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龙门石窟所处的白云岩和灰岩温差应力系数一般是2-2.5公斤/平方厘米·度,以年均温差27.9℃计,大气温差所产生的应力为54—67.5公斤/平方厘米;根据洛阳地温资料,地表以下0.20米深处年最大温差34℃,0.40米深处,年最大温差30℃,环氧树脂灌浆材料对龙门石窟岩石的实验室试验粘结强度为80公斤/平方厘米,现场应用因裂缝清洗干净程度及缝内潮湿程度不同原因,其粘结强度必定有大幅度下降,今就以实验强度的80%计算,实际粘结强度64公斤/平方厘米左右,石灰岩岩石的抗拉强度以作粘结强度试验时8字石块测数在90公斤/平方厘米,以温差应力、岩石粘结的抗拉强度、岩石本身的抗拉强度三者关系相比,粘结强度远小于地表下0.40米温差应力的60—75公斤/平方厘米,与地表下0.20米深的68—85公斤/平方厘米的温差应力相比强度相差更大,强大的胀缩力必然从二者之中的软弱点“粘结强度低的粘结缝”破坏开始,因而出现被堵住的渗水裂隙重新渗水。
石窟维修工程用的环氧树脂灌浆材料是常温固化剂为施工方便,过去是在炎热的夏季,也是年极端高温期施工。分析表明:年极端温差应力大,是龙门石窟出现上述问题的主要因素。因此,岩体灌浆加固要在适宜温度下进行:
石窟寺岩体化学灌浆加固施工的温度选择是很关键的,依据岩体热胀冷缩的原理,温度越低,岩体收缩率越大,岩体内的裂缝开度也就越大,这时灌浆施工,浆液很容易在裂隙中流动、扩散,达到所有裂隙内的最大饱和,灌浆效果好。
裂隙灌浆效果同湿度有着密切关系。从干湿度分析,夏季多降雨,裂缝内因降雨渗入的雨水蒸发困难,缝内湿度大。而冬季天气多干旱,裂缝内干燥程度大,灌浆粘结强度无疑也好。对于灌浆前为提高强度,解决裂缝冲洗后裂缝内的含水问题,可以在夏秋季进行冲洗,并清理裂缝内积物,冬季灌浆。
环氧树脂灌浆材料固化后,各种力学性能中以抗压强度为最佳,它的抗压强度远远大于岩体温差所产生的膨胀力。
根据热胀冷缩的基本原理,低气温下灌浆,裂隙内易达到饱和,气温升高后岩体膨胀,产生的是挤压力,不存在拉力影响。龙门石窟灰岩的抗压强度是1166—1314公斤/平方厘米,材料和岩石在高温下所产生的挤压力对石窟所在岩体是无损伤破坏的。
选择适宜低温度灌浆施工增加材料的弹性,对灌浆配方进行研究、改进试验,达到了使用要求。
我们作了如下推算,以温度为5℃计,设极端低温-20℃产生的温差应力不超过50公斤/平方厘米。洛阳极端高温在44.2℃,地表温度达69℃时产生的压力最大也只有150公斤/平方厘米低于环氧树脂材料的抗压强度1200公斤/平方厘米8倍。而灌浆粘结部位是在地表下,极端温差最大只有34℃,如此,取极端温差中间数(气温在0℃—5℃)更可靠。
依据这个原理,以洛阳年温差计算出岩体裂隙灌浆维修加固施工适宜气温季节。灌浆加固也都是在地表下,因此温差应力计算应以地温差计算更科学。
通过对以往化学灌浆治理效果的调查研究,分析龙门石窟地质情况,研究出了以下治理方法:
洞窟漏水是雨水渗入通向地表的裂隙口,经洞顶的垂直裂隙或层理裂隙等通道渗入洞窟,而这些裂隙相互交错成网状结构,要-漏水,首先是阻止雨水由裂隙口渗入裂隙。其做法是清除洞顶蓄水效果好的松碎地表层,做钢筋混凝土防渗层防止雨水渗入裂隙口,简称为“盖、排”(表层铺土植草)。
排水方法只能防止水由洞顶较近的裂隙口直接渗入洞内,对于几十米以外,乃至上千米的裂隙通道口这一渗水源,由于地理环境因素不易找到源头,无法采用盖的方法解决。此类渗入裂隙的水采用化学灌浆的方法封堵,不使渗流的水在雕刻品处渗出,简称为“堵”。
因裂隙在岩体内相互连通,为防止被堵在岩体裂隙内的水改变通道另辟新路,从其他裂隙在洞窟壁面渗出,对雕刻品造成新的破坏,采取在不影响损坏雕刻品的前提下,在无雕刻部位壁面钻孔将水导出岩体之外,简称为“导”。导的方法还包括在洞顶表面为防止雨水冲刷而修建排水沟将水导向无洞窟的区域。
以上治理洞窟漏水方法总归为“盖、排、堵、导”。
成果信息:1988年国家文物局科研项目,获1993年国家文物局文物科技进步三等奖。专家鉴定意见认为“采用环氧——硫化橡胶低温灌浆材料防渗堵漏在我国石窟保护科研以及工程中应用并获得成功尚属首例,在石窟灌浆领域有重大突破。”
主要完-:刘景龙 李云峰 蔡润 王进庄
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