湿度变化对岩石风化产生的影响

摘要：文章对处于不同湿度环境下的花岗岩进行了数值模拟，得到的结果将岩石的风化按照时间分为两大阶段，即风化准备阶段和风化扩展阶段。依据风化速率将风化扩展阶段分为缓慢增长阶段，低速增长阶段及高速扩展阶段。

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.

关键词：岩石风化；湿度变化；有限元分析

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

中图分类号：TD327 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0109-02

0 引言

随着经济的高速发展，人们对于环境的改造愈加强烈。在大型水利水电、边坡改造及公路交通等工程的施工过程中滑坡的发生频率也越来越高。人们对于滑坡的认识大多源于地震、降雨等极端环境造成的地质灾害，而现有的研究也多集中在预警和激发机理等方面，对于滑坡灾害孕育过程的研究则相对较少[1-3]。岩石的风化是孕育滑坡的重要因素之一，风化的岩石降低了坡体的力学性质，加速了滑坡灾害的产生，所以对岩石风化进程的研究十分重要[4-5]。本文应用有限元软件模拟了外界湿度变化对岩石风化产生的影响，并对其在工程中的应用进行了深入探讨。

1 模型的建立

1.1 物理模型

假定模型为0.1m×0.1m的标准矩形花岗岩，四周的环境湿度设置为0.5+0.1n（0≤n≤5）。内部温度设置为20℃，扩散通量的量级取自文[6]为1×10-13m2/s。有限元模型见图1，具体参数见表1。

2 风化起止时间

控制外界环境相对湿度为50%～100%，岩石风化的起止时间如图3所示。由不同湿度环境下风化出现、扩展及结束时间曲线图（图4），可以看出相对湿度由50%增至100%的过程中，风化出现的时间越来越早，从最初的897a到后来的699a，提前了199a。风化的扩展时间逐渐缩短，从最初的2616a到后来的2071a，缩短了545a。风化的结束时间逐渐提前，由初始的3513a到后来的2770a，缩短了743a。可以认为岩石周围环境相对湿度的增加致使风化出现时间提前，风化扩展时间缩短，风化结束时间提前。曲线拟合得到湿度与风化出现时间、扩展时间及结束时间的函数关系式分别为：Y=-3.88X+0.24978，Y=-10.63273X+0.61104，Y=-14.51273X+0.85183，其中X为相对湿度（%），Y为出现时间（a，年）。

将风化的出现、扩展和结束时间三者进行对比得到图5，认为三者相互之间的比值稳定，出现时间与结束时间的比值约为0.25；出现时间与扩散时间的比值约为0.34；扩散时间与结束时间的比值约为0.74。同时得到了棱角钝化的完成时间，如图6所示。为了得到更为准确的风化速率，可以在模型完成棱角钝化后进行标准试样的风化速率计算和分析，这样能够避免不规则扩散产生的误差。

3 不同湿度下岩石的风化速率

棱角钝化完成后，规则化的模型在不同湿度环境下的风化移动速率如图7所示。

4 讨论

在时间方面，随着相对湿度的增加，完全风化需要的时间越来越少，从相对湿度50%时的3513a到100%时的2770a。风化的出现时间逐渐提前，扩展时间逐渐缩短。风化速率方面，由于后期的时间段不一致，所以后期的大幅度增幅并不具有可比性，仅可以体现规律。起始扩展速率（棱角钝化完成后）由相对湿度50%时的19μm/a增至100%时的26μm/a。选取第11段进行分析发现，风化中后期的速率从相对湿度50%时的35μm/a增至100%时的121.4μm/a，由此可见不同湿度对岩石的风化的影响主要体现在风化时间和风化速率两方面。

在相对湿度保持不变的条件下，按照岩石风化时间的长短可分为两大阶段：风化准备阶段和风化扩展阶段。风化准备阶段约占总时间的25%，余下的为风化扩展阶段。风化扩展阶段按风化速率又可分为三个阶段，占大部分时间的缓慢增长阶段，包括去棱角化阶段和风化低速率阶段；占小部分时间的低速增长阶段，该阶段风化速率逐渐加快，风化速率小幅度提高；占很小部分的高速阶段，风化速率大幅度提高，新鲜岩石很快就消失了。这可能是由于前期积累的高浓度差，使浓度梯度变大，扩散速率加快所致。

5 结论

考虑空气中多元组分的扩散，得到了外界湿度增大过程中，风化速率与湿度变化之间的关系。认为在变湿度条件下，岩石的风化规律是可循的。岩石的风化程度与空气湿度成正比。其风化速率随时间呈非线性增加，风化初期到中期的风化速率缓慢增加，后期会出现风化速率激增的现象。在实际工程中往往很难全面的对岩石的风化程度进行勘察，但可以统计工程所处地区空气湿度的加权值，不同区域的岩石在外观程度相似的情况下，湿度加权总和高的区域，岩石的风化程度较高。

参考文献：

[1]黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报，2007，26（03）：433-454.

[2]殷坤龙，韩再生，李志中.国际滑坡研究的新进展[J].水文地质工程地质，2000，27（05）：1-4.

[3]钟立勋.中国重大地质灾害实例分析[J].中国地质灾害与防治学报，1999（3）：1-10.