岩画岩石本体风化程度勘查

第二节　岩画岩石本体风化程度勘查

一、超声波检测目的

本次超声波检测的主要目的是调查岩画处岩石表面的风化程度，评价灌浆加固效果。

（一）超声波测试原理

超声波法测试的基本原理是通过分析超声波在被测物体中的传播特性来判别被测物地物理性质。岩土体声学特性与岩土体物理特性之间的相关性是岩土体声波测试的物理基础。岩土体声学特性分为运动学和动力学两个方面，声波的传播速度、相位变化属于运动学方面的指标，声波的强度（振幅）、衰减等位动力学特征。其中声波的传播速度由于容易被测量，因此是经常被引用的一个参数。

在石质文物保护中，利用岩石与超声波波速之间的相关关系，使得我们可以非常便利地利用超声波来测量有关自然岩石晶间结合及其整体性能的有关情况。例如，通常情况下，新鲜岩石表层和内部物理性质一致，而风化岩石不同部位、不同深度其物理性质差异很大。这样在测量超声波时，当岩石内部成分、结构、密度等因素发生变化时，超声波的传播速度、能量衰减及频谱成分等也将发生变化，并且在不同介质界面上还会发生波的反射和折射。另外，岩石内部还可能发育各种裂隙，虽然超声波仍能部分“通过”这些裂隙，但传播时间延长，衰减增加。因此，利用超声波技术，通过一定测量方法，计算出岩石内超声波的传播速度、振幅及频谱特性等，便可以推断岩石风化程度、深度、裂隙发育情况和岩石完整程度。

（二）超声波测量仪器

由于需要在野外现场进行测量，因此所用仪器必须要携带方便、采集精确，这样方可对检测对象进行细致的调查。综合考虑以上因素，决定采用中科院武汉岩土所（武汉中科智创岩土技术有限公司）生产的RSM-SY5（T）超声波探测仪，使用探头（换能器）为50KHz的夹心式纵波平面换能器，换能器耦合剂采用凡士林。该型仪器已经在许多不可移动文物保护领域（例如陕西乾陵、新疆交河故城）中应用，证明其效果良好。测量仪器和测量过程分别见图1和图2。

1.换能器布置

按照换能器布置方式，声波测试方法通常包括对测法和平测法两种类型，其中对测法又包括直接对测法、斜对测法、直角斜测法三种。

（1）直接对测法。将一对换能器（发射（T）和接收（T）），分别耦合于被测物体相互平行的两个表面，两个换能器的轴线位于同一直线上。该方法适用于具有两对相互平行表面可供检测的物体。

（2）斜对测法。将一对换能器，分别耦合于被测物体两个相互平行表面，但两个换能器的轴线不在同一直线上。

（3）直角斜测法。将一对换能器分别耦合于被测物体相互垂直的两个平面。

（4）平测法。将一对换能器，置于被测物体同一个表面进行检测。该方法适用于被测物体只有一个表面可供测试的结构。

对于岩体而言，由于只能测量其一个面，所以只能采用平测法进行超声波测量。同时由于测量范围有限，因此在每处岩画点只能选择一组测距进行波速测量。

2.换能器耦合剂

常用的纵波换能器耦合剂为凡士林或者黄油，而且应当尽量保证被测物体表面平整，但对于文物本体而言这两点通常都无法满足。如果文物本体表面涂抹凡士林或者黄油后很难去除，只能用酒精或者蒸汽清洗，但在短时间内难免会留下印迹，而被测物体表面平整则更不可能保证。考虑到以上条件限制，本次测试只能选择在离开文物本体一定距离的地方进行，并且在测试完之后立刻用吸水纸吸净，然后再用酒精清洗。

（三）超声波测量步骤

根据仪器特点和现场条件，本次超声波测量步骤如下：

1.选择测试地点

主要选择离文物本体一定距离的岩体表面，并且岩体表面应当尽量平整，同时考虑同一处岩画不同代表部位（如空鼓处、风化严重表面等）。

2.仪器校零调整

在所有测量之前首先进行仪器校零调整，以扣除检测系统延时，得到准确声时。仪器校零方法为将换能器表面涂抹凡士林，然后紧贴在一起进行波速测量，将测得的时间读数（即系统延时）输入软件相应部位即可。本次测得系统延时约12微秒。

3.超声波测量工作

按照要求将换能器和仪器连接，在换能器表面涂抹凡士林后紧贴岩体表面，测量换能器间距，设置软件参数，然后开始激发电信号和测量波速，最后存储波形数据以便室内整理。

（四）超声波测量结果解释

1.结论分析

从现有的数据可以得出如下结论。

（1）贺兰口南侧岩体表面纵波波速平均值为3671米/秒，最高值为4854米/秒（位于“父子鹿”岩画附近），最低值为2329米/秒（位于“明代万历题刻”岩画附近）。

（2）贺兰口北侧岩体表面纵波波速平均值为3537米/秒，最高值为4304米/秒（位于“人面群像与斧具”岩画附近），最低值为2927米/秒（位于“太阳神”岩画附近）。

（3）两侧岩体表面纵波波速并未出现明显差异。

（4）局部岩体因为表层风化和剥落，造成内部空鼓，使得岩体表面纵波波速出现差异（见图3、4）。其中在岩体风化起鼓、但尚未剥落处，岩体表面纵波波速较低（低约12%～17%）。由此可以看出，在岩体风化起鼓、但尚未剥落处，岩体表面纵波波速较低（见图6）。

（5）为了验证加固效果，我们选择了3处非岩画地点进行灌浆加固试验（见图5），同时测量纵波波速（见图7）。

（6）在灌浆加固后，试验Ⅰ和Ⅱ处岩体表面纵波波速均表现处有所提高（2和3，5和6），但在试验Ⅲ处却表现出相反的规律（8和9）。经过分析，原因可能是灌浆材料尚未固结或者并未填实岩体空鼓。但从波形图来看，加固后波形图的波峰和波谷要比加固前的平稳，说明灌浆加固仍然是有一定效果的。

2.波速比测量

根据《岩土工程勘察规范（GB50021-2001）》，岩石按波速比和风化系数进行风化程度分类，总共可以分为7类（见表1）。其中波速比为风化岩石与新鲜岩石压缩波（纵波）速度之比，风化系数为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比。

完整岩石（新鲜岩石）波速。严格来讲，应当钻孔取样才能测得完整岩石的波速。由于此次条件限制，未能取得新鲜岩石，故无法严格测量新鲜岩石饱和单轴抗压强度与新鲜岩石纵波速度。但是为了能够进行比较，仍然可以借鉴相关公式（1-1）计算出新鲜岩石的纵波波速，从而推算出岩石表面的风化程度，当然这里的风化程度仅仅具有相对比较意义。

式中，E、γ为岩石动弹性模量和动泊松比，为岩石密度。参考相关资料，砂岩的动弹性模量和动泊松比取为70GPa和0.3，岩石密度为2700千克/米3，则岩石波速为5907米/秒。据此便可以估计岩石的波速比Kv（见表2、图8）。

由此可知，岩石表面波速比主要集中在0.4～0.8之间，即岩石表面风化程度为强风化与中等风化之间，由此看来贺兰口岩画抢救保护的必要性。