颐和园万寿山岩石物理力学试验与岩矿分析*

杨建民　秦　军　巴振宁　张　龙　刘　瑗

颐和园万寿山岩石物理力学试验与岩矿分析*

杨建民①②秦军①巴振宁①②张龙③④刘瑗⑤

( ①天津大学建筑工程学院土木工程系天津300072)

( ②滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室( 天津大学) 天津300072)

( ③天津大学建筑学院建筑系天津300072)

( ④文物建筑测绘研究国家文物局重点科研基地( 天津大学) 天津300072)

( ⑤颐和园管理处北京100091)

摘要颐和园是世界文化遗产，其万寿山山体既是文物本体，也是建筑、题刻等文物和草木的载体，保护万寿山及其承载的文物，首先需要对万寿山山体的特征和岩体特性进行调查和研究。本文在查阅万寿山地质成因的基础上，测量了岩层的产状和多处裸露岩石的回弹值。对现场散落岩块进行了密度、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等物理力学指标测试。选取典型岩块，开展薄片、光片和电镜扫描等测试分析其矿物成分，获得了万寿山岩石矿物组成与含量比例。以上试验和测试成果是后期万寿山山体工程地质研究和石质文物保护的理论依据，具有重要的理论意义和广泛的应用价值。

关键词万寿山产状岩块强度指标岩矿分析

( ①Department of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072)

( ②Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety( Tianjin University) ，Ministry of Education，Tianjin 300072)

( ③Department of Architecture，Tianjin University，Tianjin 300072)

( ④Key Scientific Research Base of Building Surveying and Mapping of Cultural Relics，State Administration for Cultural Heritage ( Tianjin University) ，Tianjin 300072)

( ⑤Beijing Summer Palace Administration，Beijing 100091)

1颐和园之万寿山概况

颐和园位于北京市西北郊区，主体由万寿山、昆明湖组成，占地约290hm，湖泊面积约占四分之三。万寿山高58.59m，山体表面积约为36×104m2，佛香阁、四大部洲、画中游等众多古代建筑分布其上，山势南北坡陡峭，东西向略缓。山体植被覆盖度良好，南坡以桧柏为主，北坡以松树为主，散落一些落叶乔木。山体等高线70m以下人工草坪较多，其间点缀许多碧桃、迎春等灌木，等高线70m以上山体为野生植被、树木所覆盖(白净， 2014)。

万寿山局部山体岩石裸露，部分裸露岩石出现风化脱落现象，其中包括珍贵的砂岩质艺术品类文物和石质建筑，如清可轩、摩岩罗汉等。其余岩石裸露部分虽无石刻，但由于岩石位于半山腰，其风化导致的岩石脱落或山石失稳易对过往游客和下方的亭、阁、廊带来安全隐患。对山体裸露岩石的监测加固和石质文物的保护具有非常重要的现实意义。

2万寿山现场调查

万寿山的形成及演变历史至少能追溯到2.5亿年前的二叠纪。当时西山已从海陆交替的振荡状态上升为陆地，地势比较平坦，内陆湖泊发育，气候干燥炎热，形成了构成山体的“红庙岭砂岩”。在距今1.8～1亿年的燕山运动过程中，西山又经历了翻天覆地的巨大变化，火山喷发，盆地陷落，崛起为山，从此奠定了西山峦峰叠嶂的基本地貌框架。本来万寿山与玉泉山、香山等一脉相连，是西山伸入北京小平原的最东端，均为西山乃至燕山山脉的组成部分。但在后来地壳变动过程中，八宝山断裂的出现与剧烈活动及强烈的侵蚀作用将万寿山与其分开，形成平原腹地的一座小孤山(颐和园管理处， 2006)。

万寿山海拔108.94m，山体为单斜构造，山岩多为淡红色、颗粒较大、质地坚硬，由白色石英粒和红色铁质黏体组合而成，为坚硬的长石石英砂岩。岩层中夹杂的白色石脉为石英，由岩浆活动形成。岩层大致为东西走向，向北倾斜，倾角比较大，局部岩层近似为直立产状。现场调查分区如图1，其中2#、4#、5#、6#、8#、10#、12#、13#、18#、19#、24#、25#、26#、27#、34#、35#、37#和38#区内有裸露岩石，对13#、18#、28#、35#和38#区内岩层露头处产状测量具体结果如表1。

表1　岩层产状

图2　部分裸露岩石风化状况Fig. 2　Some pictures of weathered rocks

图3　岩块室内试验照片Fig. 3　Photos of laboratory test for rocks

自清朝乾隆年间修建至今历近300年，万寿山裸露岩石经物理、化学和生物风化作用，岩石表层有不同程度的蚀变，现场部分岩石风化照片如图2 所示。

3岩石物理力学指标测试

为了更深入研究万寿山岩石特性，针对其特性，在不破坏文物的前提下按照标准试验方法开展了系列物理力学特性测试，包括原位试验的回弹值测量，室内试验的密度、含水率、抗压强度、冻融循环后抗压强度、抗拉强度、三轴压缩强度测试，获得大量试验成果。

3.1原位回弹值测量

岩石回弹值的测量与产状测量在现场同步开展，采用HT-225型回弹仪，测量了小有趣、福荫轩、重翠亭、清可轩、画中游、智慧海和转轮藏共7个区域岩层的回弹值。参考国内规程采用的方法：在每个区内测得16个数据点，计算时舍去试区内3个最大值和3个最小值，然后计算出平均回弹值，再进行修正，依修正后的回弹值及岩块重度γ求出岩块单轴抗压强度(张咸恭等， 1988)，结果(表2)。

表2　回弹值测试获得的各测区岩块抗压强度值

表中所列岩石回弹试验的冲击角度为0°，岩石状态为干燥

3.2室内试验

图3为室内试验的部分照片，图4 和图5 为三轴剪切试验的应力-应变曲线和极限平衡状态下的应力莫尔圆。表3为室内试验结果。

表3　岩块室内试验结果

图4　三轴压缩试验应力-应变曲线Fig. 4　Stress-strain curve of triaxial compression test

表4　岩石薄片鉴定结果

图5　极限平衡状态应力莫尔圆 Fig. 5　Stress Mohr circle for limit equilibrium state

表3可以看出：各场地岩块的密度均值较为接近，属于天然石材密度的合理区间范围； 各场地岩块干燥状态下抗压强度幅值范围为40～70MPa； 劈裂实验显示各场地岩块的抗拉强度接近； 岩石的吸水率实验显示属于石英石吸水率范围(1%～2%)； 对比冻融循环前后各场地的石材抗压强度，试验显示经过多次冻融循环后，各场地试件的抗压强度出现较为明显的降幅，说明场地岩石的含水量、温度变化对于表层岩石的强度影响较为明显。

现场原位回弹实验测得的岩块抗压强度值小于室内实验条件下的抗压强度值，其原因为岩石表层为风化层，强度较低，室内实验试样在加工成标准试件时已经将表层切除。

三轴压缩试验中试件2#、3#和6#试件的应力-应变曲线显示其在低围压下呈脆性破坏，由1#～6#试件的极限平衡状态应力莫尔圆得岩块的库仑-纳维尔强度准则判据中黏聚力c值为2.741MPa，内摩擦角φ值为48.9°。

4岩矿分析

为了进一步了解万寿山岩石力学性能和抗风化能力的内因，开展了岩石矿物分析和化学分析。利用偏光显微镜对透明矿物薄片进行系统的光学性质测定，不透明矿物采用光片鉴定。

4.1薄片鉴定

薄片分析得到岩石主要由砾级碎屑、砂级碎屑、填隙物组成。岩石蚀变弱，蚀变矿物为绢云母。岩石矿化弱。岩石形成过程大致为：原岩为中细粒岩屑石英砂岩 → 区域变质 → 弱蚀变、弱矿化。鉴定名称为变质中细粒岩屑石英砂岩。

砾级碎屑为单晶石英、多晶石英、石英岩、硅质岩，次棱-次圆状，大小一般为2～5mm，星散状分布。砂级碎屑为石英、岩屑。石英部分为单晶石英、部分为多晶石英，次棱角状为主，部分次棱-次圆状，大小一般为1～2mm，部分为0.5～1mm(粗)，少部分为0.25～0.5mm(中)，极少为0.1～0.25mm(细)，定向分布。为岩石之主体部分。波状消光明显，可见带状消光。岩屑为硅质岩、黏土质硅质岩、石英岩，并可见少量绢云母集合体、云母碎屑，次棱状为主，部分次棱-次圆状，大小一般为1～2mm，部分为0.5～1mm，少部分为0.25～0.5mm，定向分布。填隙物为黏土杂基。黏土杂基已变为绢云母。绢云母片状，片直径为0.005～0.02mm，部分为0.02～0.05mm，少部分为0.05～0.1mm，填隙状分布。

4个岩样薄片鉴定图片(图6)， 9个岩样具体鉴定结果(表4)(张江满， 2014a，2014b)。

4.2光片鉴定

光片分析得到岩石由透明矿物和不透明矿物组成，不透明矿物主要为黄铁矿、白钛矿、褐铁矿。不透明矿物生成顺序：黄铁矿→白钛矿→褐铁矿。鉴定名称为白钛褐铁矿化岩石。

图6　薄片鉴定图片Fig. 6　Pictures from thin section examination of rocks

图7　光片鉴定图片Fig. 7　Pictures from light section examination of rocks

黄铁矿半自形-他形粒状，星散状分布，大小一般为0.001～0.005mm，部分为0.005～0.01mm。黄铁矿光性特征：反射色为浅黄白色，未见双反射，均质，内反射不显。白钛矿隐晶状集合体呈似钛铁矿假象产出，星散状分布。

表5　岩石光片鉴定结果

表6　岩样主次成分含量

钛铁矿假象特点：半自形板状，大小一般为0.05～0.1mm，部分为0.1～0.2mm，星散状分布。褐铁矿隐晶状，多细分散状分布，少部分集合体呈似黄铁矿假象产出。黄铁矿假象特点：半自形-他形粒状，大小一般为0.01～0.02mm，少部分为0.02～0.03mm，极少为0.03～0.05mm，星散状分布。褐铁矿光性特征：反射色为灰色微带蓝色，未见双反射，弱非均质，内反射显(黄-棕色)。

4个岩样光片鉴定图片(图7)， 9个岩样具体鉴定结果(表5)(张江满， 2014b，2014c)。

4.3化学全分析

根据国标岩石化学分析方法，对万寿山采样岩石进行了主次成分量、稀土元素和多元素测定，表6为主次成分量测定结果。

5结论

为了更好地保护世界文化遗产颐和园万寿山及其文物，开展地质勘查，对岩石取样进行了物理力学特性测试和岩矿分析，获得大量试验结果，为后续岩质文物保护提供重要依据，总结如下：

(1)岩层大致为东西走向，向北倾斜，倾角较大。

(2)岩块干燥状态下抗压强度幅值范围为40～70MPa，抗拉强度幅值范围为1.87～4.74MPa，在低围压下呈脆性破坏，岩块的库仑-纳维尔强度准则判据中黏聚力c值为2.741MPa，内摩擦角φ值为48.9°。

(3)经过多次冻融循环后，岩石的抗压强度降低； 现场原位回弹实验测得的岩块抗压强度值小于室内实验条件下的抗压强度值。岩石表层风化降低其力学强度。

(4)岩石主由砾级碎屑、砂级碎屑、填隙物组成。岩石蚀变弱，蚀变矿物为绢云母。石英和岩屑为其主要成分。不透明矿物主要为黄铁矿、白钛矿、褐铁矿。岩石矿化弱。岩石形成过程大致为：原岩为中细粒岩屑石英砂岩→区域变质→弱蚀变、弱矿化。鉴定名称为变质中细粒岩屑石英砂岩。

(5)化学成分中SiO2占80%以上。

参考文献

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PHYSICAL-MECHANICALTESTANDMINERALANALYSISOFROCKFORMINGLONGEVITYHILLOFSUMMERPALACE,BEIJING

YANGJianmin①②QINJun①BAZhenning①②ZHANGLong③④LIUYuan⑤

AbstractThe Summer Palace in Beijing is one of the world’s cultural heritage protection units. Its Longevity Hill is located within the north portion of the Summer Palace. The Hill stands a series of cultural relics. For protection of Longevity Hill and its cultural relics, this paper investigates the characteristics of the hill and rock properties. It is based on the existed documentations of Longevity Hill’s geological origin. It measures the rock occurrence and rebound strength at different exposed locations. The physical and mechanical properties include density, tensile strength, compressive strength, shear strength. They are tested in laboratory. The mineral composition and content ratio of the rock at Longevity Hill are obtained using thin-sections, rays test, and SEM tests. The results of experiments and tests can have significance and application because they are the basis for geological research and stone relic protection of Longevity Hill．

Key wordsLongevity Hill， Attitude， Rock， Strength index， Rock-mineral analysis

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.016

* 收稿日期：2015-01-04; 收到修改稿日期： 2015-04-23.

基金项目：天津大学北洋学者-青年骨干教师计划资助项目， 国家自然科学基金青年项目“颐和园营建过程研究”(51108306)资助.

第一作者简介：杨建民(1979-)，男，博士，副教授，从事岩土工程方面的研究. Email: yangjianmin@tju.edu.cn

中图分类号：P642.4; P585

文献标识码：A