關于恐龍化石在發掘過程中因應力釋放造成風化破壞的研究

張尚坤,于學峰,賈超,杜圣賢,田京祥,宋香鎖,陳文芳

(1.山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013;2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250013)

0 引言

造成恐龍化石風化破壞的因素眾多，許多學者對此做了廣泛而深入的研究[1-2]，并在恐龍化石發掘中采取了針對性的有效保護措施，取得了很好的效果。然而，也有的對在恐龍化石發掘過程中產生的破壞作用重視不夠，從而因機械擾動直接導致化石或其圍巖的破碎，對這種肉眼可見的人為破壞，施工中若制定一些防范措施，是可以避免的。但是，對恐龍化石發掘過程中因應力釋放造成的風化破壞缺乏深入的研究。

恐龍化石形成以后，隨著埋藏深度的增加和巖石固結程度的提高，化石所承受的應力也會越來越大[3]，化石挖掘會導致深部巖石驟然釋重，由此會使化石形成應變，產生節理裂隙，這些節理裂隙為水和空氣的活動提供了通道，使風化破壞作用更加迅速。

1 分層開挖理論基礎和模型建立

分層開挖法是恐龍化石挖掘過程中最常用的一種方法，即從頂部自上而下分梯段逐層向下開挖。這種方法的主要優點是用一般機械設備即可進行施工，施工簡單，且能夠最大限度的減小施工中機械振動對化石的破壞。依據分層開挖的理論[4]，建立模擬化石開挖過程的數值模型如圖1所示:模型長15m，寬15m，高25m；化石埋深在10m到20m之間，每高差1m分布一層化石；在數值模擬分層開挖過程時，自地表算起共開挖20層，每層開挖厚度為1m，呈梯形分布，化石分布于第11層至第20層之間。每層化石分布裸露部分大小為化石的1/3、1/2和2/3共3列。

a—幾何模型;b—數值模型圖1 恐龍化石發掘過程模型

模型邊界條件：底部采用固定約束，左右兩側約束x方向位移，前后兩側約束y方向位移，整個開挖過程中模型存在重力作用。該三維模型中，化石及圍巖的材料特性均按均值彈塑性考慮，采用Drucker-Prager屈服準側[5-6]。公式見式(1)：

-αI1-k=0

(1)

式中：I1為應力張量第一不變量；J2為應力偏張量第二不變量。α,k均為與巖土材料粘聚力c和內摩擦角φ有關的常數。其關系式如下：

(2)

(3)

在MSC.Marc軟件中，Drucker-Prager準則的實現是通過與Mohr-Coulomb準則之間的參數關系實現的。故在MSC.Marc軟件中輸入的參數α,σ表達式如式(4)：

(4)

根據標準試件的實驗結果及相關資料取模型參數如表1。

2 化石在發掘過程中應力變化分析

恐龍化石及圍巖體內初始地應力的大小主要與其自重應力和構造應力有關，而構造應力是長期地質構造運動的結果，它隨著時間的推移會不斷發生變化，是非穩定應力場，而且構造應力目前尚無法用數學力學的方法進行計算，所以該課題中忽略構造應力的影響，初始地應力場采用初始重力場。

表1 分層開挖模型參數

隨著化石發掘過程中開挖深度的增加，各層化石及圍巖的應力場不斷變化，由于篇幅所限，這一部分只列出開挖深度為0m，11m，15m，19m時的等效應力圖形和XZ方向剪應力圖形進行分析對比。

(1)等效應力變化過程

為分析發掘過程中不同埋深化石的應力變化情況，以及相同埋藏深度，化石發掘出的裸露程度(裸露部分所占比例)不同時的應力變化情況，下面列出開挖過程中的等效應力(Equivalent Von Mises Stress)圖(圖2)和不同埋深、裸露體積所占比例不同的化石及圍巖開挖過程等效應力變化曲線(圖3)進行分析對比。

Von Mises等效應力的數學表達式[7-9]：

(5)

用主應力表示為:

(6)

式中：σs為材料的屈服點；K為材料的剪切屈服強度。

(7)

由圖2中等效應力變化圖形可以看出，隨著化石的發掘，開挖深度越來越大，各處的化石和圍巖應力不斷發生變化，開挖前后化石表面的最大等效應力差達到0.34MPa,圍巖表面的最大等效應力差達0.3MPa。并且由圖2可見，同等深度下，化石和圍巖的應力分布并不相同。所以，在化石開挖過程中會導致化石和其圍巖的應力分布不均，根據模擬結果,部分相鄰位置化石和圍巖的應力差達到0.12MPa它們之間會產生力的相互作用，必然導致卸載裂隙的產生，同時開挖過程中的機械擾動也會促進裂隙的產生，從而會加速風化的進行。

a—開挖前;b—開挖深度為11m；c—開挖深度為15m；d—開挖深度為19m圖2 開挖過程中的等效應力變化圖

由圖3各圖形中四條曲線的變化規律可以看出，隨著開挖深度的增加，化石和圍巖的等效應力都相應減小，且由其變化速率可見，開挖后裸露程度不同的化石應力釋放速率相差不大。當開挖到化石所在深度時，不同裸露程度的化石都出現了等效應力維持某一值不變或少許增加或減小、速率降低的現象，而圍巖大部分出現了等效應力回彈的現象[10-11]。這些現象都是由于開挖過程中的應力釋放及化石和圍巖的相互作用而產生的。

對比圖3中的四組圖形的變化規律，可以看出，埋深深度越大的化石，在開挖露出地面后等效應力的回彈現象越明顯，即應力釋放越嚴重。不同深度的圍巖隨開挖過程的進行，應力變化過程也有較大變化。所以埋深深度對化石的風化是有一定影響的。由數值模擬的結果可以推測，埋深越大的化石，開挖過程中的應力釋放對其風化的影響越大。

a—埋深11m;b—埋深14m；c—埋深17m；d—埋深20m圖3 不同埋深條件下裸露體積不同的化石及圍巖開 挖過程等效應力變化曲線

(2)SXZ變化過程

圖4為開挖過程中XZ方向應力的變化過程：隨著化石開挖深度的增加，XZ方向剪應力變化情況，由圖可見，裸露化石表面大部分受剪拉應力的作用，最大拉應力達到0.3MPa。巖石的抗拉強度要遠小于其抗壓強度，所以，雖然化石表面所受剪應力不大，但其對化石風化的影響比壓應力要大的多。開挖過程中恐龍化石表面的剪拉應力是導致卸載裂隙產生的主要原因。

a—開挖前;b—開挖深度為14m；c—開挖深度為15m；d—開 挖深度為19m圖4 隨著開挖深度的增加SXZ變化過程

3 化石發掘過程中應變變化分析

這里所分析的應變是與Von Mises等效應力相對應的等效應變[12-14]。化石發掘過程中，由于初始地應力釋放，不但導致化石和圍巖內部應力的變化，也會產生位移的變化，圖5中給出了化石開挖過程中部分開挖階段的等效彈性應變的變化過程圖。隨著化石發掘過程中開挖深度越來越大，彈性應變不斷發生變化，開挖后最大應變達到10-4，而且化石和其周圍圍巖的彈性應變并不相同，部分地區相差近1個數量級。故由于開挖深度的增加，不但會使化石和圍巖的裸露部分由于應力釋放而產生較大應變，而且由于化石和圍巖的力學參數不同，還會導致化石和圍巖之間由于變形不同而產生力的相互作用[15-16]。

a—開挖前;b—開挖深度為11m；c—開挖深度為15m；d—開 挖深度為19m圖5 開挖過程中的等效彈性應變變化

圖6給出了不同埋深，相同裸露程度的化石表面位移變化情況，從中明顯可以看出，各條曲線起點處為初始未開挖狀態，位移越大則表示初始埋深越大。對比各曲線的斜率可以得出，埋深越大，位移初始階段變化速率越大，當埋深為20m時，位移變化率為2.9×10-4m/開挖步，而埋深為11m時，位移變化率為1.3×10-4m/開挖步，故埋深越大受開挖的影響就越大。

圖6 不同埋深條件下相同裸露程度化石的時間位移曲線

4 結論

根據對化石開挖過程的數值模擬，可以得出如下結論：化石開挖過程中應力應變的變化是影響化石風化的重要因素；化石初始埋深越大、開挖速度越快，開挖過程中受應力釋放作用的影響也就越大；化石和圍巖力學參數的相差程度大小，也會在開挖過程中間接影響化石和圍巖的風化；雖然化石表面所受剪應力不大，但其對化石風化的影響比在壓應力條件下要大的多，這是導致化石卸載裂隙產生以致破壞的主要原因。因此，恐龍化石發掘要逐層緩慢開挖，使化石逐漸達到新的應力平衡，以便減少應力釋放對化石造成的風化破壞，特別是在化石發掘施工中要做好護坡，最大限度地防止剪應力的產生。