漸世俗化，民族化的過程。其雕刻技藝?yán)^承并發(fā)展了秦漢時(shí)代的藝術(shù)傳統(tǒng)，吸收并融合了外來的藝術(shù)精華，創(chuàng)造出獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格，對以后隋唐藝術(shù)的發(fā)展起了承上啟下的作用，并于1961年被國務(wù)院公布為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，2001年被列入世界文化遺產(chǎn)。一千多年來，自然及人為作用已經(jīng)使云岡石窟遭受了無法挽救的嚴(yán)重破壞。引起云岡石窟破壞的原因很多，涉及范圍廣而且復(fù)雜，破壞的類型也很多，總的來說，可以分為兩個(gè)大類：一類是由于自然界各種營力的作用引起的病害，如巖體開裂、失穩(wěn)崩塌、石雕溶蝕、風(fēng)化剝蝕、滲水以及鹽堿等；另一類是由于人類活動引起自然環(huán)境的改變，在改變后的自然營力作用下，引起原有病害的加劇或誘發(fā)新的文物環(huán)境蝕變等，溫度和水分的變化是造成石窟巖體風(fēng)化的主要原因，尤其是在循環(huán)凍融條件下巖體更易風(fēng)化，因此研究循環(huán)凍融條件下巖體的破壞對云岡石窟而言具有重要意義。圖2-2黃繼忠指出ADDINCNKISM.Ref.{0AFB703628E24d84A355BB2B992F63E8}[1]，我國北方石窟的巖體風(fēng)化以凍融、干濕交替、溫差作用等引起的物理風(fēng)化為主。石窟區(qū)屬于大陸性半干旱氣候，云岡石窟與同煤集團(tuán)毗鄰，由于長期受周邊采煤及燃煤的影響，空氣中煤的粉塵較多，大氣中二氧化硫的含量較高，極易形成酸雨、酸雪，對石窟保護(hù)工作造成了災(zāi)難性破壞，誘發(fā)洞窟砂巖風(fēng)化的主要地質(zhì)營力為凍融、溶蝕及次生可溶鹽，上述作用均以水體作為介質(zhì)。測試表明，云岡石窟砂巖表面風(fēng)化厚度達(dá)到20cm，對石窟文物本體造成了嚴(yán)重影響。云岡石窟地處山西省北部，屬于高寒地區(qū)，冬季最低氣溫可達(dá)-30℃，季節(jié)、晝夜溫差大，年積雪在20mm左右，凍結(jié)期為十月下旬至次年四月，凍結(jié)深度1.5m，全年無霜期約120天，致使石窟巖體承受的循環(huán)凍融引起的物理風(fēng)化作用較為嚴(yán)重。在凍融時(shí)涉及水的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，水的狀態(tài)變化起體積也將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致巖石的結(jié)構(gòu)遭到破壞，強(qiáng)度降低。因此，利用室內(nèi)試驗(yàn)研究循環(huán)凍融條件下云岡石窟砂巖的物理力學(xué)特性，對于石窟巖體的穩(wěn)定性評價(jià)和保護(hù)以及其他巖土工程具有重要的意義。項(xiàng)目以大同市《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略大同行動計(jì)劃》中，“云岡石窟保護(hù)和修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)”課題為背景。巖體裂隙中水分在低溫下發(fā)生相變，水結(jié)冰的過程中對巖體形成凍脹力。對云岡砂巖開展凍巖力學(xué)研究，就是要研究含裂隙及節(jié)理等原生缺陷的巖石，在凍結(jié)、融化及凍融循環(huán)條件下，其物理力學(xué)性質(zhì)宏觀基本變化規(guī)律、內(nèi)部水成冰引起的相變與水熱遷移特征，以及不同溫度條件和不同含水(冰)狀態(tài)引起的巖石宏細(xì)觀損傷演化規(guī)律，為寒區(qū)巖石工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論指導(dǎo)。巖體凍融循環(huán)作用對石窟巖體的體積、質(zhì)量、縱波波速以及單軸抗壓強(qiáng)度均有衰減效應(yīng)。同時(shí)凍融循環(huán)作用對巖體的宏觀形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)也會具有損傷效應(yīng)。通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場實(shí)際情況，研究云岡砂巖工程性質(zhì)的衰減規(guī)律。該選題的研究成果將有力促進(jìn)石窟地區(qū)巖體物理風(fēng)化機(jī)理的研究，并對今后云岡石窟巖體風(fēng)化病害治理設(shè)計(jì)提供理論支撐，同時(shí)對我國類似石窟寺保護(hù)也具有借鑒意義。1.2研究現(xiàn)狀多年來，國內(nèi)外學(xué)者對于低溫、凍融條件下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)以及破壞機(jī)制等方面進(jìn)行了大量的研究。研究方法多以室內(nèi)試驗(yàn)為主，數(shù)值模擬為輔。針對凍融條件而言，影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素包括凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)、巖石飽水程度、凍融速率以及巖石所處的水化環(huán)境等。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究通常通過改變其中部分參數(shù)，進(jìn)行對比分析來獲取不同凍融條件下的物理力學(xué)變化參數(shù)，用以分析巖石在不同的凍融狀態(tài)下的破壞機(jī)理與力學(xué)特性，數(shù)值模擬則通過熱傳遞理論，建立相變控制方程來獲得巖體在高低濕轉(zhuǎn)變之間力學(xué)性能的變化情況。Matsuoka[3]通過試驗(yàn)研究了三大巖類（28種沉積巖、8種火成巖和1種變質(zhì)巖）半浸在水中的凍融破壞過程，研究指出，毛細(xì)吸力和孔隙冰的凍脹作用是引起巖石凍融破壞的內(nèi)因。Nicholson等[4]對10種含有原生裂隙的沉積巖進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了原生裂隙對巖石凍融破壞的影響，并提出了4種凍融破壞模式。Chen等[5]通過對日本札幌的凝灰?guī)r在不同含水率下的凍融破壞試驗(yàn)，研究了含水率與未凍水含量對巖石凍融損傷強(qiáng)度的影響規(guī)律。張繼周[6]等對粉砂質(zhì)泥巖、輝綠巖和白云質(zhì)灰?guī)r在2種水化環(huán)境下（蒸餾水飽和，飽和并經(jīng)1%硝酸溶液浸泡侵蝕）分別進(jìn)行循環(huán)凍融試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)巖石凍融損傷劣化模式不僅與巖石自身特性、凍融溫度及循環(huán)次數(shù)有關(guān)，而且與所處環(huán)境有關(guān)，在酸性條件下，巖石凍融強(qiáng)度損傷較純水化條件下要劇烈得多。吳剛等[7]對焦作的大理巖進(jìn)行了60次循環(huán)凍融試驗(yàn)研究，歸納總結(jié)了循環(huán)凍融下大理巖的主要物理力學(xué)特性。楊更社等[8－9]就不同溫度對巖石細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)的影響，利用CT掃描技術(shù)，研究了不同凍結(jié)溫度條件下巖石內(nèi)部的細(xì)觀損傷擴(kuò)展機(jī)制、水分遷移、冰的形成及其損傷結(jié)構(gòu)的變化。王俐等[10]借助于紅砂巖凍融循環(huán)CT掃描試驗(yàn)，對4種典型的不同初始飽水狀態(tài)紅砂巖進(jìn)行凍融循環(huán)條件下?lián)p傷擴(kuò)展差異性研究，發(fā)現(xiàn)對于初始損傷相同的巖石，初始飽水狀態(tài)將決定凍融循環(huán)對其損傷擴(kuò)展的影響程度。張惠梅等[11]通過對紅砂巖和頁巖兩種巖石飽水后的凍融力學(xué)試驗(yàn)，研究了巖性及凍融循環(huán)等對巖石損傷力學(xué)特性的影響，并將巖石的凍融損傷劣化模式分為剝落模式、斷裂模式和裂紋模式。徐光苗等[12]通過對江西紅砂巖和湖北頁巖進(jìn)行不同凍結(jié)溫度（-20～20℃）和不同含水狀態(tài)（飽和與干燥）下的巖石單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，研究了單軸抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。曹曉毅[13]依據(jù)采樣地區(qū)氣候條件和礦區(qū)服務(wù)年限對木里細(xì)砂巖進(jìn)行了120次凍融循環(huán)和力學(xué)特性試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)次數(shù)對巖石強(qiáng)度、變形特性、黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律；G.Khanlari[14]等通過設(shè)置對照試驗(yàn)條件，研究了紅砂巖分別在不同濕度、溫度、凍融循環(huán)次數(shù)下的力學(xué)性能劣化規(guī)律，得出凍融循環(huán)作用的劣化效應(yīng)最明顯；蔣立浩[15]選取了硬巖類型中的花崗巖，研究了不同溫度區(qū)間下其單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值變形、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等力學(xué)特性指標(biāo)隨次數(shù)變化的規(guī)律；Chen[16]、王俐[17]、吳剛[18]等針對不同類型的巖石，通過設(shè)置不同含水率的對照組進(jìn)行了水分影響下凍融巖石的力學(xué)性能的變化規(guī)律試驗(yàn)研究；柳雪慶[19]通過制作不同孔隙率的類巖體相似材料，研究了不同孔隙飽水狀態(tài)下試件的力學(xué)性能參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律；Ni[20]、Tan[21]、郭長寶[22]、聞磊和李夕兵[23]等人分別通過控制凍融次數(shù)、溶液PH、溫度的方式，在壓縮加載條件下對花崗巖試樣進(jìn)行測試，記錄了材料的抗壓強(qiáng)度、軸向應(yīng)變和楊氏模量等特性的變化；范云松,芮雪蓮，蔣帥男等[24,25]選取了西藏地區(qū)強(qiáng)度較高的英安巖，開展了不同凍融循環(huán)次數(shù)（總計(jì)100次）下的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)研究，得出英安巖強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加逐漸降低，但是損傷的程度有限；寧作君[26]進(jìn)行了凍融循環(huán)作用對混凝土材料力學(xué)性能的影響試驗(yàn)研究，應(yīng)用牛頓物質(zhì)冷卻定律建立了動彈性模量與凍融次數(shù)的回歸分析方程；楊振坤和陳有亮[27,28]通過先將白砂巖、花崗巖巖樣放至壓力機(jī)上加載以形成初始損傷，研究了凍融循環(huán)作用下含初始損傷巖石的力學(xué)性能劣化規(guī)律；Liu[29]和Yin[30]、張慧梅[31]等通過巴西圓盤試驗(yàn)，研究了凍融后花崗巖、砂巖、頁巖抗拉強(qiáng)度的劣化規(guī)律。1.3本文工作內(nèi)容本文的主要工作就是依托山西大同大學(xué)的循環(huán)凍融對云岡砂巖的破壞機(jī)理研究課題和干濕交替及循環(huán)凍融作用下云岡砂巖損傷破壞機(jī)理研究（2018155大同市科技局基礎(chǔ)研究項(xiàng)目）來研究云岡石窟巖體破壞的宏細(xì)觀變化狀態(tài)，根據(jù)目前的巖石力學(xué)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和它的發(fā)展方向，開展了云岡砂巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)。本文對云岡石窟砂巖的飽水與干燥巖樣進(jìn)行了22次循環(huán)（每次循環(huán)24h，即凍結(jié)12h，融解12h）凍融試驗(yàn)研究。在凍融前后（間隔5次循環(huán)）量測了巖樣的幾何尺寸、質(zhì)量以及縱波波速，最后將巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和掃描電鏡觀測，結(jié)合循環(huán)凍融前后測得的巖樣超聲波縱波波速，獲得了循環(huán)凍融下砂巖的各種物理力學(xué)參數(shù)，分析歸納出循環(huán)凍融條件下云岡石窟砂巖的主要物理力學(xué)特性。本文以寒區(qū)巖體工程為背景，以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，采用理論與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究巖石在凍融循環(huán)條件下進(jìn)行單軸壓縮和三軸壓縮下的力學(xué)特性，旨在為寒區(qū)巖體穩(wěn)定性研究提供一定的理論指導(dǎo)。主要內(nèi)容如下：（1）試樣取自云岡礦砂巖新鮮巖塊，加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，提供縱波波速測定分組，進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)（0次，22次，）和不同圍壓（5MPa，10MPa）下的三軸壓縮試驗(yàn)。結(jié)合試驗(yàn)過程記錄和觀測得到的現(xiàn)象，分析凍融循環(huán)和圍壓對巖石力學(xué)特性的影響。利用常溫下的三軸壓縮數(shù)據(jù)以及凍融循環(huán)三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對壓縮作用下以及凍融共同作用下巖石的損傷演化過程和力學(xué)特性進(jìn)行研究，分析其損傷變量、總損傷演化率的變化規(guī)律，討論凍融循環(huán)作用對巖石力學(xué)特性的影響。1.4技術(shù)路線圖圖STYLEREF1\s12技術(shù)路線圖2基于單軸壓縮試驗(yàn)條件研究不同凍融循環(huán)作用下砂巖的強(qiáng)度變化2.1巖樣的制備云岡石窟主要開鑿于中厚層粗粒狀石英長石砂巖地層上，該地層與侏羅系中統(tǒng)云同組。因此，此次研究選用與云岡石窟同地層的云岡礦粗砂巖進(jìn)行試驗(yàn)。該套地層具有較疏松、吸水性較好的良好性質(zhì)，故而受凍融影響較明顯，是相對理想的凍融試驗(yàn)巖樣。試驗(yàn)巖樣選自云岡礦現(xiàn)場勘察的鉆孔樣。經(jīng)過濟(jì)南海威爾儀器有限責(zé)任公司的鉆芯取樣機(jī)處理巖石后得到的巖石樣品形狀是兩端不平整的圓柱體，還需要在姜堰市新宇機(jī)械制造廠的切割機(jī)上將經(jīng)過鉆芯取樣機(jī)處理后的巖石樣品切割成高度直徑符合實(shí)驗(yàn)要求的兩端平整的圓柱體的試件，采用巖石聲波儀測試各個(gè)巖樣的波速，篩選出波速相近的巖樣為試驗(yàn)巖樣，合計(jì)篩選出40個(gè)巖樣。將巖樣切割、打磨成直徑50mm,高100mm的圓柱形試樣。巖樣加工精度按國標(biāo)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50266-99)，試樣在采取、運(yùn)輸和制備過程中，應(yīng)該避免產(chǎn)生裂縫。圖2-1處理后試樣對篩選后的巖樣都放入烘箱中烘干48h至恒重，烘箱溫度為105℃(雖然該溫度下可能會引起巖石內(nèi)部出現(xiàn)損傷，但由于所有試樣都在這一溫度下烘干的，可以滿足試驗(yàn)可比性的原則)，記錄各自質(zhì)量；然后對巖石試件采用真空抽氣法進(jìn)行強(qiáng)制飽和，真空壓力值為0.1MPa，抽氣時(shí)間為6h，抽完進(jìn)水浸泡24h；最后取出稱量其飽和后的質(zhì)量以及在水中浸泡的質(zhì)量，這樣就可以得到巖樣的含水量以及孔隙度。2.2試樣準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)方法凍融試驗(yàn)概述：巖石的凍融試驗(yàn)是指巖石在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、升溫、融解，其抗壓強(qiáng)度有所下降，巖石試件凍融前的抗壓強(qiáng)度與凍融后的抗壓強(qiáng)度的比值，即為抗凍系數(shù)。根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50266－2013）進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，采用直接凍融法。本試驗(yàn)為更好模擬自然狀態(tài)的凍融條件，選用在冰箱中進(jìn)行凍結(jié)，共選取6個(gè)標(biāo)件總質(zhì)量2.9kg設(shè)定凍結(jié)約6小時(shí)，融化4小時(shí)為一個(gè)凍融循環(huán)，凍結(jié)溫度控制為-20℃，融化在室溫（實(shí)測20±2℃）下進(jìn)行融化。將飽和組和干燥組的云岡砂巖分開進(jìn)行凍融，飽和組和干燥組共進(jìn)行了22次凍融循環(huán)。本實(shí)驗(yàn)從下午13:50開始，具體時(shí)間表如下：表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11凍融時(shí)間表1凍13:50-19:408凍10:20-14:3015凍10:30-14:30融19:40-23:40融14:30-19:10融14:30-19:302凍23:40-3:409凍19:10-23:1016凍19:30-23:30融3:40-7:45融23:10-7:00融23:30-7:003凍7:45-12:0010凍7:00-11:0017凍7:00-13:30融12:00-16:25融11:00-16:10融13:30-20:304凍16:25-21:4011凍16:10-20:2018凍20:30-00:40融21:40-4:40融20:20-5:10融00:40-5:155凍4:40-10:0012凍5:10-9:4019凍5:15-9:15融10:00-14:10融9:40-14:00融9:15-13:456凍14:10-18:2013凍14:00-19:3020凍13:45-17:50融18:20-22:40融19:30-23:00融17:50-22:307凍22:40-6:2014凍23:00-5:0021凍22:30-2:50融6:20-10:20融5:00-10:30融2:50-8:0022凍8:00-13:00融13:00-15:00凍融試驗(yàn)開始前需將加工后的云岡砂巖放入恒溫約為108℃左右的烘烤箱內(nèi)烘干48h以上，待樣品質(zhì)量不變后放入干燥箱內(nèi)冷卻至室溫制備得到干燥組并稱取干燥組試件質(zhì)量md；再取部分干燥組干燥試樣進(jìn)行浸水4h、9h、18h等，確保在浸水的過程中液面始終高于試樣，制得浸水后的砂巖試樣，稱取浸水后質(zhì)量m，值得注意的是，飽水樣品從水中拿出后要用濕抹布輕輕粘去表面浮水。樣品放入冰箱前需用保鮮膜包裹，防止水分散失，如REF_Ref40772277\h圖26，之后使用自動凍融循環(huán)試驗(yàn)箱對所得飽水試樣進(jìn)行多組凍融循環(huán)試驗(yàn)。圖STYLEREF1\s22用保鮮膜包裹的試件每個(gè)凍融循環(huán)組試樣均設(shè)置常規(guī)對比樣本和凍融樣本。下表為時(shí)間含水率統(tǒng)計(jì)表表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s12含水率統(tǒng)計(jì)表試件標(biāo)號烘干質(zhì)量m（g）天然質(zhì)量m（g）浸水時(shí)間t（小時(shí)）浸水后質(zhì)量m（g）天然含水率ω（%）浸水后含水率ω（%）2951.212.422-2474.06480.069488.061.272.952-3492.24498.2418503.401.222541.243.313-2473.75479.759486.751.272.743-3472.76478.7618487.661.273.19SL1-147648239491.161.263.18SL2-249550139507.011.212.43S1-147748388S1-2478484882.3試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)使用的主要儀器有：（１）濟(jì)南海威爾儀器有限責(zé)任公司的鉆芯取樣機(jī)（２）姜堰市新宇機(jī)械制造廠的切割機(jī)；（３）ＭＴＳ－８１５全數(shù)字型液壓伺服剛性試驗(yàn)機(jī)及一些配套的輔助設(shè)備；（４）３０ｔ萬能材料壓力試驗(yàn)機(jī)及一些配套的輔助設(shè)備；（５）ＤＷ－ＦＷ３５１型低溫箱，溫度區(qū)間為－１０℃～－４０℃；（６）ＴＩＣＯ型超聲波混凝土測試儀；2.4試件編號及含義C常規(guī)試件，天然狀態(tài)下試驗(yàn)CL常規(guī)含裂隙砂巖試件CL1-1常規(guī)一條裂隙砂巖直裂隙長度=125/3mm前m=519.40后m=519.14gCL1-2常規(guī)一條裂隙斜裂隙長度55mm前m=504.59g后m1=504.01g位移控制0.002mm/sD1-1凍融常規(guī)m原=2900/6kg，單軸壓縮m=508.30gD1-2常規(guī)凍融22次，m原=2900/6kg，m=490.40D1-4常規(guī)凍融循環(huán)加載，卸載DL1-1凍融含裂紋m原=502.43C2-1常規(guī)循環(huán)加載，卸載m=450.51，h=102，d1=46.5，d2=50，SBH1-1含水飽和，浸水88小時(shí)，單軸反復(fù)加載，卸載，原3-2SBHR1-1含水飽和蠕變試驗(yàn)原2-2YK2-1單軸循環(huán)加載，卸載，圓孔試件，d外=104，d內(nèi)=57.52.5本章小結(jié)本章的主要工作是在云岡石窟現(xiàn)場取樣后，經(jīng)過濟(jì)南海威爾儀器有限責(zé)任公司的鉆芯取樣機(jī)處理取得的巖樣得到適合在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的圓柱形試件。3．凍融循環(huán)作用下巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)本次單軸壓縮試驗(yàn)是在遼寧工程技術(shù)大學(xué)進(jìn)行的，所用到的試驗(yàn)設(shè)備為吉林省長春試驗(yàn)機(jī)研究所金力試驗(yàn)技術(shù)有限公司研制的CSS-WAW系列電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(原產(chǎn)品型號CSS251微機(jī)控制電子液壓萬能試驗(yàn)機(jī))，如REF_Ref40772436\h圖31，是用于材料力學(xué)性能測試的新型機(jī)電液一體化試驗(yàn)設(shè)備。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)此產(chǎn)品采用的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和板卡式數(shù)字測量控制系統(tǒng)及MOOG閥，自動、精確地測量和控制試驗(yàn)力、位移和變形等試驗(yàn)參數(shù)，一種多功能、高精度的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)?？捎糜诮饘俸头墙饘俨牧系睦?、壓縮、彎曲、剪切等試驗(yàn)。還可以進(jìn)行試驗(yàn)力、變形等速率控制以及恒試驗(yàn)力、恒變形等試驗(yàn)。各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和屏幕顯示，并由打印機(jī)自動打印試驗(yàn)曲線和試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、油源（控制臺）、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)及板卡測量控制系統(tǒng)四部分組成。試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)采用高剛度負(fù)荷框架、雙試驗(yàn)空間、下置液壓缸、全行程導(dǎo)向結(jié)構(gòu),采用美國MOOG直接驅(qū)動閥和板卡測量控制系統(tǒng)，抗污染能力強(qiáng)，控制范圍寬而平穩(wěn)。采用高精度傳感器、引伸計(jì)及德國高分辨率光電編碼器位移測量系統(tǒng)，配有拉伸液壓夾具和壓縮、彎曲試臺，測量精度高、試驗(yàn)功能多、使用方便、安全可靠，是力學(xué)試驗(yàn)和質(zhì)量檢測不可缺少的先進(jìn)儀器。試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、油源（控制臺）、計(jì)算機(jī)及板卡測量控制系統(tǒng)四部分組成。主機(jī)主機(jī)由機(jī)座（包括液壓缸體及活塞）上橫梁、移動橫梁、液壓夾具、傳動絲杠、光杠和試臺等部分組成。液壓缸24固定在機(jī)座中央，液壓缸的活塞通過傳感器10與試臺11相聯(lián)（精密型）。光杠20固定在試臺11上，其上端固定有上橫梁17，形成移動框架，由活塞驅(qū)動而上下運(yùn)動。移動橫梁14通過傳動螺母支持在與底座相聯(lián)的絲杠12上，它把試驗(yàn)空間分成兩個(gè)部分，上為拉伸空間，下為壓縮空間。移動橫梁14的上下運(yùn)動是由控制盒23上的“上升”、“下降”按鈕操作的。當(dāng)按下按鈕時(shí)即驅(qū)動減速器的電動機(jī)，通過鏈輪、鏈條、絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動移動橫梁升降，調(diào)整試驗(yàn)空間。液壓夾具15、16，通過操作控制盒23上的按鈕，控制油源上電磁換向閥使其夾緊或松開。油源油源由油泵、油箱、驅(qū)動電機(jī)以及手動控制閥、MOOG閥等組成。手動控制閥包括流量調(diào)節(jié)閥和壓力調(diào)節(jié)閥。它的作用是控制油泵供給液壓缸的壓力、流量和方向?？刂崎y是滑閥結(jié)構(gòu)，閥桿可通過控制旋鈕手動操作，使之加荷或卸荷。MOOG閥是一個(gè)電液伺服直接驅(qū)動閥,與手動控制閥并行安裝,其接受板卡測控系統(tǒng)的控制信號,可精確控制試臺升降。油泵是變量柱塞泵，通過交流電機(jī)驅(qū)動。油箱內(nèi)裝30號透平油。測量控制系統(tǒng)試驗(yàn)力測量系統(tǒng)由力傳感器、力放大器板卡組成，精密型采用高精度輪輻式負(fù)荷傳感器，安裝在主機(jī)試臺與活塞間；標(biāo)準(zhǔn)型采用液壓傳感器，安裝在回油管上。變形測量系統(tǒng)由引伸計(jì)、變形放大器板卡測量系統(tǒng)組成。引伸計(jì)可根據(jù)試驗(yàn)要求和技術(shù)規(guī)格選定,常規(guī)為標(biāo)距50毫米，量程為5毫米。試臺位移測量由位移傳感器和伺服控制板卡組成。位移傳感器固定于試臺11上，位移傳感器一端拉線經(jīng)螺釘固定于底座上，活塞上升時(shí)拉線，推動光電編碼器軸正轉(zhuǎn)，活塞下降時(shí)拉線由位移傳感器帶動收回使編碼器反轉(zhuǎn)，從而輸出活塞的位移信號。硬件控制板卡由兩塊放大器卡和一塊伺服控制卡等組成，板卡可以根據(jù)計(jì)算機(jī)插槽最多可擴(kuò)展10個(gè)測量通道，測量分辨率達(dá)10000碼，各通道可配置多臺傳感器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示器、鍵盤及打印機(jī)等組成?？蓪?shí)時(shí)采集測量值并將各試驗(yàn)操作納入計(jì)算機(jī)控制。圖3-2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3.1試驗(yàn)步驟試樣按以下方法步驟進(jìn)行試驗(yàn)：（1）每1塊巖樣為一組，共六組編號：（2）測量所有試樣的質(zhì)量、幾何尺寸以及超聲波；（3）隨機(jī)抽出2塊，做新鮮巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；（4）同時(shí)將剩下4組飽水試樣放入低溫箱，溫度為－２０℃，凍結(jié)１2ｈ，達(dá)到時(shí)間后取出放入20℃蒸餾水中中解凍12ｈ（水浸滿巖樣），２４ｈ為一個(gè)循環(huán)（24h為一個(gè)循環(huán)是為了模擬天然環(huán)境下的凍融周期），如此反復(fù)（凍結(jié)恒低溫箱為海爾BD–100LT低溫?cái)?shù)控冷柜，該冷柜最低溫度可控制在-50℃，溫度自動控制恒溫，溫差不超過1℃。）；（5）試樣凍融循環(huán)后，測量其質(zhì)量、幾何尺寸以及超聲波，并隨機(jī)抽出一組試樣做對應(yīng)單軸壓縮試驗(yàn)，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，22次。對進(jìn)行22次的巖樣進(jìn)行每次凍融循環(huán)后的質(zhì)量測定(在常溫、飽和狀態(tài)下測得)，以記錄其質(zhì)量變化規(guī)律，并對其余每塊巖樣進(jìn)行凍融過程的圖形記錄。3.2試驗(yàn)過程及現(xiàn)象首先，先將常規(guī)組試件與凍融組試件先后放置于試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，如圖ab圖3-3試驗(yàn)中觀察到試件出現(xiàn)肉眼可見的裂縫后停止加壓，將試件取出并進(jìn)行各種物理力學(xué)指標(biāo)測試。D1-1為凍融常規(guī)組，D1-2為常規(guī)凍融循環(huán)作用進(jìn)行22次試驗(yàn)組，D1-4為常規(guī)凍融循環(huán)下循環(huán)加載、卸載組。對砂巖巖樣在凍融循環(huán)作用條件下的所出現(xiàn)的物理破壞特征進(jìn)行分析。abe圖3-4試件單軸壓縮試驗(yàn)后圖示為典型砂巖巖樣C1-1、CL1-1、D1-1、D1-2和D1-4隨循環(huán)凍融次數(shù)的外觀變化照片，試樣C1-1、CL1-1是在常規(guī)下進(jìn)行的單軸壓縮試驗(yàn)試樣，通過觀察發(fā)現(xiàn)C1-1有大量碎末掉落，且有一條裂縫貫穿試樣全長，CL1-1有較少碎末掉落，出現(xiàn)了多條裂縫，其中一條裂縫較長貫穿試件始終，另外幾條裂縫較短較淺。D1-1是在凍融常規(guī)下進(jìn)行的單軸壓縮試驗(yàn)，巖樣的外表面在凍融循環(huán)作用的影響下變化很明顯，在巖樣的邊緣四周有大量的顆粒發(fā)生脫落；試驗(yàn)前巖樣的外表面平滑，顆粒未見脫落現(xiàn)象，并且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀破壞現(xiàn)象，而在凍融循環(huán)進(jìn)行過程中，可以發(fā)現(xiàn)顆粒脫落及裂縫從試樣的頂部邊緣以及試樣周圍開始出現(xiàn)。從以上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，我們可以初步得出以下結(jié)論：一是巖樣在凍融破壞中受荷載加載次數(shù)以及方式的影響比較大；二是巖樣在凍融過程中產(chǎn)生裂縫、顆粒脫落等現(xiàn)象與巖樣的本身某些物理特性存在一定的聯(lián)系，比如與巖樣本身的層理性、本身的內(nèi)部構(gòu)造等有一定的關(guān)系。而且也有存在預(yù)制裂紋的試樣，這些試樣的破壞基本是始于巖樣的裂縫部位，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加的影響下破壞沿著巖樣的缺陷部位發(fā)展，通過現(xiàn)場調(diào)查，云岡石窟的演替具有明顯的層理性和裂縫、而且層理性越強(qiáng)，裂縫部位越多的巖體遭受風(fēng)化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果在現(xiàn)場云岡石窟巖體風(fēng)化特征得到了較好的印證，可見凍融作用是云岡石窟巖體風(fēng)化作用中不可忽略的一個(gè)重要因素。3.3試件物理力學(xué)性質(zhì)試樣編號直徑(mm)高度(mm)面積(mm2)最大負(fù)荷(KN)單向抗壓強(qiáng)度(MPa)最大位移(mm)常規(guī)C1-1501001963.49583.6779649142.61682.055556常規(guī)含一條裂紋CL1-1501001963.495126.658564.506671.70707凍融D1-1501021963.495110.187756.118162.090909凍融D1-2501011963.49561.2883431.21392.651515凍融D1-4501021963.49560.7345330.931841.555556表2-3試件物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)上表中測得巖樣在凍融循環(huán)影響的某些物理力學(xué)性質(zhì)，通過D1-1、D1-2、D1-4、C1-1和CL1-1試樣的比較，可以發(fā)現(xiàn)：1、在凍融影響下，D1-1試件最大負(fù)荷與C1-1相比增大了不少，單向抗壓強(qiáng)度也有所增加，同時(shí)位移量也出現(xiàn)微量增加。2、D1-2試樣與C1-1試樣相比最大負(fù)荷有減少，單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)減小了大概1/4，但最大位移卻增加了部分。3、D1-4試件與C1-1試件相比最大負(fù)荷降低，單向抗壓強(qiáng)度減少了，最大位移量有所減少。通過D1-1、D1-2、D1-4、C1-1和CL1-1以上測得的試樣在凍融循環(huán)過程中的一些力學(xué)指標(biāo)可以明顯看到:試樣的最大負(fù)荷、單向抗壓強(qiáng)度、位移量隨著凍融循環(huán)條件次數(shù)的增加基本呈現(xiàn)減小的趨勢，這與試樣在凍融循環(huán)作用下巖樣內(nèi)的結(jié)合水凍結(jié)，土中水向凍結(jié)區(qū)遷移集聚有關(guān)。3.4凍融循環(huán)作用下砂巖的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線分析圖3-5C1-1圖3-6CL1-1圖3-7D1-1圖3-8D1-2圖3-9D1-4SEQ圖2-14_D1-4\*ARABIC1由上圖可明顯看出，上述巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢大致相同，除增減速度略有不同?？偟膩碚f，常規(guī)凍融循環(huán)過后的巖樣比常規(guī)新鮮巖樣的彈性階段有所延長，彈性模量降低很多，但彈性階段過后的切線模量有所增大。而凍融循環(huán)22次的巖樣D-2變化最為明顯，其進(jìn)入應(yīng)力峰值時(shí)所發(fā)生的應(yīng)變比任何一種試件都要大，尤其是相對于常規(guī)巖樣，其進(jìn)入應(yīng)力峰值時(shí)明顯需要發(fā)生更大的應(yīng)變，同時(shí)其壓密階段非常明顯，比其他巖樣都要長很多。D-2巖樣最大的特點(diǎn)是其峰值應(yīng)力明顯要低于新鮮巖樣，可見凍融循環(huán)次數(shù)增加后砂巖強(qiáng)度已經(jīng)發(fā)生劣化。對于凍融循環(huán)加載后又卸載的巖樣，其所在的彈性階段走向與常規(guī)巖樣大致相同，但其峰值應(yīng)力與新鮮巖樣相比有所降低但降低不大。再觀察到有裂紋的巖樣，其整個(gè)過程與新鮮巖樣相比差別不大，僅僅是其彈性階段有所延長。同時(shí)總體對比來看，凍融循環(huán)次數(shù)大時(shí)，會極大地降低巖樣破壞過程中的應(yīng)力峰值，凍融循環(huán)次數(shù)增加后，砂巖的強(qiáng)度明顯劣化。3.4本章小結(jié)本章的主要工作是在遼寧工程技術(shù)大學(xué)借助吉林省長春試驗(yàn)機(jī)研究所金力試驗(yàn)技術(shù)有限公司研制的CSS-WAW系列電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)完成的，通過對D1-1、D1-2、D1-4、CL1-1和C1-1試樣的比較得出了試樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣的強(qiáng)度明顯發(fā)生劣化。而在三軸壓縮試驗(yàn)下是否有同樣結(jié)論，這很值得我們繼續(xù)試驗(yàn)研究。4凍融循環(huán)下砂巖的三軸壓縮試驗(yàn)本次三軸壓縮實(shí)驗(yàn)ADDINCNKISM.Ref.{030D23EC1C454cffA0529B7AD2404624}[4]是在太原理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成的，試驗(yàn)所采取的試件取自與云岡石窟同地層的巖體。三軸壓縮試驗(yàn)是指有側(cè)限壓縮和剪力試驗(yàn)。使用的儀器為三軸剪力儀（亦稱三軸壓縮儀）。三軸剪力儀的核心部分是三軸壓力室，并配備有軸壓系統(tǒng)、側(cè)壓系統(tǒng)和孔隙水壓力測讀系統(tǒng)等。試驗(yàn)用的土樣為圓柱形，其高度與直徑之比為2?2.5。試樣用薄橡皮膜包裹，使土樣的孔隙水與膜外液體（水）完全隔開。在圖4-1三軸剪力儀給定的三軸壓力室周圍壓力作用下，不斷加大軸向附加壓力，直至試樣被剪破按莫爾強(qiáng)度理論計(jì)算剪破面上的法向應(yīng)力與極限剪切應(yīng)力。三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果可以確定土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力。與直剪試驗(yàn)比較，三軸試樣中的應(yīng)力分布比較均勻，可供在復(fù)雜應(yīng)力條件下研究土壤的抗剪強(qiáng)度特性。由于能準(zhǔn)確測定土樣孔隙水壓力的變化，因此能定量獲取土壤中有效應(yīng)力的變化狀況。但土樣的制備工作比較煩瑣，易受擾動。另外，常用的三軸剪切儀的實(shí)際中主應(yīng)力等于小主應(yīng)力，將其成果應(yīng)用到平面變形或三向應(yīng)力狀態(tài)的研究中會有所不符。4.1實(shí)驗(yàn)原理三軸試驗(yàn)采用圓柱形試樣，可以對試樣的空間三個(gè)坐標(biāo)方向上施加壓力。試驗(yàn)時(shí)先通過壓力室內(nèi)的有壓液體，使試樣在三個(gè)軸向受到相同的周圍壓力（其大小由壓力計(jì)測定），并維持整個(gè)試驗(yàn)過程不變。然后通過活塞向試樣施加垂直軸向壓力，直到試樣剪壞。若由活塞桿所施加的試樣破壞時(shí)的壓力強(qiáng)度為（偏應(yīng)力），小主應(yīng)力是周圍壓力，中主應(yīng)力和相等。則由一個(gè)試樣所得的和，可以繪制一個(gè)極限應(yīng)力圓。對同一種土，另取幾個(gè)試樣，改變圍壓，試樣剪壞時(shí)所加的軸壓力也會改變，從而又可繪制另幾個(gè)極限應(yīng)力圓。這樣，在不同周圍壓力下試驗(yàn)，就可得到一組（最少三個(gè)試樣）極限應(yīng)力圓。作這些應(yīng)力圓的公切線，便是土的抗剪強(qiáng)度包線，由此包線可求得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和c。4.2試驗(yàn)現(xiàn)象分析本試驗(yàn)采用C-2、D-1和D-2三組試樣，其中C-2的加載為10MPa、D-1的加C-2圖4-2C-2試件三軸壓縮試驗(yàn)后載為10Mpa、D-2的加載為5Mpa，用三軸壓縮儀測得了D-1、D-2兩組試樣的在加載作用下的軸向位移和徑向位移。下圖為C-2、D-1和D-2的三組試樣在試驗(yàn)機(jī)加載作用下的破壞形態(tài)：圖4-3D-1試件三軸壓縮試驗(yàn)后圖4-4D-2試件三軸壓縮試驗(yàn)后從上圖中可以看出，C-2試樣在凍融循環(huán)影響下受荷載的作用表現(xiàn)出巖塊有數(shù)條裂縫的產(chǎn)生，并且隨著加載作用的持續(xù)時(shí)間加強(qiáng)，巖樣整體破壞從產(chǎn)生的裂縫處開始破壞，并且最終沿著裂縫分裂為數(shù)個(gè)小塊，表面顆粒有輕微脫落現(xiàn)象；D-1試樣在凍融循環(huán)影響下受荷載作用表現(xiàn)出巖樣形成了一條裂縫，并且沿著裂縫分裂為了兩塊，形成的斷裂面比較平滑，斷裂面也沒有明顯的顆粒脫落物；D-2試樣在凍融循環(huán)影響下受荷載作用表現(xiàn)出一條斜裂縫，隨著荷載的增加巖樣沿著裂縫分裂為兩個(gè)破裂巖體，所形成的斷裂面層次不齊，有些許細(xì)顆粒物脫落。4.3凍融循環(huán)作用下試件三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變圖分析圖4-5C-2試樣三軸壓縮試驗(yàn)下軸向應(yīng)力-應(yīng)變圖圖4-6C-2試樣三軸壓縮試驗(yàn)下軸向應(yīng)力-徑向應(yīng)變圖圖4-6D-1試樣三軸壓縮試驗(yàn)下軸向應(yīng)力-應(yīng)變圖圖4-7D-1試樣三軸壓縮試驗(yàn)下軸向應(yīng)力-徑向應(yīng)變圖圖4-8D-2試樣三軸壓縮試驗(yàn)下軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變圖圖4-9D-2試樣三軸壓縮試驗(yàn)下軸向應(yīng)力-徑向應(yīng)變圖在三軸壓縮試驗(yàn)中，從軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線中分析可得，對于常規(guī)巖樣而言，當(dāng)施壓越大時(shí)，巖樣的軸向應(yīng)力峰值越大，同時(shí)，峰值處軸向應(yīng)變明顯增大數(shù)倍。對比同等施壓下凍融循環(huán)巖樣與常規(guī)巖樣可知，凍融循環(huán)的作用可以增大巖樣軸向應(yīng)力峰值，同時(shí)，凍融循環(huán)后的巖樣，比常規(guī)下巖樣更晚地達(dá)到軸向應(yīng)力峰值。觀察不同壓力下凍融循環(huán)后的兩組巖樣可看出，對于凍融循環(huán)后的巖樣，施壓越大，其越早進(jìn)入軸向應(yīng)力峰值狀態(tài)，同時(shí)，施壓越大，其軸向應(yīng)力峰值反而降低了。同時(shí)可以看到，凍融循環(huán)作用后的巖樣的壓密階段更加明顯，且線彈性模量也明顯增大。再對軸向應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線分析，對比常規(guī)巖樣與凍融循環(huán)后的巖樣曲線，可知，凍融循環(huán)會明顯降低巖樣的軸向應(yīng)力峰值，但也會更早地讓其進(jìn)入到峰值狀態(tài)（即軸向應(yīng)變很小時(shí)巖樣就已經(jīng)達(dá)到軸向應(yīng)力峰值狀態(tài)）。對比不同壓力作用下凍融循環(huán)后巖樣的曲線可得，對于同樣凍融循環(huán)過后的巖體，壓力越大時(shí)，其軸向應(yīng)力峰值越低。但壓力的大小對其進(jìn)入峰值時(shí)的所達(dá)到的應(yīng)變大小影響不大。觀察巖樣破壞后的記錄圖可得到，凍融循環(huán)作用后，巖樣在三軸壓縮破壞后的破裂面更加平整，相對而言，常規(guī)巖樣的表面則顯得粗糙不平。同時(shí)對于同種方式處理后的巖樣來講，當(dāng)軸壓越大時(shí)，巖樣破壞越嚴(yán)重。而明顯可看到，凍融循環(huán)作用后的巖樣在破壞后所出現(xiàn)的掉砂現(xiàn)象并沒有常規(guī)巖樣嚴(yán)重。而對于同種壓力作用下的巖樣，凍融循環(huán)作用后的巖樣破壞沒有常規(guī)巖樣嚴(yán)重，明顯看到，凍融循環(huán)作用后的巖樣破壞后大致為兩大塊，破裂面平整且為斜面，常規(guī)巖樣則被分為若干塊石塊，且破裂面不規(guī)則。巖石的軸向壓力與軸向應(yīng)變曲線圖中有上升段和下降段，根據(jù)巖石力學(xué)的基本知識，可以知道，巖石的變形可以分為塑性變形和彈性變形兩個(gè)階段，但是巖石的破壞主要是與塑性破壞有關(guān)的，巖樣D-2的加載情況為5Mpa，巖樣剛被加載后，首先發(fā)生的是彈性變形，巖樣內(nèi)部材料在荷載作用下還未達(dá)到屈服強(qiáng)度，在圖表上軸向壓力軸向應(yīng)變的曲線呈現(xiàn)上升趨勢，施加給巖樣的荷載主要是將巖樣的礦物顆粒擠壓致使巖樣內(nèi)部孔隙逐漸變小，還有水分排出，孔隙率減小，力學(xué)性能改善，宏觀表現(xiàn)為承載能力大幅提高。荷載逐漸由巖樣組成部分與內(nèi)部孔隙等承擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕晒腆w顆粒物來承擔(dān)，巖樣在宏觀上表現(xiàn)就是表面開始出現(xiàn)裂紋并伴隨有細(xì)顆粒物的脫落。在荷載的繼續(xù)作用下，隨著軸向應(yīng)力的繼續(xù)增加，巖樣的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變也繼續(xù)增加，曲線呈上升的趨勢，當(dāng)所受荷載達(dá)到一定值時(shí)，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變均產(chǎn)生了峰值即巖樣的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變達(dá)到了最大數(shù)值，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變值不再隨著施加荷載的增大而增大，也就是巖樣的彈性變形階段已經(jīng)結(jié)束，經(jīng)過這個(gè)拐點(diǎn)就轉(zhuǎn)變?yōu)榱怂苄宰冃坞A段，可以看出，越過拐點(diǎn)后，軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變值隨著施加荷載的增加開始呈現(xiàn)下降趨勢，這時(shí)巖樣主要是通過其內(nèi)部組成的礦物顆粒來承擔(dān)沿前期形成的裂縫開始分裂成兩個(gè)部分。巖石變形可分為彈性變形和塑性變形，但是破壞與塑性變形有關(guān)。當(dāng)巖石進(jìn)入塑性變形時(shí)，巖石內(nèi)部微裂紋開始發(fā)展和擴(kuò)張，就會出現(xiàn)不可逆損傷.4.4本章小結(jié)本章較為系統(tǒng)的介紹了砂巖在不同凍融循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)的三軸壓縮試驗(yàn)，通過結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要得到以下結(jié)論：（1）在飽水條件下，對砂巖進(jìn)行了0次、22次凍融循環(huán)試驗(yàn)。并記錄試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映凍融循環(huán)次之前，由于砂巖巖樣含孔隙率導(dǎo)致吸水質(zhì)量不斷增加，22次之后由于凍融循環(huán)作用中產(chǎn)生的膨脹力和拉應(yīng)力使得砂巖出現(xiàn)損傷破壞，最終導(dǎo)致其質(zhì)量損失。（2）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度減低，且破壞時(shí)極限荷載所對應(yīng)的應(yīng)變增加。（3）結(jié)合試驗(yàn)過程中所記錄的現(xiàn)象以及試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，分析其凍融損傷特性知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石損傷加劇。本章基于三軸壓縮試驗(yàn)，測定壓縮過程中試件的軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)變、軸向應(yīng)變，將其擬合成曲線圖，對巖石在破壞過程中的各個(gè)過程進(jìn)行分析。觀察了巖石破壞面的特征、凍融循環(huán)作用后巖石表面與新鮮巖樣表面的不同，從而分析出，凍融循環(huán)作用后，巖石強(qiáng)度會發(fā)生降低。5XRD山西地質(zhì)礦產(chǎn)X射線衍射該實(shí)驗(yàn)是在山西大同大學(xué)進(jìn)行X射線衍射、在山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院X射線全巖衍射實(shí)驗(yàn)，所采用的儀器是D/max-RB型X射線衍射儀、山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院的X射線衍射儀SmartLab，實(shí)驗(yàn)儀器的主要構(gòu)造如下圖：圖5-1D/max-RB型X射線衍射儀圖5-2D/max-RB型X射線衍射儀構(gòu)造示意圖主要組成部分有X射線發(fā)生器、測角儀、探測器、計(jì)算機(jī)控制處理系統(tǒng)等。其中測角儀為該實(shí)驗(yàn)儀器的核心部件。圖5-3下表為在山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：SY/T5163-2010借助理學(xué)X射線衍射儀SmartLab進(jìn)行的X射線衍射全巖/粘土礦物分析報(bào)告：表STYLEREF1\s51沉積巖全巖X射線衍射定量分析報(bào)告樣品號原始編號礦物含量（%）石英鉀長石方解石白云石菱鐵礦鈣芒硝普通輝石粘土礦物1760011D-454.111.47.127.41760012CL-125.919.925.92.625.7分析人：賈鈺 審核人：郭瑞琴樣品號原始編號粘土礦物相對含量（%）混層比（%S）蒙皂石伊/蒙混層伊利石高嶺石綠泥石綠/蒙混層伊/蒙混層比綠/蒙混層比1760011D-411891760012CL-1892通過對經(jīng)凍融循環(huán)影響下的D-4試樣進(jìn)行X射線衍射全巖/粘土礦物分析，結(jié)果表明:對經(jīng)凍融循環(huán)影響下的D-4試樣的礦物成分含量最高的是石英，即二氧化硅組成的礦物，其次就是鉀長石和黏土礦物，最少的是白云石。繼而對黏土礦物的相對含量進(jìn)行檢測得到黏土礦物主要由伊利石和高嶺石組成，其中含量最多的是高嶺石，伊利石含量較少，如上在大同大學(xué)得到的X射線衍射測試結(jié)果所示。在譜中，衍射峰越細(xì)越高，結(jié)構(gòu)越完整，結(jié)晶度越大，礦物的結(jié)晶度可以顯示礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性。5.3本章小結(jié)本章的主要工作是采用D/max-RB型X射線衍射儀、山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院的X射線衍射儀SmartLab儀器在山西大同大學(xué)進(jìn)行X射線衍射、在山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院X射線全巖衍射實(shí)驗(yàn)得到了試樣D-4在凍融循環(huán)影響下的礦物成分含量最高的是石英，其次就是鉀長石和黏土礦物，最少的是白云石，而且在黏土礦物中含量最多的是高嶺石，最少的是伊利石。通過分析X射線衍射譜，得到隨著凍融循環(huán)凍結(jié)溫度的降低，各種礦物的衍射峰大幅度降低，礦物的結(jié)構(gòu)性和結(jié)晶度大幅度降低，說明凍融循環(huán)后砂巖的內(nèi)部親水礦物含量減少、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，密度降低，表現(xiàn)為整體的強(qiáng)度降低。6基于電鏡掃描試驗(yàn)研究不同凍融循環(huán)作用下砂巖內(nèi)部物質(zhì)含量6.1實(shí)驗(yàn)概況為了更直觀地研究凍融循環(huán)作用后花崗巖的微觀結(jié)構(gòu)，在山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院進(jìn)行的電鏡掃描，通過掃描電子顯微鏡（SEM）在放大200倍的情況下得到的試樣D-1、D-4在凍融循環(huán)作用下以及常規(guī)組試樣CL-1的砂巖圖像見下表：表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s11山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院電鏡掃描原始編號：D-1樣品編號：宏觀描述：灰白色砂巖。觀察條件：樣品取自泥巖自然斷面，觀察面為垂直層面方向。圖1圖2圖3圖4圖5圖6圖7圖8圖1：樣品低倍下預(yù)覽。圖2：碎屑狀長石。圖3：粒狀石英及片狀粘土礦物。圖4：粒狀鋯石。圖5：圖4放大。圖6：片狀粘土礦物。圖7：碎屑石英。圖8：圖7石英斷口放大。

原始編號：D-4樣品編號：宏觀描述：灰白色砂巖。觀察條件：樣品取自泥巖自然斷面，觀察面為垂直層面方向。圖1圖2圖3圖4圖5圖6圖7圖8圖1：樣品低倍下預(yù)覽。圖2：碎屑狀長石。圖3：片狀粘土礦物。圖4：碎屑碳酸鹽礦物。圖5：圖4放大。圖6：顆粒狀石英，少量粘土礦物。圖7：圖6放大。圖8：團(tuán)窩狀、片狀粘土礦物。對經(jīng)過凍融循環(huán)影響的試樣D-1、D-4在進(jìn)行三軸壓縮破壞后進(jìn)行電鏡掃描ADDINCNKISM.Ref.{449FC270044449fe8E9B059D0EB8DAE0}[11]，宏觀表現(xiàn)為灰白色砂巖，從多組測試圖中，選取圖2碎屑狀長石作進(jìn)一步分析，對比試樣D-1、D-4可以看到:隨著凍結(jié)溫度以及凍融條件的變化，砂巖巖試樣的微觀結(jié)構(gòu)的變得疏松，表面由層次不齊的塊狀變成表面光滑的塊狀，并且其表面有更多的突出氣泡，破壞面也平整。與上述XRD的分析結(jié)果一致。選取試樣的顆粒狀石英圖作進(jìn)一步分析，常規(guī)組的顆粒狀石英排布密集且有一定的整齊性，當(dāng)試樣在經(jīng)受凍融循環(huán)作用后，顆粒狀石英顆粒變小分布較平整。選取試樣的碎屑碳酸鹽礦物進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)組的碳酸鹽物外形整齊有一定的結(jié)構(gòu)性，然而試樣在凍融循環(huán)作用影響下后巖樣的碳酸鹽物沒有了結(jié)構(gòu)性但具有一平滑表面。6.2本章小結(jié)本章的主要工作是對經(jīng)過凍融循環(huán)影響的試樣D-1、D-4在進(jìn)行三軸壓縮破壞后進(jìn)行電鏡掃描，通過對巖樣中碎屑狀長石、顆粒狀石英和碳酸鹽物進(jìn)行對比分析得到砂巖在經(jīng)受凍融循環(huán)作用后的表現(xiàn)：碎屑狀長石變的疏松表面較平滑；顆粒狀石英顆粒變小并具有一較平整平面；碳酸鹽物失去了其結(jié)構(gòu)性，變成了一平面。凍融循環(huán)次數(shù)增加后，巖樣內(nèi)部的團(tuán)窩狀粘土礦物含量以及碎屑碳酸鹽礦物的含量會明顯減少，而對巖樣進(jìn)行加載卸載，則對這些礦物的含量影響不大。由于碳酸鹽含量的降低導(dǎo)致砂巖強(qiáng)度有所劣化。7結(jié)論7.1結(jié)論本文將取自云岡石窟地層的砂巖巖樣分為飽水組、干燥組和對比組3組，模擬云岡石窟砂巖的風(fēng)化過程以及所處的環(huán)境。通過對飽水組和干燥組巖樣進(jìn)行循環(huán)凍融試驗(yàn)共進(jìn)行了22次凍融。在實(shí)驗(yàn)前后對砂巖試件進(jìn)行尺寸的量測以及試件的含水率進(jìn)行記錄，依托壓縮破壞試驗(yàn)、XRD試驗(yàn)、液氮吸附試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)儀器量測得到了砂巖的單軸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線、抗壓強(qiáng)度以及電鏡掃描下巖體的微觀結(jié)構(gòu)分析歸納出循環(huán)凍融條件下云岡石窟砂巖的主要物理力學(xué)特性。得到了以下結(jié)論：將試樣進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到了試樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后試樣的破壞狀態(tài)與常規(guī)組相比：形成了一破壞的斜平面并伴隨有巖樣內(nèi)部組成的礦物顆?；洌皫r呈現(xiàn)表面棱角分明、節(jié)理清晰。這種現(xiàn)象歸因于巖石在凍融循環(huán)過程中伴隨水冰相變，砂巖試件中賦存的原始裂隙飽水后在低溫下凍結(jié)時(shí)體積膨脹產(chǎn)生約的膨脹力以及冰融化成水時(shí)，相當(dāng)于卸載所給原生裂隙造成了很大的邊緣應(yīng)力，使得裂隙發(fā)育、擴(kuò)展、匯合貫通直到完全破壞。2、砂巖凍融后的三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：在相同圍壓下，隨著的循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度減低，且破壞時(shí)荷載所對應(yīng)的應(yīng)變增大。3、將兩組試樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后進(jìn)行了三軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到了：兩組不同試樣在不同的外加荷載情況下，每個(gè)試樣的最大軸向應(yīng)變值與最大徑向應(yīng)變值幾近相同，而不同試樣的最大軸向應(yīng)變值與最大徑向應(yīng)變值根據(jù)外加荷載的不同而不同，故而巖體在凍融循環(huán)作用下的徑向應(yīng)變值與軸向應(yīng)變值與其所承受的外加荷載有關(guān)。凍融循環(huán)后砂巖的三軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線大致可以分為四個(gè)階段：彈性階段、塑性階段。圍壓越大，塑性階段規(guī)律越明顯且可得到了軸向應(yīng)力與徑向應(yīng)變、軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的擬合函數(shù)。4、將經(jīng)歷凍融循環(huán)作用下的試樣在山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院進(jìn)行X射線全巖衍射實(shí)驗(yàn)得到了試樣D-4在凍融循環(huán)影響下的礦物成分含量最高的是石英，其次就是鉀長石和黏土礦物，最少的是白云石，而且在黏土礦物中含量最多的是高嶺石，最少的是伊利石。通過分析X射線衍射譜，得到隨著凍融循環(huán)凍結(jié)溫度的降低，各種礦物的衍射峰大幅度降低，礦物的結(jié)構(gòu)性和結(jié)晶度大幅度降低，說明凍融循環(huán)后砂巖的內(nèi)部親水礦物逐漸減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，密度降低，表現(xiàn)為整體的強(qiáng)度降低。5、對經(jīng)過凍融循環(huán)影響的試樣D-1、D-4在進(jìn)行三軸壓縮破壞后進(jìn)行電鏡掃描，凍融循環(huán)前后花崗巖試樣的礦物成分基本沒有變化，但使得砂巖的微觀結(jié)構(gòu)變得疏松，表面形態(tài)粗糙，破壞面也增多，表現(xiàn)為宏觀上的花崗巖強(qiáng)度降低。通過對巖樣中碎屑狀長石、顆粒狀石英和碳酸鹽物進(jìn)行對比分析得到砂巖在經(jīng)受凍融循環(huán)作用后的微觀表現(xiàn)：碎屑狀長石變的疏松表面較平滑；顆粒狀石英顆粒變小并具有一較平整平面；碳酸鹽物失去了其結(jié)構(gòu)性，變成了一個(gè)平面。通過單軸壓縮試驗(yàn)，我們認(rèn)為，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融后的巖樣的最大負(fù)荷比新鮮巖樣降低很多。整體來看，常規(guī)凍融循環(huán)過后的巖樣比常規(guī)新鮮巖樣的彈性階段有所延長，彈性模量降低很多，但彈性階段過后的切線模量有所增大。凍融循環(huán)次數(shù)越大時(shí)，其進(jìn)入應(yīng)力峰值時(shí)所發(fā)生的應(yīng)變就會越大，同時(shí)其壓密階段非常明顯，比其他巖樣都要長很多。同時(shí)總體對比來看，凍融循環(huán)次數(shù)大時(shí)，會極大地降低巖樣破壞過程中的應(yīng)力峰值，凍融循環(huán)次數(shù)增加后，砂巖的強(qiáng)度明顯劣化。所有的巖樣破壞后的裂縫都是從試件頂部貫穿至底部，均有一定的顆粒脫落現(xiàn)象。新鮮巖樣破裂后的斷面相對平整，凍融循環(huán)次數(shù)增加后的巖樣破裂面十分不規(guī)則，顆粒松散脫落情況嚴(yán)重，巖體表面相對新鮮巖樣也明顯粗糙很多，加重了巖樣的強(qiáng)度劣化。通過進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)可以得出，凍融循環(huán)作用后，巖樣在三軸壓縮破壞后的破裂面更加平整，而常規(guī)巖樣的表面則顯得粗糙不平。當(dāng)軸壓越大時(shí)，巖樣破壞越嚴(yán)重。從軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線中分析可得，對于常規(guī)巖樣而言，當(dāng)施壓越大時(shí)，巖樣的軸向應(yīng)力峰值越大，同時(shí)，峰值處軸向應(yīng)變明顯增大數(shù)倍。凍融循環(huán)的作用可以增大巖樣軸向應(yīng)力峰值?？梢钥吹?，凍融循環(huán)作用后的巖樣的壓密階段更加明顯，且線彈性模量也明顯增大。由軸向應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線分析可知，凍融循環(huán)會明顯降低巖樣的軸向應(yīng)力峰值，但也會更早地讓其進(jìn)入到峰值狀態(tài)（即軸向應(yīng)變很小時(shí)巖樣就已經(jīng)達(dá)到軸向應(yīng)力峰值狀態(tài)）。對于同樣凍融循環(huán)過后的巖體，壓力越大時(shí)，其軸向應(yīng)力峰值越低.由軸向應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線分析可知，凍融循環(huán)會明顯降低巖樣的軸向應(yīng)力峰值，但也會更早地讓其進(jìn)入到峰值狀態(tài)（即軸向應(yīng)變很小時(shí)巖樣就已經(jīng)達(dá)到軸向應(yīng)力峰值狀態(tài)）。對于同樣凍融循環(huán)過后的巖體，壓力越大時(shí)，其軸向應(yīng)力峰值越低。對電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果圖分析可發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)過后的巖樣表面與常規(guī)有裂紋的巖樣相比，有更多的坑洼，更加粗糙，而常規(guī)有裂紋的巖樣的表面平整。凍融循環(huán)次數(shù)增加后的巖樣內(nèi)部碎屑碳酸鹽礦物已丟失，巖體內(nèi)的團(tuán)窩狀粘土礦物含量會減少，但凍融循環(huán)加載卸載的作用對巖體內(nèi)這些礦物的含量影響不大。而碳酸鹽的含量大時(shí)，巖石強(qiáng)度越大。凍融循環(huán)過后巖石中的碎屑碳酸鹽的丟失，導(dǎo)致了巖石強(qiáng)度的降低。該結(jié)論與壓縮試驗(yàn)的結(jié)論相符合。7.2展望本文基于對凍融循環(huán)作用下云岡砂巖的力學(xué)特性試驗(yàn)，僅研究了凍融循環(huán)作用下砂巖的單軸以及三軸壓縮破壞，而在實(shí)際工程中由于地質(zhì)條件差異，導(dǎo)致多種因素耦合，因此本文所研究的內(nèi)容具有局限性，在以后的研究中應(yīng)該盡可能多的符合實(shí)際工程受力條件。本文沒有提供實(shí)際的工程實(shí)例進(jìn)行分析，在后期的研究中應(yīng)著重開展大型寒區(qū)巖體工程的現(xiàn)場監(jiān)測工作，獲得溫度、位移、應(yīng)力及水壓力等現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，以保證凍巖研究科學(xué)進(jìn)行的基本保證。同時(shí)應(yīng)將室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算和寒區(qū)巖體工程監(jiān)測現(xiàn)場資料有機(jī)的結(jié)合，以典型寒區(qū)巖體工程監(jiān)測資料指導(dǎo)理論研究，同時(shí)用室內(nèi)試驗(yàn)、先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算為實(shí)際寒區(qū)巖體工程方案提供決策依據(jù)，更好地服務(wù)于寒區(qū)巖體工程。參考文獻(xiàn)[1]黃繼忠.云岡石窟五華洞及第三窟頂板巖體工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告[R].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）文化遺產(chǎn)和巖土文物保護(hù)工程中心,2011.[2]黃克忠.巖土文物建筑的保護(hù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998:l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