不同时间段的温度比较及破坏模式分析

7.5.4　不同时间段的温度比较及破坏模式分析

温度变化对岩石造成的破坏主要有两个原因，在升温（降温）过程中，构成岩石结构的不同矿物具有显著的热力学差异，即同一温度变化程度下，不同矿物的差异变形导致矿物间结构破坏，进而造成岩石劣化。在相对宏观的野外条件下，温度变化对岩石造成破坏的另一个原因为温度应力场的影响。同一时刻岩石不同位置出现不同温度，不同温度导致岩石出现差异膨胀（或收缩）变形。这里重点对不同季节崖壁浅层温度场进行分析。

在冬季，云冈石窟的气温很低，如图7.25所示的2010年12月13日—14日，凌晨温度接近于－18℃，白天温度接近于0℃，一天温差将近20℃。岩体浅层温度在山体温度场、太阳辐射及空气温度作用下，出现明显的波动。这种波动在不同时刻具有显著的差异：凌晨，4：09与7：09两条曲线的岩石表面温度最低，往山体内部温度逐渐升高，特别是15cm以内，温度随深度上升速度较快，这样在岩体表层形成浅层低温而内部相对高温的一个温度场分布。中午，浅表层在太阳辐射作用下，温度迅速升高，远高于当日的大气温度，而山体内部温度仍然较低。如11∶40时刻的曲线，在表层5cm范围内，温度急剧降低，温度梯度非常大。其余时刻的温度场分布介于上述两种情况之间（图7.26）。

图7.25　2010年12月13日—14日大气温度过程曲线

在高温季节，如8月8日—8月9日，大气温度最高约为36℃，凌晨最低温度约为21℃，日温差超过15℃（图7.27），而且最低温度大于研究区的年平均气温（即低温大于山体内部地温）。这种情况下，温度分布整体为浅表层高于山体内部，表层向内部补充能量。最大温度差异出现在14：00～15：00，如14：26的曲线所示（图7.28）。此时太阳辐射强烈，大气温度最高，导致表层15cm段出现明显的高温度梯度分布。在凌晨至太阳出来前，温度分布比较均匀。因此，夏季太阳辐射对山体浅层温度场影响非常严重。

同时，监测结果还给出了4月16日的温度分布规律（图7.29、图7.30），该日温度接近于该地区的年平均气温。该日为晴天，夜晚最低温度约为3.4℃，白天最高温度约为24℃，日温差略大于20℃。虽然日温差与高温季节及低温季节类似，但是由于日平均气温接近于地温，在山体内部形成的温度梯度远小于前面两种情况。同样，出现最大温度梯度为15：00左右，受太阳辐射影响明显。

图7.26　2010年12月13日—14日崖壁内部各点温度历程曲线

图7.27　2011年8月8日—9日大气温度过程曲线

图7.28　2011年8月8日—9日崖壁内部各点温度历程曲线

图7.29　2011年4月16日大气温度历程曲线

图7.30　2011年4月16日崖壁内部温度过程曲线

总的说来，可以将浅层温度场分布归结为3种情况：第一种为表层与内部温度类似，无大的温度应力场出现；第二种，表层温度大于内部温度；第三种为表层温度小于内部温度。

在太阳辐射及空气温度白天升高的作用下，浅层岩体温度随之升高，而内部受山体温度场影响保持相对低温，表层温度短时间内高于内部温度。浅层高温导致岩石热膨胀变形。当崖壁岩体上下变形受到限制时，垂直方向温度应力场出现表层受压状况。当表层缺乏上下约束时，表层上下变形而内部保持原状，此时在表层与内部间出现错动变形，可导致表层的片状开裂（图7.31）。

图7.31　表层温度应力场模式及岩体破坏形式

另外一种情况为白天岩体表层升温后，夜晚空气温度降低，岩石表面能量丧失，形成表层温度急剧降低，而内部降温速度低于表层时，出现表层温度低于内部的现象。这种现象导致表层岩石低温收缩变形。当摩崖上下变形受到限制时，在低温部位将出现垂直向张拉应力。当岩石上下缺乏约束时，将在低温表层与内部高温段之间出现错动变形，同样可以出现片状开裂。相对前一种情况，岩石垂直向受拉特别容易形成开裂。

在夏季，由于大气温度高于山体温度，主要出现的是第二种温度场分布，即表层温度大于内部温度。在冬季，急剧的大气温度变化及太阳辐射作用将会导致第二种温度场分布与第三种表层温度低于内部的情况反复出现，特别是第三种情况对岩石的破坏特别严重。这也是云冈石窟岩体的破坏现象在冬季，特别是冬季的夜晚出现得最多的一大原因。