摘要巖石在凍融環(huán)境下發(fā)生的損傷會產(chǎn)生宏細觀上的變化，為了更好的認識云岡石窟的巖體在凍融循環(huán)作用下的宏觀上巖體的變化以及巖體微觀上內(nèi)部礦物成分的變化，進而為云岡石窟的研究和保護提供一些理論參考。本文以取自云岡石窟的砂巖巖樣進行凍融循環(huán)實驗以及對經(jīng)受凍融循環(huán)試驗后的砂巖巖樣進行了尺寸的量測以及試件的含水率進行記錄，依托壓縮破壞試驗、XRD試驗、液氮吸附試驗、掃描電鏡試驗數(shù)據(jù)，通過實驗儀器量測得到了砂巖的單軸應力-應變?nèi)^程曲線、抗壓強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特性?；诤暧^及微觀巖石力學方法辨析石窟砂巖劣化特征。分析了凍融循環(huán)條件下云岡砂巖受外界荷載影響下的破壞形態(tài)的變化，以及依據(jù)巖石力學的相關(guān)內(nèi)容分析巖樣內(nèi)部礦物成分的變化情況得出了以下結(jié)論：宏觀上：1、凍融作用后砂巖形成破壞面并有顆粒物脫落2、應力應變曲線分為兩個階段：彈性階段、塑性階段微觀上：3、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)為整體的強度降低。4、凍融循環(huán)作用后的砂巖微觀結(jié)構(gòu)變得疏松，表面形態(tài)粗糙，破壞面也增多，基于本次試驗所得結(jié)論，可以為更好的認識云岡石窟的巖體在凍融循環(huán)作用下的宏觀上巖體的變化以及巖體微觀上內(nèi)部礦物成分的變化，進而為云岡石窟的研究和保護提供一些理論參考提供重要參考。關(guān)鍵詞：云岡砂巖；凍融循環(huán)；宏觀表現(xiàn)；微觀變化

AbstractThedamageofrocksinthefreezing-thawingenvironmentwillresultinmacroandmicrochanges.Inordertobetterunderstandthemacrochangesofrockmassinthefreezing-thawingcycleandthechangesofinternalmineralcompositionintherockmass,itwillprovidesometheoreticalreferencesfortheresearchandprotectionofyunganggrottoes.Basedonthefreeze-thawcycleexperimentswereperformedonsandstonespecimensfromtheyunganggrottoesandthesandstonesampleofsufferedafterfreeze-thawcyclingtestforthemeasurementofsizeandthemoisturecontentofspecimensforrecording,relyingonthecompressionfailuretest,XRDtest,liquidnitrogenadsorptiontest,scanningelectronmicroscopy(SEM)testdata,thesandstoneisobtainedbyexperimentalinstrumentmeasurementofuniaxialstress-strainentireprocesscurve,compressivestrengthandmicrostructureanalysisconcludesthatundertheelectronmicroscopescanningcyclicfreezingandthawingconditionsyunganggrottoesmainphysicalandmechanicalpropertiesofsandstone.Onthebasisofmacroscopicandmicroscopicrockmechanics,thedeteriorationcharacteristicsofsandstoneingrottoesareanalyzed.Thispaperanalyzesthechangeoffailurepatternofyungangsandstoneundertheinfluenceofexternalloadundertheconditionsoffreezing-thawingcycle,andanalyzesthechangeofinternalmineralcompositionofrocksampleaccordingtotherelevantcontentofrockmechanics,anddrawsthefollowingconclusions:Macroscopically:1.Thefailuresurfaceofsandstonewasformedafterfreezing-thawingandparticlesfelloff2.Thestress-straincurveisdividedintotwostages:elasticstageandplasticstageOnthemicrolevel:3.Afterfreezing-thawingcycle,thehydrophilicmineralsinthesandstonegraduallydecrease,theinternalstructurebecomeslooseandthedensitydecreases,whichismanifestedastheoverallstrengthdecreases.4.Afterthefreeze-thawcycle,thesandstonemicrostructurebecomesloose,thesurfacemorphologyisrough,andthefailuresurfacealsoincreases.Basedontheresultsofthisexperiment,itcanbeusedtobetterunderstandthechangesoftherockmassinyunganggrottoesundertheactionoffreezing-thawingcycleatthemacrolevelandthechangesoftheinternalmineralcompositionatthemicrolevel,soastoprovidesometheoreticalreferencesforthestudyandprotectionofyunganggrottoes.Keywords:yungangsandstone;freeze-thawcycle;macroperformance;microchange

緒論選題來源及意義：我國的季節(jié)凍土地區(qū)在總的國土面積分布約50%以上，它們主要分布在我國的西部和北部地區(qū)，季節(jié)性凍土區(qū)在氣候條件上主要表現(xiàn)是該地區(qū)的晝夜溫差、冬天夏天溫差比較大，對地區(qū)區(qū)域以及城市發(fā)展中的巖土工程方面的建設(shè)會產(chǎn)生很大程度上的影響。云岡石窟就是處于季節(jié)性凍土地區(qū)的典例，它地處于中國北部的大同市城西約16公里的武州（周）山南麓、武州川的北岸，石窟依山開鑿，東西綿延約1公里，是我國四大石窟藝術(shù)寶庫之一，但云岡石窟在歷史長河歲月的洗禮下，石窟內(nèi)的造像及雕刻坍塌、侵蝕、石窟內(nèi)表層掉層以及其他的人為破壞行為頗多。云岡石窟近些年面臨的重要問題是風化，物理風化是指巖石在溫度變化、凍融、有機體、水、風、水的凍融、鹽類結(jié)晶和重力等物理機械作用下崩解、破碎成大小不一碎屑和顆粒的過程。巖石由線脹和體脹系數(shù)不同的多種礦物組成，季節(jié)性或晝夜的溫度變化，長期的熱脹冷縮交替會使巖石不均一縮脹而逐漸破碎;巖石裂隙中水分遇冷結(jié)冰并膨脹產(chǎn)生的巨大壓力，使巖石崩解;植物根系的楔入是巖石破裂不可忽視的動因；流水、風力產(chǎn)生的磨蝕、切割、沖擊，是常見而廣泛的物理風化原因，其結(jié)果是既破壞了巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，降低了巖石的強度，又為化學風化提供通道，會使巖石發(fā)生形態(tài)變化并破碎。物理風化只引起巖石在形態(tài)和體積大小的變化，但不使其礦物成分和化學組成發(fā)生明顯的變化，而是惡化了巖體的工程性質(zhì)，具體表現(xiàn)在：巖體力學強度與抗變形性能降低，壓縮性增大等，巖體滲透性增強，次生礦物的抗水性降低，親水性增強，易崩解、膨脹、軟化等，物理風化使巖石通氣透水，也為進一步的化學風化和生物風化提供條件，為土壤發(fā)育提供基礎(chǔ)條件。物理風化是普遍存在的，但在溫差較大的干旱和髙寒地區(qū)，物理風化較化學風化和生物風化作用更為強烈，是這些地區(qū)的主要風化形式。云岡石窟中的巖石在經(jīng)受風化的過程是十分復雜的，云岡石窟產(chǎn)生凍融損傷及風化的危害時必須具備兩個條件：要有足夠的水分以及有過大懸殊的溫差，尤其是巖體在循環(huán)凍融條件下更容易發(fā)生風化，在凍融環(huán)境的影響下水與本地區(qū)的巖石發(fā)生長期而緩慢的相互作用就造成了石窟內(nèi)的造像及雕刻遭受風化的破壞。在地理環(huán)境作用力和人為活動的影響下下，石窟內(nèi)的造像及雕刻經(jīng)常出現(xiàn)坍塌、侵蝕、石窟內(nèi)表層掉層風化等地質(zhì)病害。而云岡石窟內(nèi)的文物（包括石刻、石窟、石雕等）本質(zhì)上都是地質(zhì)體。因此，目前研究到的云岡石窟中出現(xiàn)的這些地質(zhì)災害都是可以借助工程地質(zhì)以及巖體力學內(nèi)的基本知識來研究和防治這類災害的，但是一般的這類地質(zhì)體基本上都是由一類或幾類復雜結(jié)構(gòu)的巖體組成的，并且經(jīng)常是處于復雜的地心引力場、滲流場與溫度場中的，可以近似的將它看作是一個巨大而又復雜的開放型系統(tǒng)。所以僅僅依靠現(xiàn)有的知識理論體系依靠力學理論分析是很難準確地預測云岡石窟巖體的整個變形破壞過程的，而且也很難準確地對它的穩(wěn)定性程度做出評價。因此，我們需要采取某些可行性措施來保護這類已經(jīng)受損壞的石窟巖體，包括對其的工程條件、地質(zhì)條件、穩(wěn)定分析、變形破壞過程的預測。有針對性的提出一些符合維持原狀的石質(zhì)文物的保護原則的設(shè)計內(nèi)容和施工方法等。而采取這一類有效措施的關(guān)鍵是要把握石窟巖體的穩(wěn)定性以及它的整個變形破壞過程。云同石窟是在自然形成的崖壁山體上進行開鑿建設(shè)而成的，它既是建筑物（或構(gòu)筑物），又是地質(zhì)體。黃克忠ADDINCNKISM.Ref.{0AFB703628E24d84A355BB2B992F63E8}[1]指出，云岡石窟地處在塞外的半干旱地區(qū)，一月的平均氣溫為-11.9℃，七月的平均氣溫為23.2℃。冬季非常寒冷并且溫差比較大而夏季又非常炎熱還會下大雨這樣就給砂巖發(fā)生物理風化型的凍融危害創(chuàng)造了條件。石窟處在于這種地質(zhì)環(huán)境之下，經(jīng)過漫長歲月的洗禮又受到地質(zhì)條件帶來的地質(zhì)災害和環(huán)境的影響，導致石窟巖體發(fā)上不同程度上的破壞嚴重威脅到了云岡石窟文物的保存。在云岡石窟的現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了一些非常典型的實例ADDINCNKISM.Ref.{8023633C9C6C4005A55C4412CC003A73}[2]：比如在第三窟東北角的石窟壁面由于經(jīng)受了滲水和凍融的共同影響下，使得巖體不斷遠離約1.7米；在第二窟中由于寒泉洞中的寒泉水流入了窟中并且與凍融共同作用下使得底層的石窟巖體全部破裂成約小于10厘米的塊狀結(jié)構(gòu)物。巖石是一種內(nèi)含大量微裂隙、孔隙率高且孔隙間的連通性好細觀缺陷的非均質(zhì)體，其強度和變形性質(zhì)都非常容易受到凍融循環(huán)而損壞的影響。因此，利用室內(nèi)試驗研究循環(huán)凍融條件下云岡石窟砂巖的宏觀變化和云岡石窟砂巖的微觀變化，以把握云岡石窟巖體的破壞的損傷程度，對于云岡石窟巖體的穩(wěn)定性、疲勞損壞程度評價以及對其的保護具有重要的意義。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)外對于巖石在低溫、凍融循環(huán)條件下的物理力學性質(zhì)、破壞機理以及破壞后巖石形態(tài)等方面進行了大量的研究并且取得了很有價值的研究成果。如方云等ADDINCNKISM.Ref.{49A7C3E3AD0445aeA1F4E92A35988BE4}[3]對取自云岡石窟的砂巖巖樣分為3組分別是飽水組、干燥組和對比組，通過對飽水組和干燥組巖樣進行35次循環(huán)凍融試驗，模擬云岡石窟砂巖的風化過程。研究發(fā)現(xiàn)在循環(huán)凍融條件下，干燥組破壞形態(tài)不明顯而飽和組以產(chǎn)生裂紋為主，飽和組巖樣體積有所膨脹，質(zhì)量均有不同程度的減少并且隨著次數(shù)的增加下降趨勢不斷增加，巖樣的波速不斷下降，波速和單軸壓縮抗壓強度之間可以找到擬合冪函數(shù)關(guān)系，巖樣的抗凍系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，烘干作用對巖樣體積、質(zhì)量、波速以及單軸抗壓強度的幾乎沒有影響，可忽略不計，建立了符合云岡砂巖飽和單軸抗壓強度、巖樣初始波速和凍融次數(shù)之間關(guān)系的指數(shù)函數(shù)；蔡國軍等ADDINCNKISM.Ref.{AE98160EC9EB4bf3AA011131A71FCD8A}[4]通過單軸壓縮和三軸實驗對砂巖進行循環(huán)加載卸載，得出了在三軸循環(huán)加卸載的作用下，通過分析應力—應變曲線所呈現(xiàn)出的內(nèi)凹現(xiàn)象和推進效應總結(jié)出巖石內(nèi)部舊微裂紋有壓密、閉合和擴張的過程，新裂紋不斷產(chǎn)生和匯聚的過程，滯回環(huán)的面積隨著圍壓的增大而逐漸減小，隨著軸壓的增大而逐漸增大。巖石的損傷是一個逐漸累積的過程。微裂紋的產(chǎn)生、擴展是由于經(jīng)歷了持續(xù)的循環(huán)加卸載而導致的，并不僅僅是幾個單獨的循環(huán)加卸載周期才導致的，軸向和側(cè)向累計不可逆應變在循環(huán)荷載作用下增長趨勢呈線性關(guān)系；高峰等ADDINCNKISM.Ref.{7830669C50584ba1AB7D42B1D4C33D96}[5]通過對青砂巖在經(jīng)受不同凍融循環(huán)作用后進行不同的圍壓的系列測試，分析青砂巖在不同凍融循環(huán)作用下的脆性特性以及演化規(guī)律得出了砂巖脆性特性在經(jīng)受凍融損傷后會有明顯的劣化過程，并且隨著經(jīng)受凍融次數(shù)的增加砂巖的脆性呈現(xiàn)減小趨勢。同一圍壓的砂巖在經(jīng)受不同的凍融循環(huán)作用下，脆性指數(shù)會隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小，而且圍壓也會越大，通過對不同凍融循環(huán)的青砂巖和常規(guī)黑砂巖、大理巖的試驗數(shù)據(jù)的分析得出了符合實驗數(shù)據(jù)的擬合函數(shù)；鄭廣輝等ADDINCNKISM.Ref.{3F392A2F52FE448f80C216A30B1C8435}[6]通過對垂直、平行層理的不同試樣進行了0、20、40次的凍融試驗，探究了在凍融作用影響下層理砂巖的損傷發(fā)育特征，隨后通過100mmSHPB的試驗裝置，進行了5種不同彈速下的沖擊試驗，分析了層理砂巖在凍融循環(huán)作用下的沖擊破碎塊度的分布規(guī)律，以破碎塊度與凍融損傷累積的相關(guān)性為理論依據(jù)，建立了層理砂巖的凍融劣化模型，通過研究結(jié)果得出：在凍融環(huán)境下，兩種試樣縱波波速和孔隙發(fā)育都表現(xiàn)出了非常明顯的差異，平行層理試樣在實驗條件下相對更容易發(fā)生損傷，得出了試樣在各級沖擊彈速下的破碎塊度分布與凍融循環(huán)次數(shù)之間是存在著波動型以及正相關(guān)、負相關(guān)三種相關(guān)關(guān)系；李詩銘等ADDINCNKISM.Ref.{753516605FC44897BC849E7A6E9DAAA2}[7]所采取的是取自云南的砂巖，試樣是由石英、云母、長石、方解石、角閃石等成分組成的，將該試樣分別在20℃到-20℃、20℃到-30℃、20℃到-40℃、20℃到-50℃的條件下凍融循環(huán)然后將試件取出來做自然干燥處理，將自然狀態(tài)下的試件與處理后的試件一起用超聲波脈沖速度測試儀測量得出實驗中每組試件的彈性模量并取平均值。對砂樣進行凍融循環(huán)處理并且對凍融循環(huán)后的試塊進行了單軸壓縮試驗。得出了下面的結(jié)論：在凍融循環(huán)溫度為-20~-50℃作用下時的砂巖，所取的砂巖試件的彈性模量和峰值應力隨著凍融循環(huán)溫度的降低呈指數(shù)函數(shù)式并且逐漸減小。砂巖的應力-應變曲線也會隨著凍融溫度的降低而呈現(xiàn)出向下方不斷的移動，隨凍融循環(huán)溫度的降低砂巖的應力呈現(xiàn)減少趨勢，隨著凍融循環(huán)溫度的降低砂巖的應變呈現(xiàn)不斷增大的趨勢；馬逢清等ADDINCNKISM.Ref.{D446315C836A4b1392774DA3F3C90FDB}[8]采集了府谷地區(qū)三疊系劉家溝組的砂泥巖來作為實驗的樣本，通過在凍融循環(huán)條件下對飽和泥巖和砂巖基本物理性質(zhì)指標進行測定和CT掃描；整理實驗所得到的物理力學指標和借助CT掃描儀器掃描的結(jié)果，分析巖石結(jié)構(gòu)的變化以及計算不同階段的砂巖和泥巖的損傷變量，得出了以下結(jié)論：巖石內(nèi)部的水分遷移在凍融循環(huán)條件下，因會造成巖石的質(zhì)量的變化；不同的巖石會因巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分的不同而表現(xiàn)出不同的質(zhì)量變化，通過CT試驗形成的圖像可以看出泥巖試樣在凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加表現(xiàn)出內(nèi)部裂隙及微孔洞的變化，泥巖試樣的CT數(shù)均值隨凍融循環(huán)次數(shù)增加所呈現(xiàn)出的趨勢是先減少后增大，砂巖試樣在凍融循環(huán)條件下土樣初始飽和后CT數(shù)均值的增大則表示密度也在不斷增大，試樣在損傷的變化中，控制砂巖損傷的擴展的主要原因是水分遷移和凍脹力二者交替；楊更社等ADDINCNKISM.Ref.{E602ED7AE6E540f3A7F3AEC77DC25400}[9]通過采用了3種不同的巖樣做研究,首先讓試樣處于飽和狀態(tài),然后將制備好的試樣分別放置于環(huán)境溫度為0℃、-10℃、-20℃的實驗環(huán)境下,通過利用CT掃描儀器進行CT掃描實驗,研究了試樣在不同凍結(jié)溫度的環(huán)境條件下巖石內(nèi)部所呈現(xiàn)的細觀損傷擴展機理、水分遷移及其損傷結(jié)構(gòu)的變化，得出了由于軟砂巖在不同凍結(jié)溫度條件下內(nèi)部的水分不斷遷移,顆粒進行重組,水冰相互轉(zhuǎn)變,CT統(tǒng)計頻率的變化規(guī)律；徐光苗等ADDINCNKISM.Ref.{1DFBA81C864E43938958584D55BFECB7}[10]通過對青藏鐵路昆侖山隧道現(xiàn)場采集的紅砂巖和湖北頁巖置于不同凍結(jié)溫度（-20～20℃）的環(huán)境下和不同含水狀態(tài)（飽和與干燥）下，對其進行單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗，研究紅砂巖和頁巖的單軸抗壓強度與溫度的關(guān)系。通過運用理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，研究了在低溫、凍融循環(huán)條件下的巖石力學特性，并根據(jù)建立了巖石在實驗結(jié)果下所擬合的宏觀凍融損傷本構(gòu)關(guān)系得出了2種巖石分別在飽水狀態(tài)下的單軸抗壓強度、彈性模量與凍融次數(shù)的擬合關(guān)系表達式并對兩種巖石進行了超聲波波速測試和熱參數(shù)測試，并得出了波速、導熱系數(shù)與溫度所擬合的關(guān)系?？傮w來看，國內(nèi)外學者對于實驗所取試樣在凍融循環(huán)的過程中材料的質(zhì)量、CT實驗數(shù)值、剪切波速、單軸壓縮實驗及三軸壓縮壓縮實驗的壓縮強度、彈性模量等巖體的物理力學性質(zhì)所呈現(xiàn)的變化趨勢做了較為深入的研究并且得出了符合實驗過程所得出的實驗數(shù)據(jù)的擬合方程和關(guān)系式。還有學者建立了巖石在實驗過程中的損傷擴展模型。本文在之前許多優(yōu)秀學者所進行的工作基礎(chǔ)上，對飽和砂巖在經(jīng)歷數(shù)次凍融循過程后對實驗所采取的巖樣在實驗過程中巖體的物理力學性質(zhì)和巖體在凍融循環(huán)作用下巖體的宏細觀變化做了分析，根據(jù)凍融循環(huán)作用具有低周期疲勞荷載的特點，考慮凍融循環(huán)作用對砂巖物理性質(zhì)的影響，根據(jù)實驗所得到的實驗數(shù)據(jù)建立相應的數(shù)據(jù)圖像。分析得出與實驗數(shù)據(jù)所擬合的方程。本論文的研究內(nèi)容、方法及技術(shù)路線：本文的主要工作就是依托馮美生老師的循環(huán)凍融對云岡砂巖的破壞機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理研究（2018155大同市科技局基礎(chǔ)研究項目）來研究云岡石窟巖體破壞的宏細觀變化狀態(tài)，根據(jù)目前的巖石力學在國內(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。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化過程以及所處的環(huán)境。通過對飽水組和干燥組巖樣進行循環(huán)凍融試驗共進行了22次凍融。在實驗前后對砂巖試件進行尺寸的量測以及試件的含水率進行記錄，依托壓縮破壞試驗、XRD試驗、液氮吸附試驗、掃描電鏡試驗數(shù)據(jù)，通過實驗儀器量測得到了砂巖的單軸應力-應變?nèi)^程曲線、抗壓強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特性?；诤暧^及微觀巖石力學方法辨析石窟砂巖劣化特征。表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11試驗3凍融后的巖樣測試內(nèi)容云岡砂巖凍融巖樣巖樣編號D-1D-4CL-1備注及試驗的目的：D-1，D-4為凍融試樣。CL-1為常規(guī)對比樣本擬測定的項目1電鏡掃描SEM∨∨∨掃描巖石表面切片，巖屑及膠結(jié)物的變化規(guī)律，X射線衍射分析XRD∨XRD譜圖，巖相分析、鑒別物相變化2孔隙氮吸附∨∨∨孔徑分布，比表面積，孔體積及相關(guān)計算方法技術(shù)路線圖試驗研究試驗研究機理揭示凍融損傷本構(gòu)模型氮吸附及灰熔性測試凍融破壞試驗掃描電鏡測試壓縮破壞試驗巖樣波速與凍融作用相關(guān)函數(shù)巖樣微觀結(jié)構(gòu)損傷演化與凍融耦合機制微裂紋的萌發(fā)、擴展、搭接、貫通機制理論分析數(shù)值仿真力學強度與凍融作用耦合效應圖STYLEREF1\s12技術(shù)路線圖

實驗方案本章的主要內(nèi)容是制定實驗方案，并為后面所進行的試驗順利進行做充足的準備工作。主要的內(nèi)容如下：砂巖試件的選擇、采集與制備；凍融循環(huán)試驗及循環(huán)過程中砂巖試件的尺寸以及含水率等的物理性質(zhì)的測試，包括：烘干質(zhì)量、天然質(zhì)量、浸水后質(zhì)量、天然含水率、浸水后含水率，包括：單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗電鏡掃描、X射線衍射分析、孔隙氮吸附等。樣品的采取與制備樣品的采取因本實驗所要研究的內(nèi)容是云岡砂巖在凍融循環(huán)作用下破裂過程的宏細觀研究，故本試驗的所用到的砂巖須具有代表性，試驗選取的是云岡石窟的新鮮巖樣。由于選取的巖體體積較大，使用試驗室里的取樣機和切割機對此巖體處理均不是很方便，所以采取的方案是將砂巖取回后，先對巖體進行初加工處理，將巖體的大小處理成方便后期鉆孔取樣的大小。而且對于現(xiàn)場取回的巖塊需要先在石材加工廠進行初加工，使得加工后的巖石體積大小方便后期在鉆孔取樣機取樣以及切割機切割，而且為了后期實驗的方便處理后的巖塊至少要有一至兩個相對比較平的表面能夠方便巖石在試驗機上放置以及在后期加工過程中固定巖塊。樣品的制備首先在取樣之前應該對砂巖本身仔細觀察它的紋理特征及其角度，然后選取一個合適的角度固定樣品以方便通過鉆取得到的樣品具有所需樣品的層理傾角。經(jīng)過濟南海威爾儀器有限責任公司的鉆芯取樣機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械制造廠的切割機上，將經(jīng)過鉆芯取樣機處理后的巖石樣品切割成高度直徑符合實驗要求的兩端平整的圓柱體。再參照《巖石試驗方法標準》(GB50218-94)ADDINCNKISM.Ref.{504D7E6540284d3e88DD2E5F040BB5B9}[11]，即滿足試樣兩端面不平行度誤差不大于0.005mm，端面不平整度誤差不大于0.02mm；沿試件高度上直徑誤差不大于0.3mm，端面垂直于試件軸線，最大偏差不大于0.25°。在加工完成的試件中選取符合各試驗要求的樣品，鉆取標準圓柱樣品（Ф50mm×100mm）用于單軸壓縮實驗。主要試驗裝備及實驗方法凍融試驗概述[12]：巖石的凍融試驗是指巖石在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復降溫、凍結(jié)、升溫、融解，其抗壓強度有所下降，巖石試件凍融前的抗壓強度與凍融后的抗壓強度的比值，即為抗凍系數(shù)。根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》（GB/T50266－2013）進行凍融循環(huán)實驗，采用直接凍融法。本試驗為更好模擬自然狀態(tài)的凍融條件，選用在冰箱中進行凍結(jié)，共選取6個標件總質(zhì)量2.9kg設(shè)定凍結(jié)約6小時，融化4小時為一個凍融循環(huán)，凍結(jié)溫度控制為-20℃，融化在室溫（實測20±2℃）下進行融化。將飽和組和干燥組的云岡砂巖分開進行凍融，飽和組和干燥組共進行了22次凍融循環(huán)。本實驗從下午13:50開始，具體時間表如下：

表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11凍融時間表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錯誤!未找到引用源。，之后使用自動凍融循環(huán)試驗箱對所得飽水試樣進行多組凍融循環(huán)試驗。每個凍融循環(huán)組試樣均設(shè)置常規(guī)對比樣本和凍融樣本。下表為時間含水率統(tǒng)計表表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s12含水率統(tǒng)計表試件標號烘干質(zhì)量m（g）天然質(zhì)量m（g）浸水時間t（小時）浸水后質(zhì)量m（g）天然含水率ω（%）浸水后含水率ω（%）2951.212.422-2474.06480.069488.061.272.952-3492.24498.2418503.401.222541.243.313-2473.75479.759486.751.272.743-3472.76478.7618487.661.273.19SL1-147648239491.161.263.18SL2-249550139507.011.212.43S1-147748388S1-247848488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)過濟南海威爾儀器有限責任公司的鉆芯取樣機處理取得的巖樣得到適合在單軸壓縮實驗、三軸壓縮實驗機進行的圓柱形試件。

單軸壓縮實驗試驗裝備本次單軸壓縮試驗是在遼寧工程技術(shù)大學完成的，實驗所用到的試驗設(shè)備為吉林省長春試驗機研究所金力試驗技術(shù)有限公司研制的CSS-WAW系列電液伺服萬能試驗機(原產(chǎn)品型號CSS251微機控制電子液壓萬能試驗機)，是用于材料力學性能測試的新型機電液一體化試驗設(shè)備。本產(chǎn)品采用的是計算機系統(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力、位移和變形等試驗參數(shù)，一種多功能、高精度的靜態(tài)試驗機?？捎糜诮饘俸头墙饘俨牧系睦?、壓縮、彎曲、剪切等試驗。還可以進行試驗力、變形等速率控制以及恒試驗力、恒變形等試驗。各種試驗數(shù)據(jù)由計算機進行處理和屏幕顯示，并由打印機自動打印試驗曲線和試驗結(jié)果。試驗機由主機、油源（控制臺）、計算機和打印機及板卡測量控制系統(tǒng)四部分組成。試驗機的主機采用高剛度負荷框架、雙試驗空間、下置液壓缸、全行程導向結(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，控制范圍寬而平穩(wěn)。采用高精度傳感器、引伸計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、試驗功能多、使用方便、安全可靠，是力學試驗和質(zhì)量檢測不可缺少的先進儀器。主要技術(shù)參數(shù)及規(guī)格負荷測量范圍和精度：精密型采用負荷傳感器，測量范圍為負荷傳感器量程的2%～100%，測量精度優(yōu)于示值的±0.5%。標準型采用液壓傳感器,測量范圍為試驗機最大負荷的2%～100%，測量精度優(yōu)于示值的±1%。變形測量系統(tǒng)采用引伸計測量試樣標距內(nèi)變形。變形量程范圍：引伸計量程的2%～100%變形測量精度：優(yōu)于±0.05%F.S或示值的0.5%,以大者為準。位移測量系統(tǒng)：采用國產(chǎn)的位移傳感器測量兩鉗口間位移量，測量精度：±0.5%F.S。速度控制速度范圍：0.2～50mm/min。速度精度：±0.5%。主要功能可實現(xiàn)計算機對試驗過程的控制由于采用了全數(shù)字式板卡測控系統(tǒng)，可對試驗機試驗的全過程進行監(jiān)控，自動采集處理試驗數(shù)據(jù)，計算、統(tǒng)計試驗結(jié)果，打印試驗報告及繪制各種試驗曲線。打印主要內(nèi)容：試驗條件、原始參數(shù)、試驗結(jié)果（E、σε、σs、可顯示曲線及功能：應力-應變曲線試驗力-伸長曲線試驗力-位移曲線試驗力-時間曲線伸長-時間曲線位移-時間曲線具有全曲線遍歷、局部放大、文本標注、多曲線同幅對比等功能。可進行負荷、變形等速率控制，并可進行負荷、變形、位移保持。在試驗過程中各種控制速度及控制方式可自動切換。具有負荷極限、位移極限、試樣斷裂停機等保護功能和摘引伸計預警提示功能。結(jié)構(gòu)和工作原理試驗機由主機、油源（控制臺）、計算機及板卡測量控制系統(tǒng)四部分組成。主機主機由機座（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，它把試驗空間分成兩個部分，上為拉伸空間，下為壓縮空間。移動橫梁14的上下運動是由控制盒23上的“上升”、“下降”按鈕操作的。當按下按鈕時即驅(qū)動減速器的電動機，通過鏈輪、鏈條、絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動移動橫梁升降，調(diào)整試驗空間。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，通過交流電機驅(qū)動。油箱內(nèi)裝30號透平油。測量控制系統(tǒng)試驗力測量系統(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荷傳感器，安裝在主機試臺與活塞間；標準型采用液壓傳感器，安裝在回油管上。變形測量系統(tǒng)由引伸計、變形放大器板卡測量系統(tǒng)組成。引伸計可根據(jù)試驗要求和技術(shù)規(guī)格選定,常規(guī)為標距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，活塞上升時拉線，推動光電編碼器軸正轉(zhuǎn)，活塞下降時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)計算機插槽最多可擴展10個測量通道，測量分辨率達10000碼，各通道可配置多臺傳感器。計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)由計算機主機、顯示器、鍵盤及打印機等組成?？蓪崟r采集測量值并將各試驗操作納入計算機控制。凍融試塊的單軸壓縮試驗巖石力學所研究的基礎(chǔ)性工作就是首先對巖石的力學性質(zhì)進行試驗[13]。而在巖石力學性質(zhì)研究中最常用手段就是在實驗室內(nèi)進行的巖石力學試驗，在實驗室中進行巖石的研究工作中，巖石的單軸壓縮破壞試驗，則是最基本的巖石力學性能以及其他物理特性常用的測試方法。實驗選取的試件有常規(guī)組巖石試件、凍融組巖石試件，在進行實驗前先將試件進行拍照，測量試件的某些物理力學性能，用以與實驗后的巖石試件的物理力學性能進行對比。為進行試驗前的常規(guī)組與凍融組試件：在進行實驗時，先將凍融組試件與常規(guī)組試件先后放置于試驗機上，進行加壓實驗，進行實驗過程：在對試件加壓至試件表面出現(xiàn)裂縫后，停止加壓，取出試件并對其進行某些物理力學指標的測試，下圖為CL1-1、CL1-2、D1-1、D2-1、D1-4加壓至巖體表面出現(xiàn)裂縫過程時的實驗圖片以典型砂巖巖樣CL1-1、CL1-2、D1-1、D2-1和D1-4為例，D1-1為凍融常規(guī)組，D1-2為常規(guī)凍融循環(huán)作用進行22次試驗組，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)的物理破壞特征進行分析。上圖為典型砂巖巖樣CL1-1、CL1-2、D1-1、D2-1和D1-4隨循環(huán)凍融次數(shù)的外觀變化照片，試樣D1-1是在常規(guī)凍融下進行的單軸壓縮試驗，巖樣的外表面在凍融循環(huán)作用的影響下變化不是很明顯，只是在巖樣的邊緣四周有些許的顆粒發(fā)生脫落；其中圖10為巖樣CL1-1在循環(huán)凍融開始前的照片，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，只是巖樣表面有一條人工加的凹槽，但并未引起巖樣整體出現(xiàn)大的變化，在凍融循環(huán)進行過程中，可以發(fā)現(xiàn)對試驗巖樣的凍融損傷是發(fā)生在該巖樣的這條預制凹槽的周圍，并且從試樣的頂部邊緣以及試樣周圍出現(xiàn)不同程度的裂紋，巖樣表面的顆粒也開始脫落。試樣D1-2是歷經(jīng)22次循環(huán)凍融以下時，經(jīng)歷多次循環(huán)凍融作用后的破壞過程照片，凍融損傷沿斷裂面開始擴展，并且形成了從頂部出現(xiàn)貫通到底部的通常裂縫，并且在裂縫處出現(xiàn)大量的顆粒脫落，并隨著循環(huán)凍融次數(shù)的增加而逐漸加寬，裂紋已經(jīng)接近完全貫通；從巖樣D1-1、D1-2歷經(jīng)數(shù)次循環(huán)凍融后的破壞過程照片中可以明顯看出試驗巖樣明顯出現(xiàn)貫穿試件的長裂縫，巖樣試件頂部出現(xiàn)有層次感的錯落層面形成，并且有局部巖體滑落現(xiàn)象伴隨出現(xiàn)大量的巖樣內(nèi)部顆粒物發(fā)生脫落，巖樣呈現(xiàn)完全破壞的形態(tài)不適合繼續(xù)承受單軸壓縮儀器所施加的荷載。為試樣D1-4在在凍融循環(huán)條件下常規(guī)凍融循環(huán)加載、卸載進行的，可以發(fā)現(xiàn)巖樣在實驗過程中基本與D1-1、D1-2巖樣所表現(xiàn)的破壞特征基本類似，只是在凍融循環(huán)結(jié)束后，將巖樣防止一平面，有部分巖樣從試件上脫落現(xiàn)象與D1-2相比并不是很明顯，試樣基本是從頂部到底部沿著一個斜平面斷裂的，平放在一平面試件不會沿著形成的裂縫而分離為兩個巖塊，試件在經(jīng)受凍融破壞后還會繼續(xù)保證一定的穩(wěn)定性。從以上的實驗現(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，裂縫部位越多的巖體遭受風化現(xiàn)象最為嚴重，本實驗的試驗結(jié)果在現(xiàn)場云岡石窟巖體風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化作用中不可忽略的一個重要因素。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s11試樣基本物理力學特性編號質(zhì)量直徑高度Fmax強度D1-1508.305010211056MpaD1-2490.405010135MpaD1-4491.645010330.9Mpa表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s12試件初始物理力學性能試件試樣編號質(zhì)量直徑(mm)高度(mm)面積(mm2)最大負荷(KN)單向抗壓強度(MPa)最大位移(mm)常規(guī)CL1-150048.251021828.45674.6208140.810831.555556凍融D1-1508.30501021963.495110.187756.118162.090909凍融D1-2490.40501011963.49561.2883431.21392.651515凍融D1-3490.90501011963.4959.1481254.6591021.080808凍融D1-4491.64501021963.49560.7345330.931841.555556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性質(zhì)，通過D1-1、D1-2、D1-3、D1-4與CL1-1試樣的比較，可以發(fā)現(xiàn)：1、在凍融影響下，D1-1試件最大負荷與CL1-1相比增大了不少，單向抗壓強度也有所增加，同時位移量也增加。2、D1-2試樣與CL1-1試樣相比最大負荷有所減少，單項抗壓強度也呈現(xiàn)減小趨勢，但最大位移卻增加了些許。3、D1-3試件與CL1-1試件相比單向抗壓強度減少值最大，最大負荷也最小故而產(chǎn)生的位移量也最小。4、D1-4試件與CL1-1試件相比單向抗壓強度減少了一些但不是太多，最大負荷減少了一些，最大位移量基本不變。從以上測得試樣在凍融循環(huán)過程中的一些力學指標。通過D1-1、D1-2、D1-3、D1-4與CL1-1試樣的比較，可以得出以下結(jié)論：試樣的最大負荷、單向抗壓強度、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)遷移集聚的結(jié)果。本章小結(jié)本章的主要工作是在遼寧工程技術(shù)大學借助吉林省長春試驗機研究所金力試驗技術(shù)有限公司研制的CSS-WAW系列電液伺服萬能試驗機完成的，通過對D1-1、D1-2、D1-3、D1-4與CL1-1試樣的比較得出了試樣在宏觀上的表現(xiàn)：試樣D1-1在常規(guī)凍融下進行的單軸壓縮試驗中表面變化不是很明顯，只是在巖樣的邊緣四周有些許的顆粒發(fā)生脫落；巖樣CL1-1在循環(huán)凍融開始前的照片，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，只是巖樣表面有一條人工加的凹槽，但并未引起巖樣整體出現(xiàn)大的變化，巖樣的凍融損傷是發(fā)生在該巖樣的這條預制凹槽的周圍，巖樣表面的顆粒也開始脫落。試樣D1-2是歷經(jīng)22次循環(huán)凍融以下時，凍融損傷沿斷裂面開始擴展，并且形成了從頂部出現(xiàn)貫通到底部的通常裂縫，并且在裂縫處出現(xiàn)大量的顆粒脫落，并隨著循環(huán)凍融次數(shù)的增加而逐漸加寬，裂紋已經(jīng)接近完全貫通；從巖樣D1-1、D1-2歷經(jīng)數(shù)次循環(huán)凍融后的破壞過程照片中可以明顯看出試驗巖樣明顯出現(xiàn)貫穿試件的長裂縫，巖樣試件頂部出現(xiàn)有層次感的錯落層面形成，并且有局部巖體滑落現(xiàn)象伴隨出現(xiàn)大量的巖樣內(nèi)部顆粒物發(fā)生脫落，巖樣呈現(xiàn)完全破壞的形態(tài)不適合繼續(xù)承受單軸壓縮儀器所施加的荷載。試樣D1-4在在凍融循環(huán)條件下常規(guī)凍融循環(huán)加載、卸載進行的，可以發(fā)現(xiàn)巖樣在實驗過程中基本與D1-1、D1-2巖樣所表現(xiàn)的破壞特征基本類似，只是在凍融循環(huán)結(jié)束后，將巖樣防止一平面，有部分巖樣從試件上脫落現(xiàn)象與D1-2相比并不是很明顯，試樣基本是從頂部到底部沿著一個斜平面斷裂的，平放在一平面試件不會沿著形成的裂縫而分離為兩個巖塊，試件在經(jīng)受凍融破壞后還會繼續(xù)保證一定的穩(wěn)定性。

三軸壓縮實驗試驗概況本次三軸壓縮實驗ADDINCNKISM.Ref.{030D23EC1C454cffA0529B7AD2404624}[14]是在太原理工大學實驗室完成的，實驗所采取的試件是取自云岡石窟的巖體，經(jīng)過濟南海威爾儀器有限責任公司的鉆芯取樣機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械制造廠的切割機上將經(jīng)過鉆芯取樣機處理后的巖石樣品切割成高度直徑符合實驗要求的兩端平整的圓柱體的試件。三軸壓縮試驗是指有側(cè)限壓縮和剪力試驗。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度理論計算剪破面上的法向應力與極限剪切應力。三軸剪切試驗結(jié)果可以確定土壤的抗剪強度指標內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力。與直剪試驗比較，三軸試樣中的應力分布比較均勻，可供在復雜應力條件下研究土壤的抗剪強度特性。由于能準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際中主應力等于小主應力，將其成果應用到平面變形或三向應力狀態(tài)的研究中會有所不符。實驗原理三軸試驗采用圓柱形試樣，可以對試樣的空間三個坐標方向上施加壓力。試驗時先通過壓力室內(nèi)的有壓液體，使試樣在三個軸向受到相同的周圍壓力（其大小由壓力計測定），并維持整個試驗過程不變。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的壓力強度為（偏應力），小主應力是周圍壓力，中主應力和相等。則由一個試樣所得的和，可以繪制一個極限應力圓。對同一種土，另取幾個試樣，改變圍壓，試樣剪壞時所加的軸壓力也會改變，從而又可繪制另幾個極限應力圓。這樣，在不同周圍壓力下試驗，就可得到一組（最少三個試樣）極限應力圓。作這些應力圓的公切線，便是土的抗剪強度包線，由此包線可求得抗剪強度指標和c。本實驗共采用了C-L-1、D-1和D-2的三組試樣，其中D-1的加載為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-L-1、D-1和D-2的三組試樣在試驗機加載作用下的破壞形態(tài)：從上圖中可以看出，C-L-1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)時間加強，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)個小塊，表面顆粒未見有明顯脫落現(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破裂巖體，所形成的斷裂面層次不齊，無規(guī)則可尋，有些許細顆粒物脫落。實驗所測得數(shù)據(jù)基本標準：試件長約100mm試件直徑約50mm面積約0.0019625m^2Load的單位為KNStrain表示軸向位移，單位mmStrain2表示徑向位移，單位mmMove表示壓力機油缸的位移，單位mm軸向應力等于Load(單位KN）除以試件表面積（m^2)，單位最后統(tǒng)一為MPa軸向應變等于Strain量(mm)除以試件長度(mm)（在此以100mm計算）徑向應變等于Strain量(mm)除以試件的半徑(mm)（在此以25mm計算）軸向應變?yōu)閴簯?，用正值表示徑向應變?yōu)槔瓚儯秘撝当硎緦嶒灁?shù)據(jù)表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11試樣D-1在10Mpa部分試驗數(shù)據(jù)NoLoadMoveStrainStrain2Time00.0022730.0143240.0132230.000131010.0145520.0357530.014226-0.00210.3520.0209310.0643240.014909-0.000450.37530.0275740.0714670.017839-0.00220.440.0309260.0750390.0203120.0031180.52550.0355960.078610.0235020.0011259.87560.0419190.0821810.024123-0.0056310.770.0482820.0857530.024848-0.0055111.82580.0540710.0893240.025386-0.0013713.12590.0559740.0928960.027188-0.0031313.85100.058630.0964670.0278720.00072814.825110.0665950.1000390.030932-0.000116.25120.0740780.103610.031551-0.0004918.375130.0763290.1071810.032022-2.9E-0520.05140.0870410.1107530.034064-0.0004621.125150.0935560.1143240.036654-0.0060323160.1055870.1178960.037634-0.0038825.075170.1091110.1214670.0382-0.0074226.875180.1208280.1250390.039295-0.0048127.425190.1283290.128610.040217-0.0046429.9200.1379150.1321810.042001-0.0088732.325210.1386990.1357530.045083-0.0098833.85220.1459970.1393240.047131-0.0029835230.1571040.1428960.047453-0.0107137.1240.1633980.1464670.048719-0.0156339.55250.1699760.1500390.049102-0.0054641.35260.1798350.153610.050678-0.0069142.425270.1879220.1571810.052346-0.0060244.4280.1936390.1607530.055807-0.0075746.525290.2005190.1643240.058478-0.0033148.225300.2096920.1678960.0603-0.0040449.475310.2160410.1714670.063301-0.0052451.5320.2175330.1750390.064012-0.0029453.575330.2208420.178610.065395-0.0019855.475340.232260.1821810.068322-0.0028856.625350.2395360.1857530.071352-0.0079158.625360.2461930.1893240.073696-0.0015260.8370.2577640.1928960.075938-0.0010162.6380.260920.1964670.077315-0.000763.725390.2721770.2000390.080467-0.0025765.725400.2790550.203610.080940.00161568.05410.2881750.2071810.083309-0.0009469.8420.2966230.2107530.085519-0.0023770.95430.2983480.2143240.088262-0.0051372.975440.3103660.2178960.089763-0.0006775.075450.3156070.2214670.092244-0.0024976.875460.3165480.2250390.0949510.00238178470.317880.228610.096078-0.003479.875480.3298830.2321810.0981226.43E-0582.175490.3369240.2357530.101316-0.0023284.025500.3428970.2393240.1032-0.0009585.15510.3508590.2428960.104315-0.0027487.15520.3535530.2464670.106435-0.001689.4530.3621320.2500390.107635-0.0026291.1540.3651660.253610.1101050.00072192.275550.3729880.2571810.111581-0.0003994.35560.3848410.2607530.113294-0.0027996.525570.3938090.2643240.115639-0.0029898.275580.405780.2678960.118993-3.2E-0699.025590.4151890.2714670.120265-0.00949101.4600.4216720.2750390.123192-0.00188103.75610.4271870.278610.1257780.00397105.625620.4350680.2821810.128919-0.00101106.725630.438860.2857530.129097-0.00412108.675640.4443340.2893240.1302380.000394110.85650.4525470.2928960.132411-0.00179112.65660.4626980.2964670.133438-0.00195113.725670.4666370.3000390.1343120.000847115.725680.4747480.303610.1368690.00191117.825690.4809870.3071810.139137-0.00235119.025700.4829310.3107530.1411880.001501120.625710.4866970.3143240.1434530.003568123.05720.4879950.3178960.143640.005294125.9730.4987430.3214670.1448670.00055126.975740.5071250.3250380.146597-0.00304128.475750.5173330.328610.147424-0.00456129.425760.5290130.3321810.149723-0.00533130.975770.5367980.3357530.152523-0.00446133.925780.5431360.3393240.153613-0.00505135.65790.550.3428960.15605-0.00164136.9800.562190.3464670.156621-0.00335139.125810.5699290.3500390.159339-0.00072141.375820.5804480.353610.160076-0.00135143.15830.58650.3571810.162149-0.00861144.2840.5867460.3607530.163331-0.00372146.175850.5897570.3643240.1658880.001961148.325860.5965470.3678960.1674720.000351150.2870.5978010.3714670.169314-0.00037151.275880.6036570.3750390.172186-0.00504153.275890.6058110.378610.173434-0.00122155.325900.6098280.3821810.175036-0.00075157910.6111910.3857530.1781180.004333158.175920.6164780.3893240.1782580.000549160.45930.6253540.3928960.181528-8.4E-05163.3940.6348310.3964670.1822750.002246165.1950.6462770.4000390.1844330.000491165.625960.6556220.403610.1863370.004958167.15970.6597270.4071810.1886850.000294169.325980.6655980.4107530.1900675.77E-05171.275990.6700860.4143240.1921930.003112172.41000.6747450.4178960.1949120.001954174.5751010.680150.4214670.195108-0.0002176.8251020.6860990.4250390.195557-0.00395178.71030.686330.428610.1988570.001452179.851040.6904870.4321810.200997-0.00036181.8251050.6919230.4357530.2019850.001852184.0251060.694760.4393240.2032750.001822185.851070.6975320.4428960.203815-0.00225186.9251080.7034090.4464670.204790.002274188.951090.7115290.4500380.2059030.003038191.1751100.7165280.453610.2070860.0007351931110.7232190.4571810.2078790.000152194.0751120.7302090.4607530.209106-0.00656196.1251130.7397870.4643240.2095680.001532198.31140.7450880.4678960.2126310.001206200.2251150.7592650.4714670.2130920.00245201.3251160.7927550.4750390.216149-0.00168203.351170.8517610.478610.217585-0.00084205.5251180.9258140.4821810.217817-0.00141207.3251190.9966820.4857530.2189760.001461208.3751201.0387880.4893240.221353-0.00225210.4251211.1051810.4928960.224038-0.00351213.51221.3208390.4964670.226026-0.00407214.0751231.3319960.5000390.2284620.002942215.61241.3476050.503610.231479-0.00213217.71251.4511940.5071810.231980.000427219.61261.5037190.5107530.2332590.004592220.71271.5534090.5143240.2336330.003259222.8251281.6161920.5178960.2345080.003731225.051291.6819320.5214670.2368820.002289226.8751301.783290.5250390.2394060.007299227.1251311.8801240.528610.2421730.005561229.7251321.9027370.5321810.2441170.00939232.41332.0213630.5357530.2444580.002772234.31342.1315540.5393240.2473940.00738235.3751352.1771470.5428960.250231-0.00182237.3251362.2634830.5464670.2512660.003533239.4751372.3586860.5500380.2531070.002325241.2751382.4505080.553610.2564550.004438242.2251392.4879620.5571810.2588440.00274244.351402.5190930.5607530.261666-0.00012246.61412.6262270.5643240.2632420.007637248.41422.7375330.5678960.2647280.005347249.451432.7471530.5714670.2666210.005161251.4751442.8007020.5750390.2677860.002158253.71452.9359360.578610.2703330.001822255.51463.0204150.5821810.2722240.005169256.4751473.0749340.5857530.274565-0.0001258.61483.1447060.5893240.2757830.005968260.851493.2526410.5928960.2763980.005048262.651503.3411930.5964670.2781640.00785263.751513.3673790.6000390.2793040.002835265.751523.4525940.603610.2820240.005405267.951533.5872010.6071810.2845050.006558269.81543.7034740.6107530.2866170.005273270.851553.7350780.6143240.2870970.009053272.8751563.7805190.6178960.2873230.007899275.0751573.8831770.6214670.2890810.00908276.8751583.9787540.6250380.2903110.007036277.9751594.0139860.628610.2934140.006459279.9751604.0401790.6321810.2965390.009484282.21614.0954950.6357530.297520.007686284.051624.1658930.6393240.3000490.004156285.1251634.1585480.6428960.3029270.004917287.1751644.2134890.6464670.3049560.010226290.151654.413720.6500390.3078810.010848290.751664.4294510.653610.3109570.008467292.41674.4750210.6571810.3128260.004194294.51684.5796210.6607530.3152190.003345296.41694.6417460.6643240.3172180.006626297.551704.6465910.6678960.3176310.001052299.6251714.6893220.6714670.3192710.00376301.851724.7583330.6750380.3214180.005478303.51734.8693530.678610.3232430.002883304.6751744.9070090.6821810.3245380.003179306.9751754.9488340.6857530.32760.004603309.21765.0626970.6893240.330342-0.00259310.9751775.1982150.6928960.3332520.002925311.9751785.2323280.6964670.33454-0.00165314.0251795.3190710.7000390.3366090.000293316.1751805.4474890.703610.339630.001968318.0751815.569670.7071810.3425960.004211319.1251825.6122250.7107530.344750.006551321.11835.7140840.7143240.3457160.005128323.051845.841390.7178960.3480930.004649324.71855.9748880.7214670.348403-0.00083261865.9930110.7250390.3497730.007588328.351876.05680.728610.3521440.010176330.61886.199080.7321810.3553390.009561332.451896.3087630.7357530.3580050.01119333.451906.3343260.7393240.359645-0.00044335.4751916.4142950.7428960.3621080.008072337.751926.5447060.7464670.3635020.007889339.51936.6584330.7500380.3668810.005662340.5251946.7241240.753610.3699940.003567342.3251956.8125990.7571810.3729290.005837344.5751966.9462720.7607530.3743160.001206346.5751977.1024110.7643240.3757790.007056347.651987.1777180.7678960.3767070.003875349.751997.2853650.7714670.3794060.0035352.7752007.6064820.7750390.3824950.005635353.375通過對上面表中的數(shù)據(jù)進行處理后，得到軸向應力與軸向應變、軸向應力與徑向應變的關(guān)系曲線，圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s11試樣D-1軸向應力-軸向應變圖圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s12試樣D-1軸向應力-徑向應變圖從上面曲線中可以明顯看出：巖樣的最大軸向應變值為93,、最大徑向位移為92，趨勢線中黑色圖線所示，巖石的軸向壓力與軸向應變曲線圖中有上升段和下降段，根據(jù)巖石力學的基本知識，可以知道，巖石的變形可以分為塑性變形和彈性變形兩個階段，但是巖石的破壞主要是與塑性破壞有關(guān)的，巖樣D-1的加載情況為10Mpa，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到屈服強度，在圖表上軸向壓力軸向應變的曲線呈現(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)部孔隙等承擔轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕晒腆w顆粒物來承擔，巖樣在宏觀上表現(xiàn)就是表面開始出現(xiàn)裂紋并伴隨有細顆粒物的脫落。在荷載的繼續(xù)作用下，隨著軸向應力的繼續(xù)增加，巖樣的軸向應變和徑向應變也繼續(xù)增加，曲線呈上升的趨勢，當所受荷載達到一定值時，軸向應變和徑向應變均產(chǎn)生了峰值即巖樣的軸向應變和徑向應變達到了最大數(shù)值，軸向應變和徑向應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)過這個拐點就轉(zhuǎn)變?yōu)榱怂苄宰冃坞A段，可以看出，越過拐點后，軸向應變與徑向應變值隨著施加荷載的增加開始呈現(xiàn)下降趨勢，這時巖樣主要是通過其內(nèi)部組成的礦物顆粒來承擔沿前期形成的裂縫開始分裂成兩個部分。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)。當巖石進入塑性變形時，巖石內(nèi)部微裂紋開始發(fā)展和擴張，就會出現(xiàn)不可逆損傷。根據(jù)圖像推出以下關(guān)系式：軸向應力與軸向應變擬合函數(shù)：y=381592x2+2448.3x-6.761軸向應力與徑向應變擬合函數(shù)：y=-2E+06x2-26598x+2.2769表STYLEREF1\s4SEQ