濕度變化對巖石風化產生的影響

王仕軍

摘要：文章對處于不同濕度環境下的花崗巖進行了數值模擬，得到的結果將巖石的風化按照時間分為兩大階段，即風化準備階段和風化擴展階段。依據風化速率將風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.

關鍵詞：巖石風化；濕度變化；有限元分析

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

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

0 引言

隨著經濟的高速發展，人們對于環境的改造愈加強烈。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生頻率也越來越高。人們對于滑坡的認識大多源于地震、降雨等極端環境造成的地質災害，而現有的研究也多集中在預警和激發機理等方面，對于滑坡災害孕育過程的研究則相對較少[1-3]。巖石的風化是孕育滑坡的重要因素之一，風化的巖石降低了坡體的力學性質，加速了滑坡災害的產生，所以對巖石風化進程的研究十分重要[4-5]。本文應用有限元軟件模擬了外界濕度變化對巖石風化產生的影響，并對其在工程中的應用進行了深入探討。

1 模型的建立

1.1 物理模型

假定模型為0.1m×0.1m的標準矩形花崗巖，四周的環境濕度設置為0.5+0.1n（0≤n≤5）。內部溫度設置為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，具體參數見表1。

2 風化起止時間

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

將風化的出現、擴展和結束時間三者進行對比得到圖5，認為三者相互之間的比值穩定，出現時間與結束時間的比值約為0.25；出現時間與擴散時間的比值約為0.34；擴散時間與結束時間的比值約為0.74。同時得到了棱角鈍化的完成時間，如圖6所示。為了得到更為準確的風化速率，可以在模型完成棱角鈍化后進行標準試樣的風化速率計算和分析，這樣能夠避免不規則擴散產生的誤差。

3 不同濕度下巖石的風化速率

棱角鈍化完成后，規則化的模型在不同濕度環境下的風化移動速率如圖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。風化的出現時間逐漸提前，擴展時間逐漸縮短。風化速率方面，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，僅可以體現規律。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段進行分析發現，風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化的影響主要體現在風化時間和風化速率兩方面。

在相對濕度保持不變的條件下，按照巖石風化時間的長短可分為兩大階段：風化準備階段和風化擴展階段。風化準備階段約占總時間的25%，余下的為風化擴展階段。風化擴展階段按風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化低速率階段；占小部分時間的低速增長階段，該階段風化速率逐漸加快，風化速率小幅度提高；占很小部分的高速階段，風化速率大幅度提高，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，使濃度梯度變大，擴散速率加快所致。

5 結論

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

參考文獻：

[1]黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發生機制[J].巖石力學與工程學報，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].水文地質工程地質，2000，27（05）：1-4.

[3]鐘立勛.中國重大地質災害實例分析[J].中國地質災害與防治學報，1999（3）：1-10.