贺兰山岩画典型病害损伤的声发射演化特征研究

金梦华, 冯海燕, 杨有贞,3*, 樊 怡, 马文国,3, 赵诣深

(1.宁夏大学 物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021； 2.上海隧道工程有限公司,上海 200030；3.宁夏大学 固体力学研究所,宁夏 银川 750021; 4.西安航空学院,陕西 西安 710077)

贺兰山岩画是中国北方游牧民族的重要文化载体，1997年被列入非正式世界遗产名录[1].然而，岩画表面损伤严重，完整性遭到了极大的破坏[2].其中，裂(隙)纹是影响岩画整体结构的典型病害，如图1所示，由外窄内宽的细小裂纹(0.5～5 mm,图1a～图1c)发展为贯通岩画表面的应力裂隙(2～15 cm, 图1c～图1d)，导致岩画表面不同程度的破裂.长此以往会加剧载体材料的损伤演化，引起岩石(体)强度降低，进一步加速岩画风化.岩画主要集中在贺兰山山体下部(距山脚100 m以内)，自重、裂隙水压力以及地震力等荷载已经作用于岩石上，因此，构造应力或地震作用对贺兰山岩画典型病害的影响不可忽视.只有对岩石强度特性与损伤演化过程进行定量分析才能有助于深刻了解岩画表面裂纹扩展历程，为贺兰山岩画病害的预防与治理提供理论指导.

图1 贺兰山岩画风化示例

石质文物材料病害及其形成机理是近十几年来保护石质文物领域主要研究内容和方向之一[3].目前，国内外这方面的研究成果较多，其中包括：莫高窟壁画由于水溶盐(Na2SO4，NaCl)遇到水分发生溶解与移动[4—6]，导致其表面产生酥碱、空鼓和起甲，对壁画破坏严重[7—11]；大足石刻由于湿度、温度及水的作用引起物理与化学风化[12—19]，形成了粉化剥落、盐结晶、片状剥落等多种病害[20—21]；渗水与盐晶生长使得云冈石窟中许多的石雕佛像风化殆尽[22—24]，龙门石窟由于雨水入侵导致岩溶现象[25]，产生了如渗漏水、凝浆、苔藓、薄层状脱落等比较严重的地质病害[26].以上内容的研究大多采用现场调查、取样分析(XRD，XRF，SEM)及室内模拟试验(冻融循环、高低温湿度循环、干湿循环及酸碱滴定)，而缺乏力学强度特性的研究，导致对文物载体强度损伤机理认知不清.关于力学强度方面，Basu研究得出风化状态与岩石的刚度比成反比[27]；陈星通过研究云冈石窟砂岩得出不同冻融循环次数下岩石损伤程度与单轴抗压强度成反比[28]；杨曦光通过力学试验得出无论何种尺寸，汉白玉的抗压强度均小于青白石[29]；杨有贞等探究贺兰山岩画载体岩石不同环境下损伤程度和强度弱化现象[30—31].廖茹雪等模拟炳灵寺石窟砂岩的劣化环境并进行三轴压缩试验，得出有效孔隙率与峰值强度之间有较好的拟合关系[32]；Chen等通过力学测试得到古桥力学性能分布，对其稳定性进行了评估[33]；杨鸿锐通过研究麦积山石窟得出抗拉强度与冻融循环次数下损伤程度成反比[34].上述研究对损伤演化过程实时变化规律认识不够.而声发射技术被认为是检测岩石损伤演化过程的一种有效而快捷的方法,材料中局域快速释放能量产生瞬态弹性波的现象为声发射[35].声发射技术于1962年被应用于航空航天工程中[36]，其声发射信号参数于1965年得到了首次分析[37]，之后其与加载方式、材料破坏规模等的关系得到了研究[38—43].后续研究指出，声发射定位可监测材料破裂位置[44—45]，不同劣化条件下声发射特征各不相同[46—52]，声发射参数特征可用于描述岩石损伤变量[53—58].可见，声发射技术可以实时反映材料劣化演化过程，而这一特点恰好是研究大型露天石质文物损伤演化过程的关键.

为此，本文运用声发射技术研究贺兰山岩画载体岩石裂纹损伤扩展机理，分析力作用下贺兰山岩画载体材料岩石破坏过程与形式，探究声发射时空演化规律，建立损伤本构模型，以期为岩画病害机理的研究提供理论基础.

1 试验设计

1.1 试样制备与筛选

试验岩石选自宁夏银川市贺兰山岩画区，为避免岩样的结构差异性和不均匀性导致的试验误差，选取同一地区的新鲜岩块，按照《工程岩体试验办法标准》，将选取的岩块加工成为 50 mm×100 mm的标准岩样.利用瑞士Proceq公司的材料超声波检测仪对加工后的岩样进行超声波无损检测，检测结果见表1.从表1可以看出，选取的岩样波速平均值为4 898 m/s，波速误差小于2 %，可作为同一批试验样品进行研究，试样编号为A1～A5.

表1 试验岩石波速测量结果

1.2 试验设备与方法

在岩样上下两侧粘贴声发射探头，粘贴时探头与岩样之间用耦合剂接触，保证探头与岩样表面紧密贴合，避免外界噪声干扰对信号采集的影响.将装好的岩样放置于岩石试验机下压头上，调整横向变形传感器使其与岩样表面接触并调零，把声发射探头的另一端连接声发射仪，各系统之间连接见图2.为保证岩石在施加载荷的过程中声发射信号特征不被外界噪声干扰，声发射系统门槛值设置为40 dB，采样时间间隔为0.1 s，确保数据采集频次以提高试验精度.试验开始前让试验机上压头与岩样接触，当加载至目标值后，开始施加轴向载荷，轴向载荷加载方式为位移加载，速率为0.002 mm/s.

图2 声发射探头与传感器布置

2 试验结果分析

2.1 应力应变曲线

图3 单轴压缩下贺兰山岩石应力应变曲线

单轴压缩下岩样的破坏形式见图4.从图4可以看出，岩石破坏形式以“圆锥形”破坏为主.岩样上下出现两个圆锥形碎块，形成“V”形裂纹，并伴有大小不一的碎粒剥落，严重削弱岩石(体)强度，威胁岩画表面完整性.这与贺兰山岩画载体岩石(体)目前存在的交叉形裂纹相吻合.

图4 岩石试样破坏

2.2 单轴声发射特征分析

图5 AE累计振铃计数、AE累计能量计数、应力应变曲线

从时间角度上来看，岩样声发射信号时空活跃规律与单轴压缩破坏过程有密切的对应关系.根据AE累计振铃计数与累计能量计数的增长趋势，可以清晰地判断贺兰山岩画载体，在受到外部载荷作用下，其内部次生裂隙和裂纹的发育情况.这对判断岩画内部结构的危险性是有效的监测指标.

3 基于声发射特征损伤演化

3.1 损伤本构模型

岩样声发射累计振铃计数的变化能够表征岩石材料的损伤过程.根据刘保县[56]给出的基于“归一化”累计声发射振铃计数的损伤变量方程对贺兰山砂岩进行损伤分析，如下式所示：

(1)

式中：DU为损伤临界值；σc为残余应力；σp为峰值应力；Cd为岩石破坏过程中任意时刻的累计声发射振铃计数；C0为岩石完全破坏的累计声发射振铃计数.

3.2 损伤演化规律

根据(1)式得到损伤演化曲线见图6.从图6可以看出，岩样损伤演化经历了原生裂纹闭合损伤、次生裂纹发育损伤、裂纹贯穿破坏损伤3个阶段.①原生裂纹闭合损伤：原生裂纹闭合主要处于单轴压缩过程中的压密阶段和线弹性阶段初期，此阶段应力从0增加至11 MPa左右，损伤变量D从0增加至0.08左右.从损伤变量的增长速度分析，此时损伤处于较低水平，表明岩样在载荷作用下内部结构处于完整状态.②次生裂纹发育损伤：原生裂纹压密后岩样内部晶粒间连接紧密，随着载荷不断增加，不规则形状的晶粒开始相互错动，产生次生裂纹，损伤开始稳定增加，损伤变量从0.08增长到0.78左右，损伤变量增长约占损伤全过程的70%.③裂纹贯穿破坏损伤：经历上一阶段后的岩样在内部已出现多处次生裂纹，裂纹分布区域出现应力集中，在载荷达到岩石屈服应力后，应力集中区域裂纹迅速贯通发展为表面宏观裂纹和断裂面，损伤继续增长与应力同时达到最大值.

为进一步定量探究损伤变量与应变的关系，根据图6利用非线性函数对损伤变量曲线进行拟合.由拟合结果发现损伤变量与轴向应变关系式符合非线性Allomtric1函数特征：

图6 应力应变损伤关系曲线

D=αεγ

，

(2)

式中：α,γ为损伤变量的模型参数，见表2.

表2 贺兰山岩石损伤变量的模型参量

图7给出了损伤变量与应变关系的试验结果与拟合曲线.由图7可知，二者拟合度很高，表明(2)式的Allomtric1函数能够表征单轴压缩下贺兰山岩画载体岩石的损伤演化过程.即在探究贺兰山岩石的强度劣化特征方面运用声发射累计振铃计数表征损伤变量的(1)式是合理的.

图7 损伤因子曲线的理论与试验对比

3.3 岩石损伤本构模型的验证

σ=Eε(1-D)

,

(3)

式中：E为弹性模量；ε为轴向应变.

将(2)式代入(3)式得到贺兰山岩石在单轴压缩试验下损伤本构模型为

σ=Eε(1-αεγ)

,

(4)

式中：α,γ见表2.

为了验证该模型的有效性，将理论结果与试验结果进行对比(图8).由图8可知,理论曲线与实际曲线具有相当高的匹配程度.反映了岩样在载荷作用下变形破坏的全过程，验证了该本构模型的可靠性.

4 结论

对力作用下贺兰山岩画典型病害声发射特征研究得出以下结论.

2)岩石损伤经历了原生裂纹闭合、次生裂纹发育以及裂纹贯穿破坏3个阶段.基于累计振铃计数建立的损伤模型能够反映岩样变形破坏全过程.

3)声发射现象与损伤过程存在一致性，AE时空演化规律能反映岩石损伤过程，声发射技术可以用来预测岩画受损状态.