石质古建筑风化深度确定方法.pdf

第30卷第1期地球科学与环境学报No . 1Vol . 30 2 0 0 8 年 3 月 Journal of Earth Sciences and Environment Mar.2 0 0 8 收稿日期 2007-08 -28 基金项目 福州大学科技发展基金项目 2006 -XQ-11 ; 福州大学引进人才科研基金项目 824951 作者简介 刘成禹 1970 - , 云南富源人, 讲师, 博士, 从事工程地质及岩土工程研究。E -mail Liuchengyuphd126. com 石质古建筑风化深度确定方法 刘成禹 1 , 何满潮 2 1. 福州大学 环境与资源学院, 福建 福州 350108; 2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院, 北京 100083 摘要在古建筑石构件不同深度岩样化学成分和矿物成分测试的基础上, 对根据不同深度岩样化学成分及矿物 成分的变化来确定风化深度的方法进行了深入研究。 结果表明 由于岩石成岩之初其矿物成分和化学成分在不 同部位存在差异, 风化后矿物成分和化学成分随深度的变化不具规律性, 提出根据化学风化指数沿深度的变化 来确定石构件化学风化深度的方法。 实践证明这一方法能较准确地获得石构件的化学风化深度。 关键词石质古建筑; 风化深度; 化学成分; 矿物成分; 化学风化指数 中图分类号 P642. 5 文献标志码A 文章编号1672-6561 2008 01 -0069 -05 of Determining Weathering Depth of Rock Ancient Building LIU Cheng-yu 1 , HE Man-chao 2 1. School of Environment and Resources , Fuzhou University , Fuzhou 350108, Fujian, China; 2. School of Mechanics and Architecture Engineering , ChinaUniversity of Mining , Beij ing 100083, China AbstractBased on the mineral component and chemical composition test of rock examples from different depths in an ancient building , this paper studied the conventional determining weathering depth according to the change of mineral component and chemical composition of rock examples in different depths. The result indicates that the change of mineral component and chemical composition of weathered rock with depth is ruleless because there is difference in the mineral component and chemical composition in different positions of this rock at the beginning of diagenesis.Thus, the conventional determining weathering depth according to the relation of single mineral component or chemical composition with depth will became inapplicable.This paper presented a new for determining weathering depth aiming at above condition, which determines weathering depth from the relation of chemical weathering indices with depth. Practice proves that this presented can get accurate chemical weathering depth of ancient stone carving, grotto and rock component of building. Key wordsrocky ancient building;weathering depth;chemical composition;mineral component;chemical weathering indices 0 引言 风化深度是石雕、石窟及石质古建筑稳定性、 耐久性评价和保护方案制定的重要依据之一。它 不仅是判定哪一部分发生风化、材料性质发生变化 的依据,同时还是确定风化速度 、判定风化程度和 确定石雕石窟及石质古建筑加固方法与加固深度 的依据 ,因此 , 对其确定方法进行深入研究具有重 要意义 。 在风化深度确定方法方面 ,石雕石窟及石质古 建筑与地质体或传统地质工程相比有其特殊性 。 这主要是因为两者在工程尺度上有明显差异, 地质 学传统意义上的风化带深度小则几十厘米 ,大则数 十米,而石雕石窟及石质古建筑的风化深度大多几 厘米 。因此用确定地质体风化深度的传统方法去 研究石雕石窟及石质古建筑的风化深度是不适宜 的[ 1]。目前 ,确定石质古建筑风化深度的方法主要 是基于风化前后 ,岩石的结构与强度及成分等会发 生不同程度的变化 , 在此基础上 , 取不同深度岩样 作物理、 化学、 矿物成分或表面强度等测试 , 以这些 测试结果的单一指标或多个指标沿深度的变化趋 势来确定岩石的风化深度[ 2]。李宏松[ 3]根据大足 宝顶山摩崖造像岩石表面回弹值随深度的变化 ,确 定石造像的风化深度 ; Shocihi Hachinohe 等[ 4]以岩 石表面针刺硬度 needle penetration hardness 随 深度的变化确定风化深度; Tamer T opal [ 5] 根据岩 样化学成分随深度的变化确定风化深度; Takahiro Oyama 等[ 6]在综合分析岩样中黄铁矿、 Fe2O3、 针刺 强度 、 孔隙度、 渗透系数等沿深度变化的基础上 ,确 定岩石的风化深度。 由于风化岩样的物理力学指标 强度 、 孔隙率、 渗透系数等 的测试结果受取样扰动影响较大, 所 以根据这些指标沿深度的变化来确定风化深度的 准确性决定于取样的扰动程度。而风化岩样的矿 物成分和化学成分不受取样扰动的影响, 且具有测 试方便、 所需样品少、取样对研究对象损伤少等优 点,所以根据它们随深度的变化来确定风化深度比 较适宜于石雕石窟及石质古建筑。然而, 同一岩石 在成岩之初不同部位的矿物成分和化学成分存在 差异 ,在其影响下, 岩石风化后单一矿物成分或化 学成分随深度的变化可能不具规律性, 也无法根据 它们的变化来确定风化深度 。因此 ,笔者提出在不 同深度岩样化学成分测试的基础上 ,根据化学风化 指数沿深度的变化来确定风化深度的方法 , 通过对 义乌宋代古月桥石质构件风化深度的确定 , 结果表 明,这一方法能较准确地获得古建筑石质构件的风 化深度。 1 研究对象概况 古月桥位于浙江省义乌市 , 建于宋嘉定六年 公元 1213 年 ,2001 年 6 月公布为国家重点文物 保护单位 。古月桥承载结构由 36 根长 2. 8 ～ 4. 0 m 、 宽 0 . 3 m 、 高 0. 55 m 的纵肋条石和 4 根长 4 . 75 m 、 宽 0 . 58 m 、 高 0. 30 m 的横锁石组成。现场勘察 及分析发现, 风化是引起石质构件损伤的重要原 因。为制定该桥稳定性及加固对策的需要 , 对承载 结构的风化深度进行研究。为此 ,在现场选取风化 代表性条石 ,并在不同深度取岩样做 X 射线衍射和 化学分析,以确定其矿物成分和化学成分 表 1、 2 。 表 1 不同深度处岩样的矿物成分 Tab. 1 Mineral Mass Percentage of Rock Specimens in Different DepthswB/ 矿物 成分 距表面深度/ cm 0～ 1 . 51 . 5～ 3 . 0 3 . 0 ～ 5 . 0 5 . 0～ 7 . 0 7 . 0～ 9 . 0 9 . 0 ～ 12 . 0 石英37 . 136 . 335 . 736 . 338 . 043 . 9 长石33 . 637 . 833 . 124 . 627 . 439 . 6 方解石0 . 72 . 40 . 01 . 70 . 00 . 8 黄铁矿0 . 60 . 90 . 01 . 30 . 00 . 0 粘土28 . 022 . 631 . 236 . 134 . 615 . 7 表 2 不同深度处岩样的化学成分 Tab. 2 Chemical Constituent Mass Percentage of Rock Specimens in Different DepthswB/ 化学 成分 距表面深度/ cm 0～ 1 . 51 . 5～ 3 . 0 3 . 0 ～ 5 . 0 5 . 0～ 7 . 0 7 . 0～ 9 . 0 9 . 0 ～ 12 . 0 SiO267 . 5067 . 8069 . 2071 . 1070 .0069 . 60 Al2O313 . 1012 . 1012 . 5012 . 7012 .1012 . 50 Fe2O31 . 401 . 331 . 642 . 141 .171 . 01 M gO0 . 540 . 600 . 480 . 460 .470 . 50 CaO1 . 951 . 531 . 331 . 341 .831 . 35 Na2O2 . 542 . 712 . 593 . 293 .082 . 99 K2O5 . 074 . 714 . 793 . 644 .804 . 52 TiO20 . 300 . 310 . 290 . 270 .250 . 25 H2O2 . 192 . 141 . 821 . 461 .221 . 15 2 矿物成分及化学成分沿深度的变化 根据表 1 、 2 的测试结果, 作出矿物成分及化学 成分沿深度的变化曲线 图 1 、2 。由图 1、2 可看 出 岩样中主要矿物成分及化学成分并没有呈现沿 深度变化的规律性。 钾、 钠 、 钙、镁是岩石中较易迁移的元素[ 7]。由 于岩石的风化程度具由外向内逐渐减弱的特点, 因 此,如果岩石形成之初其矿物成分和化学成分在各 部分是均匀的,岩石风化后,这些易迁移氧化元素物 含量在风化层内应具由外向内逐渐变化的单调性。 然而 ,图2 中并未呈现出变化的单调性 ,其原因在于 岩石在成岩之初各部分的矿物成分和化学成分就存 在差异。 由于岩样中主要矿物成分及化学成分并未呈 现出沿深度变化的规律性, 所以 ,在这种情况下就 不能直接根据单一矿物成分或化学成分沿深度的 变化来确定风化深度 。 70地球科学与环境学报 第 30 卷 图 1 不同深度矿物成分 Fig. 1 Mineral Component Mass Percentage in Different Depths SiO2、Al2O3质量分数为表 2 中 SiO2、 Al2O3质量分数分别减去 65和 12 图 2 不同深度岩样化学成分 Fig. 2 Chemical Constituent Mass Percentage in Different Depths 3 根据化学风化指数确定风化深度 化学风化指数 Chemical weathering index 是 根据岩石风化前后化学成分会发生变化提出的。 20 世纪以来, 前人 已提出 20 余种化学风化指 数[ 5,8],这些化学风化指数除 LOI 以质量分数比表 示外 ,其余均以摩尔分数比表示 。以摩尔分数比表 示的化学风化指数总体上分为两大类, 一类为已做 归一化处理的 , 即以未风化岩样为标准 , 将风化样 与之比较 ; 另一类为未作归一化处理的。表 3、4 根 据文献[ 5 ,8] 整理出的归一化和未归一化化学风化 指数 。这些化学风化指数被广泛用于评价岩石风 化物的风化强度[ 9-10]。 表 3 归一化的化学风化指数 Tab. 3 Normalized Chemical Weathering Indices 序 号 化学风 化指数 计算公式 1B BIweather/ Isound I x K2O Na2O CaO / x Al2O3 2B′B′ Iweather/Isound I x K2O Na2O / x Al2O3 3BT BT [ x K2O Na2O / x Al2O3 ] weathered/{ [ x K2ONa2O / x Al2O3 ] fresh x CaO/ MgO } 4WI WIIweather/ Ifresh I [ x K2O Na2O CaO -H2O / x SiO2Al2O3 Fe2O3 TiO2CaO M gO Na2O K2O ] 5K KIweather/ Xsound Ix SiO2/Al2O3 X x K2O Na2O CaO / xAl2O3 6ImobImob Ifresh-Iweather / Ifresh I x K2O Na2O CaO 表 4 未归一化的化学风化指数 Tab. 4 Un -normalized Chemical Weathering Indices 序 号 化学风 化指数 计算公式 1CIWx Al2O3 / x Al2O3 Na2O CaO 100 2CIAx Al2O3 / x Al2O3 Na2O K2O CaO 100 3CAN[ x Al2O3 / x Al2O3CaO Na2O ] 100 4SAx SiO2/Al2O3 5Krx SiO2 / x Al2O3Fe2O3 6Bax K2O CaO Na2O / x Al2O3 7Ba1x K2O Na2O / x Al2O3 8Ba2x MgO CaO / x Al2O3 9 Ba3x K2O Na2O M gO / x Al2O3 10R x SiO2/Fe2O3 11WPI [ x K2O Na2O CaO -H2O 100]/ x SiO2Al2O3 Fe2O3TiO2CaO M gO Na2O K2O 12MWPI [ x Na2O K2O CaO M gO 100]/ x Na2O K2O CaO MgO SiO2Al2O3 Fe2O3 13PIx SiO2 / x SiO2 TiO2Fe2O3 Al2O3 100 14Si -Ti x SiO2/TiO2 / x SiO2/ TiO2 x SiO2/Al2O3x Al2O3/ TiO2 ] 15LOIw H2O 的质量与样品总质量分数比 16P [ x 2Na2O /0 . 35x MgO / 0. 9x 2K2O / 0 . 25 x CaO / 0 . 7] 100 根据表 2 的结果 ,计算出距条石表面不同深度 的化学风化指数 表 5、 6 。 根据表 5 的结果 ,以已作归一化处理的化学风 化指数为纵坐标, 以深度为横坐标 ,作出其关系曲 线 ,如图 3。 由于表 6 的化学风化指数未作归一化处理, 所 以先作归一化处理,将距表面9. 0～ 12 . 0 cm处的化 学风化指数值设为数值 1,以此为标准 ,将其余深度 71第 1 期 刘成禹, 等 石质古建筑风化深度确定方法 表 5 古月桥不同深度岩样归一化的化学风化指数 Tab. 5 Normalized Chemical Weathering Indices of Ancient Moon Bridge Rock Samples in Different Depths 距表面 深度/ cm 化学风化指数 BTB′ImobBWIK 0 . 0 ～ 1. 50 . 9400. 415-0. 1271. 164122 . 2011 . 245 1 . 5 ～ 3. 00 . 8700. 6110. 0001. 000100 . 0210 . 467 3 . 0 ～ 5. 00 . 8160. 5610. 0460. 93942 . 4511 . 751 5 . 0 ～ 7. 00 . 8380. 274-0. 1361. 13639 . 4411 . 372 7 . 0 ～ 9. 00 . 8750. 303-0. 1811. 22025 . 8611 . 310 9 . 0 ～ 12 . 00 . 8180. 220-0. 2651. 20724 . 8111 . 382 表 6 古月桥不同深度岩样未归一化的化学风化指数 Tab. 6 Un -normalized Chemical Weathering Indices of Ancient Moon Bridge Rock Samples in Different Depths 距表面 深度/cm 化学风化指数 WPIMWPIPIRPCIWCIACAN 0 . 0 ～ 1 . 5 3 . 3588 . 966 89 . 784 9 . 466 68 . 307 2 . 548 54 . 440 69 . 227 1 . 5 ～ 3 . 0 2 . 7488 . 196 90 . 039 9 . 835 72 . 661 2 . 225 50 . 654 64 . 779 3 . 0 ～ 5 . 0 1 . 1677 . 636 89 . 349 9 . 517 63 . 446 2 . 311 55 . 992 67 . 799 5 . 0 ～ 7 . 0 1 . 0849 . 082 89 . 423 9 . 411 69 . 363 2 . 238 51 . 269 65 . 16 7 . 0 ～ 9 . 0 0 . 6619 . 772 89 . 625 9 . 526 70 . 632 1 . 961 49 . 477 62 . 548 9 . 0 ～ 12 . 0 0 . 572 10 . 191 88 . 867 8 . 760 73 . 034 2 . 042 49 . 749 62 . 889 距表面 深度/cm 化学风化指数 LOISi-TiSAKrBa Ba1Ba2Ba3 0 . 0 ～ 1 . 52 . 190 . 8849 . 4669 . 002 0 . 836 9 0 . 7860 . 1530 .888 1 . 5 ～ 3 . 02 . 140 . 8879 . 8359 . 264 0 . 974 2 0 . 8490 . 2240 .948 3 . 0 ～ 5 . 01 . 820 . 8839 . 5178 . 594 0 . 786 0 0 . 7370 . 1410 .830 5 . 0 ～ 7 . 01 . 460 . 8809 . 4118 . 685 0 . 950 5 0 . 7570 . 2920 .855 7 . 0 ～ 9 . 01 . 220 . 8799 . 5268 . 902 1 . 021 2 0 . 7910 . 3570 .917 9 . 0 ～ 12 . 0 1 . 150 . 8758 . 768 . 201 1 . 010 1 0 . 7390 . 3760 .844 处的化学风化指数数值除以距表面 9 . 0～ 12 . 0 cm 处的化学风化指数, 得到不同深度处的化学风化指 数值 ,作出它们的关系曲线 图 4 。 由图 3、4 可以看出 , 在这些化学风化指数中 , WPI、WI 、LOI 呈现出明显的随深度变化的单调 性。深度在 7 ～ 9 cm 以前 , 这 3 个化学风化指数 随深度增加而明显降低, 降低幅度由外向内逐渐 趋于平缓 ,这正是风化程度由外向内逐渐减弱的 表现 ; 深度在 7～ 9 cm , WI 、WPI、LOI 数值随深度 的变化不再明显 , 所以该条石的风化深度为 7 ～ 9 cm , 场穿透法 CT 测试所得到的 A 、B 剖面纵波波 速分布如图 5 。 由图 5 可看出 ,该条石侧面的风化深度为 8 ～ 8. 5 cm 。 现场穿透波 CT 测试结果得出的风化深度 与用化学风化指数确定的风化深度基本一致, 说明 根据化学风化指数沿深度变化来确定古建筑石构 件的风化深度是可行的。 图 3 归一化的化学风化指数与深度关系 Fig. 3 Relation of Normalized Chemical Weathering Indices with Depths 图 4 化学风化指数比与深度关系 Fig. 4 Relation of Chemical Weathering Indeices Radio with Depths 72地球科学与环境学报 第 30 卷 图 5 条石剖面纵波分布 Fig. 5 Distribution of Longitudinal Wave Speed in Cross Section of Block Stone 4 结语 由于岩石在成岩之初各部分的矿物成分和化 学成分存在差异 , 在其影响下, 岩石风化后矿物成 分和化学成分随深度的变化可能不具规律性 ,以往 根据单一矿物成分或化学成分沿深度变化来确定 风化深度的方法将不再适用。因此提出在不同深 度岩样化学成分测试的基础上, 根据化学风化指数 沿深度变化来确定风化深度的方法 ,实践证明, 该 法能较准确地获得石雕石窟及石质古建筑的风化 深度 。 化学风化指数是根据岩石风化前后化学成分 会发生变化提出的 。只有在风化后岩样化学成分 发生改变的条件下,化学风化指数才会变化, 所以 , 用化学风化指数来确定风化深度的方法只适用于 石雕石窟及石质古建筑的风化以化学风化为主的 情况。 参考文献 [ 1] 黄克忠, 解廷藩. 云岗石窟石雕的风化与保护 文物保护与环 境地质[ M] . 北京 地质出版社, 1992. 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