濕度變化對(duì)巖石風(fēng)化產(chǎn)生的影響

王仕軍

摘要：文章對(duì)處于不同濕度環(huán)境下的花崗巖進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的結(jié)果將巖石的風(fēng)化按照時(shí)間分為兩大階段，即風(fēng)化準(zhǔn)備階段和風(fēng)化擴(kuò)展階段。依據(jù)風(fēng)化速率將風(fēng)化擴(kuò)展階段分為緩慢增長(zhǎng)階段，低速增長(zhǎng)階段及高速擴(kuò)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(hào)：TD327 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0109-02

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)于環(huán)境的改造愈加強(qiáng)烈。在大型水利水電、邊坡改造及公路交通等工程的施工過(guò)程中滑坡的發(fā)生頻率也越來(lái)越高。人們對(duì)于滑坡的認(rèn)識(shí)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(jī)理等方面，對(duì)于滑坡災(zāi)害孕育過(guò)程的研究則相對(duì)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(duì)巖石風(fēng)化進(jìn)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(duì)巖石風(fēng)化產(chǎn)生的影響，并對(duì)其在工程中的應(yīng)用進(jìn)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(kuò)散通量的量級(jí)取自文[6]為1×10-13m2/s。有限元模型見(jiàn)圖1，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

2 風(fēng)化起止時(shí)間

控制外界環(huán)境相對(duì)濕度為50%～100%，巖石風(fēng)化的起止時(shí)間如圖3所示。由不同濕度環(huán)境下風(fēng)化出現(xiàn)、擴(kuò)展及結(jié)束時(shí)間曲線圖（圖4），可以看出相對(duì)濕度由50%增至100%的過(guò)程中，風(fēng)化出現(xiàn)的時(shí)間越來(lái)越早，從最初的897a到后來(lái)的699a，提前了199a。風(fēng)化的擴(kuò)展時(shí)間逐漸縮短，從最初的2616a到后來(lái)的2071a，縮短了545a。風(fēng)化的結(jié)束時(shí)間逐漸提前，由初始的3513a到后來(lái)的2770a，縮短了743a。可以認(rèn)為巖石周圍環(huán)境相對(duì)濕度的增加致使風(fēng)化出現(xiàn)時(shí)間提前，風(fēng)化擴(kuò)展時(shí)間縮短，風(fēng)化結(jié)束時(shí)間提前。曲線擬合得到濕度與風(fēng)化出現(xiàn)時(shí)間、擴(kuò)展時(shí)間及結(jié)束時(shí)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(duì)濕度（%），Y為出現(xiàn)時(shí)間（a，年）。

將風(fēng)化的出現(xiàn)、擴(kuò)展和結(jié)束時(shí)間三者進(jìn)行對(duì)比得到圖5，認(rèn)為三者相互之間的比值穩(wěn)定，出現(xiàn)時(shí)間與結(jié)束時(shí)間的比值約為0.25；出現(xiàn)時(shí)間與擴(kuò)散時(shí)間的比值約為0.34；擴(kuò)散時(shí)間與結(jié)束時(shí)間的比值約為0.74。同時(shí)得到了棱角鈍化的完成時(shí)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試樣的風(fēng)化速率計(jì)算和分析，這樣能夠避免不規(guī)則擴(kuò)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(dòng)速率如圖7所示。

4 討論

在時(shí)間方面，隨著相對(duì)濕度的增加，完全風(fēng)化需要的時(shí)間越來(lái)越少，從相對(duì)濕度50%時(shí)的3513a到100%時(shí)的2770a。風(fēng)化的出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前，擴(kuò)展時(shí)間逐漸縮短。風(fēng)化速率方面，由于后期的時(shí)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(kuò)展速率（棱角鈍化完成后）由相對(duì)濕度50%時(shí)的19μm/a增至100%時(shí)的26μm/a。選取第11段進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化中后期的速率從相對(duì)濕度50%時(shí)的35μm/a增至100%時(shí)的121.4μm/a，由此可見(jiàn)不同濕度對(duì)巖石的風(fēng)化的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)化時(shí)間和風(fēng)化速率兩方面。

在相對(duì)濕度保持不變的條件下，按照巖石風(fēng)化時(shí)間的長(zhǎng)短可分為兩大階段：風(fēng)化準(zhǔn)備階段和風(fēng)化擴(kuò)展階段。風(fēng)化準(zhǔn)備階段約占總時(shí)間的25%，余下的為風(fēng)化擴(kuò)展階段。風(fēng)化擴(kuò)展階段按風(fēng)化速率又可分為三個(gè)階段，占大部分時(shí)間的緩慢增長(zhǎng)階段，包括去棱角化階段和風(fēng)化低速率階段；占小部分時(shí)間的低速增長(zhǎng)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(kuò)散速率加快所致。

5 結(jié)論

考慮空氣中多元組分的擴(kuò)散，得到了外界濕度增大過(guò)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(shí)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(huì)出現(xiàn)風(fēng)化速率激增的現(xiàn)象。在實(shí)際工程中往往很難全面的對(duì)巖石的風(fēng)化程度進(jìn)行勘察，但可以統(tǒng)計(jì)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。

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