云冈石窟是依据自然崖壁山体开凿营建而成,既是建筑体(或构筑物),又是地质体。石窟赋存于地质环境之中,在漫长的历史时期受地质构造和各种地质营力的影响,产生了各种环境地质病害,导致石窟岩体发生破坏,严重威胁了石窟的保存。现场调查发现,石窟立壁岩体表层片状开裂是云冈石窟的主要病害之一。石窟岩体表层是雕刻艺术品的载体,表层的开裂剥落既破坏了石窟的雕刻艺术,同时又会弱化岩体的物理力学性质,导致洞窟失稳,如窟前立柱表层的不断剥落最终会导致洞窟失稳破坏。云冈石窟砂岩表层温度效应劣化研究,是国家科技支撑计划项目“石质文物保护关键技术”之“石窟岩体稳定性分析研究”课题(编号：2009BAK53B03)的重要内容。本文的主要研究成果如下：(1)温差变化在云冈石窟岩体风化中的物理作用机制,分为岩体的热胀冷缩和含水岩体的冰劈作用。现场调查发现,在岩体总体稳定性完好的石窟区,岩体表层的失稳破坏形式主要表现为崖壁岩体表层的片状开裂以及剥落。此类开裂体通常是温差应力下岩体表层沿原生微结构面拉裂扩展而成。因此,有必要研究环境气温变化对云冈石窟岩体的影响深度及岩体表层温度场随季节的变化规律。由岩体热物理参数测试可知,云冈砂岩的主要热物理参数：λ=3.516[W/(m·k)],0℃-35℃内,云冈石窟砂岩比热为0.63[J/(m3·℃],35℃-60℃内,比热为0.85[J/(m3.℃]；线膨胀系数α为11.7×10-6(1/K)。由温度的现场监测结果可知,云冈石窟砂岩表面温度与环境温度成正相关,呈现周期性变化。岩体内部各处温度随深度的变化也具有一定的周期性,同时反映了岩体在日夜交替环境下存在一定深度的热量交换,得出云冈砂岩日变温带范围为0-50cm。监测表明在0-5cm范围内温度梯度最大,是温度应力较明显部位。采用热传导微分方程解算温度场时需要进行适当假定。采用Maple软件能解决偏微分方程计算工作量大的问题。(2)云冈石窟地区属于寒区,由现场温度监测结果可知,冬季石窟岩体温度长期低于0℃。岩体裂隙中水分在低温下发生相变,水结冰的过程中对岩体形成冻胀力。试验冻融前后在形态上出现颗粒脱落甚至断裂破坏,体积普遍膨胀,质量下降,纵波波速下降。且随着冻融循环次数的增加,上述物理指标也随之降低。试验冻融岩样的单轴抗压强度降低,随着冻融循环次数增加,强度衰减加剧。依据岩样的波速与单轴抗压强度建立了二者关系曲线。试验中对岩样S-6-1/S-6-2/S-2-3分别进行实时变形监测。通过监测结果发现原生缺陷(纵向裂隙或水平裂隙)对岩样的轴向应变和径向应变影响较大。试验冻融前后岩样的微观结构发生明显变化。随着冻融循次数的增加,岩样内部结构愈疏松,微裂纹不断扩展。通过对试验结果的分析,得出云冈石窟砂岩的冻融循环破坏机理。砂岩的冻融破坏主要是由岩体所含水分的相变引起。根据现场破坏情况及室内试验损伤情况总结出云冈石窟砂岩冻融循环破坏呈现片状剥落和裂纹扩展两种劣化模式。(3)对于温度场对岩体的影响要分为低温和高温进行处理分析。高温时主要考虑岩体自身的热应力,低温时要同时考虑岩体中水分相变产生的冻胀力。边界条件的设置与荷载的施加准确的前提下,采用ANSYS进行温度场分布的数值模拟是较切合现场监测试验结果的。在高温条件下,进行岩体的热力耦合时,岩体的应力、应变均出现增大趋势。在升温和降温循环反复作用下,岩体出现应力反复变化,导致岩体出现一定的损伤。在云冈石窟地区的窟檐立柱长期处于应力调整中,不仅对立柱本身产生损伤,对其上的砂岩窟檐也会出现拉压破坏。在低温条件下,进行岩体的热力耦合时,岩体的应力、应变均出现增大趋势。尤其在低温下含水裂隙处出现相变,导致该部位出现相对的应力集中、应变增大。本文的创新点主要表现在：(1)采用自主研制的温度现场监测设备,获取了云冈石窟砂岩浅层温度一个气象年的完整数据,为今后该地区岩体浅层温度场的研究工作奠定了数据基础。首次对云冈石窟大气及浅层岩体的温度变化规律进行分析。结合云冈砂岩热物理参数,建立了该地区浅层岩体的温度分布统计学公式。(2)课题组自主研制变形监测设备,在常规冻融试验的基础上增加冻结过程的径向、轴向的位移监测,揭示云冈砂岩的冻结劣化过程。(3)采用ANSYS软件对高温下石窟立柱进行热力耦合分析,揭示该立柱风化的热力学本质。在岩体裂隙水低温相变的条件下,对石窟区某边坡进行热力耦合分析,得出冻结条件下岩体局部稳定性降低的结论。