水-岩溶蚀作用下石窟寺砂岩阶段性劣化特征及损伤模型研究

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砂岩是我国石窟寺最常见的赋存岩石类型,砂岩由于本身疏松多孔,胶结矿物易于发生化学溶蚀反应,具有强烈的水-岩溶蚀作用,严重威胁着石窟寺岩体的长期耐久性及稳定性。然而,当前研究仅揭示了石窟寺砂岩水-岩溶蚀劣化过程的整体趋势,劣化过程的阶段性特征和机制不明,导致砂岩型石窟的保护缺乏精准的针对性。另外,酸雨环境的长期溶蚀会改变岩体内部矿物组分和微观结构,进而加剧水-岩溶蚀劣化作用。当前的岩体损伤模型仅表征了劣化次数与损伤参数的关系,未耦合表征酸性强度(p H值)与岩体损伤参数的关系,导致酸性环境下石窟寺砂岩稳定性评估缺乏定量手段。基于上述问题,本文以安岳石窟圆觉洞砂岩为研究对象,分别开展了干湿循环试验、酸蚀循环试验等室内水-岩溶蚀模拟试验,通过室内单轴、三轴、巴西劈裂力学试验以及微观测试等方法,探究了砂岩在各溶液环境下宏观性能、微观形貌的变化规律与特征以及溶蚀机制。主要研究工作及成果如下:(1)分析了开放条件下安岳石窟砂岩在水-岩溶蚀作用下的宏观物理力学性质、细观孔隙特征和微观结构的变化规律,探究了安岳石窟砂岩阶段性劣化损伤特征。研究发现,质量、波速、孔隙率等岩石基本物性指标均随水-岩溶蚀循环进行而逐渐劣化。砂岩试样三轴压缩强度以及抗拉强度随水-岩溶蚀作用的进行而逐渐降低,其峰值强度分布符合阶段性损伤规律。(2)砂岩在水-岩溶蚀过程中存在阶段性劣化损伤特征,孔隙变化、微观结构性质改变以及矿物含量变化是决定水-岩溶蚀作用下砂岩劣化效应的三个关键因素。据此,将石窟寺砂岩水-岩溶蚀劣化损伤过程分为三个阶段,各阶段分别受孔隙变化、微观结构变化、矿物成分变化所控制。(3)基于对水-岩溶蚀循环后的砂岩物理力学性质测试。分析了不同水-岩溶蚀循环次数下砂岩的能量演化规律,根据溶蚀前后耗散能比的相对变化建立了水-岩溶蚀作用下砂岩的时效损伤模型。同时,厘定了p H值和岩石劣化损伤参数的线性关系,从而定量表征了酸性强度(p H值)在水-岩溶蚀作用下对岩石劣化损伤的影响。并针对现场实际条件进行了模型的实践验证,结果表明模型能够很好的为水-岩溶蚀作用下石窟寺砂岩劣化损伤程度进行定量化表征。
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