濕度變化對巖石風(fēng)化產(chǎn)生的影響

王仕軍

摘要：文章對處于不同濕度環(huán)境下的花崗巖進行了數(shù)值模擬，得到的結(jié)果將巖石的風(fēng)化按照時間分為兩大階段，即風(fēng)化準(zhǔn)備階段和風(fēng)化擴展階段。依據(jù)風(fēng)化速率將風(fēng)化擴展階段分為緩慢增長階段，低速增長階段及高速擴展階段。

Abstract： In this paper， the granite is simulated in different humidity environment， and the results show that the rock weathering is divided into two stages according to the time： the preparation stage and the weathering stage. On the basis of the weathering rate of weathering， weathering growth stage is divided into slow growth stage， low speed growth stage and high speed expansion stage.

關(guān)鍵詞：巖石風(fēng)化；濕度變化；有限元分析

Key words： rock weathering；humidity variation；finite element analysis

中圖分類號：TD327 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0109-02

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對于環(huán)境的改造愈加強烈。在大型水利水電、邊坡改造及公路交通等工程的施工過程中滑坡的發(fā)生頻率也越來越高。人們對于滑坡的認(rèn)識大多源于地震、降雨等極端環(huán)境造成的地質(zhì)災(zāi)害，而現(xiàn)有的研究也多集中在預(yù)警和激發(fā)機理等方面，對于滑坡災(zāi)害孕育過程的研究則相對較少[1-3]。巖石的風(fēng)化是孕育滑坡的重要因素之一，風(fēng)化的巖石降低了坡體的力學(xué)性質(zhì)，加速了滑坡災(zāi)害的產(chǎn)生，所以對巖石風(fēng)化進程的研究十分重要[4-5]。本文應(yīng)用有限元軟件模擬了外界濕度變化對巖石風(fēng)化產(chǎn)生的影響，并對其在工程中的應(yīng)用進行了深入探討。

1 模型的建立

1.1 物理模型

假定模型為0.1m×0.1m的標(biāo)準(zhǔn)矩形花崗巖，四周的環(huán)境濕度設(shè)置為0.5+0.1n（0≤n≤5）。內(nèi)部溫度設(shè)置為20℃，擴散通量的量級取自文[6]為1×10-13m2/s。有限元模型見圖1，具體參數(shù)見表1。

2 風(fēng)化起止時間

控制外界環(huán)境相對濕度為50%～100%，巖石風(fēng)化的起止時間如圖3所示。由不同濕度環(huán)境下風(fēng)化出現(xiàn)、擴展及結(jié)束時間曲線圖（圖4），可以看出相對濕度由50%增至100%的過程中，風(fēng)化出現(xiàn)的時間越來越早，從最初的897a到后來的699a，提前了199a。風(fēng)化的擴展時間逐漸縮短，從最初的2616a到后來的2071a，縮短了545a。風(fēng)化的結(jié)束時間逐漸提前，由初始的3513a到后來的2770a，縮短了743a?？梢哉J(rèn)為巖石周圍環(huán)境相對濕度的增加致使風(fēng)化出現(xiàn)時間提前，風(fēng)化擴展時間縮短，風(fēng)化結(jié)束時間提前。曲線擬合得到濕度與風(fēng)化出現(xiàn)時間、擴展時間及結(jié)束時間的函數(shù)關(guān)系式分別為：Y=-3.88X+0.24978，Y=-10.63273X+0.61104，Y=-14.51273X+0.85183，其中X為相對濕度（%），Y為出現(xiàn)時間（a，年）。

將風(fēng)化的出現(xiàn)、擴展和結(jié)束時間三者進行對比得到圖5，認(rèn)為三者相互之間的比值穩(wěn)定，出現(xiàn)時間與結(jié)束時間的比值約為0.25；出現(xiàn)時間與擴散時間的比值約為0.34；擴散時間與結(jié)束時間的比值約為0.74。同時得到了棱角鈍化的完成時間，如圖6所示。為了得到更為準(zhǔn)確的風(fēng)化速率，可以在模型完成棱角鈍化后進行標(biāo)準(zhǔn)試樣的風(fēng)化速率計算和分析，這樣能夠避免不規(guī)則擴散產(chǎn)生的誤差。

3 不同濕度下巖石的風(fēng)化速率

棱角鈍化完成后，規(guī)則化的模型在不同濕度環(huán)境下的風(fēng)化移動速率如圖7所示。

4 討論

在時間方面，隨著相對濕度的增加，完全風(fēng)化需要的時間越來越少，從相對濕度50%時的3513a到100%時的2770a。風(fēng)化的出現(xiàn)時間逐漸提前，擴展時間逐漸縮短。風(fēng)化速率方面，由于后期的時間段不一致，所以后期的大幅度增幅并不具有可比性，僅可以體現(xiàn)規(guī)律。起始擴展速率（棱角鈍化完成后）由相對濕度50%時的19μm/a增至100%時的26μm/a。選取第11段進行分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化中后期的速率從相對濕度50%時的35μm/a增至100%時的121.4μm/a，由此可見不同濕度對巖石的風(fēng)化的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)化時間和風(fēng)化速率兩方面。

在相對濕度保持不變的條件下，按照巖石風(fēng)化時間的長短可分為兩大階段：風(fēng)化準(zhǔn)備階段和風(fēng)化擴展階段。風(fēng)化準(zhǔn)備階段約占總時間的25%，余下的為風(fēng)化擴展階段。風(fēng)化擴展階段按風(fēng)化速率又可分為三個階段，占大部分時間的緩慢增長階段，包括去棱角化階段和風(fēng)化低速率階段；占小部分時間的低速增長階段，該階段風(fēng)化速率逐漸加快，風(fēng)化速率小幅度提高；占很小部分的高速階段，風(fēng)化速率大幅度提高，新鮮巖石很快就消失了。這可能是由于前期積累的高濃度差，使?jié)舛忍荻茸兇?，擴散速率加快所致。

5 結(jié)論

考慮空氣中多元組分的擴散，得到了外界濕度增大過程中，風(fēng)化速率與濕度變化之間的關(guān)系。認(rèn)為在變濕度條件下，巖石的風(fēng)化規(guī)律是可循的。巖石的風(fēng)化程度與空氣濕度成正比。其風(fēng)化速率隨時間呈非線性增加，風(fēng)化初期到中期的風(fēng)化速率緩慢增加，后期會出現(xiàn)風(fēng)化速率激增的現(xiàn)象。在實際工程中往往很難全面的對巖石的風(fēng)化程度進行勘察，但可以統(tǒng)計工程所處地區(qū)空氣濕度的加權(quán)值，不同區(qū)域的巖石在外觀程度相似的情況下，濕度加權(quán)總和高的區(qū)域，巖石的風(fēng)化程度較高。

參考文獻：

[1]黃潤秋.20世紀(jì)以來中國的大型滑坡及其發(fā)生機制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（03）：433-454.

[2]殷坤龍，韓再生，李志中.國際滑坡研究的新進展[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2000，27（05）：1-4.

[3]鐘立勛.中國重大地質(zhì)災(zāi)害實例分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，1999（3）：1-10.