岩石化学风化时效效应的离散元模拟_蒋明镜

1、3578岩 土 力 学2014 年第35卷第12期2014年12月岩 土 力 学Rock and Soil Mechanics ol 35 No 12Dec 201471994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, hllp:文章编当 1000-759S (2014) 12-3577-OS岩石化学风化时效效应的离散元模拟蒋明镜张宁I陈贺U(1同济大学 地下建筑与I.科系,上海200092： 2同济大学式上及地下I.程教仃部重点女险室,卜询200092)摘要:微观匕岩石由晶粒和晶

2、粒之间的联接组成.在岩石的风化过程中，晶粒之间的联接会被削弱,导致岩石微观缺陷 的发展,从而表现为显X的时效效应。在己仃股结模型的基础上,将空石的化学风化过程等效为颗粒之间胶结物质不断溶蚀 进而影响颗粒之间胶结强度和刚度的过程，联丁此建立了考虑化学风化的微观接触模型.随舟将模型植入离散元软件，运用 离散元方法(DEM),模拟和对比分析了室内腐蚀试验与DEM模拟化学风化试验，结果表明：该模型可以反映岩石强度的 化学风化时效效应,即随着反应时间增加.强度减小：可以反映单轴压缩试验中裂隙压密阶段以比变形的时效效应，即随着反 应时间的增加.弹性模吊:、破坏时应变减小：粒间胶结的破坏,即微观缺陷的发育,

3、是导致岩石化学风化时效效应的微观原 因.同时DEM模拟风化与加我耦合的试验现象表明，施工过程中的施工速度会影响岩石的强度，施工应该选择合适的速率。 关键词：岩石：化学风化：时效效应 中图分类号：TU443文献标识码：ADiscrete element simulation of aging effect of chemical weathering on rockJIANG Ming-jing1'2, ZHANG Ning1-2, CHEN He1'2(1 De part皿 nt of Geotechmcal Engine ermg9 Tongji Umvcmty Shangh

4、ai 200092, China,2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji Umveinty; Shanghai 200092, Chun)Abstract: Ln the microxopic view, rock is composed of crystal grains and the contacts between them During the chemical weathenng process, the bonding matena

5、ls are conoded and the connections between the particles are weakened which would lead to evident aging effect on the mechanical properties of rock Based on the existing contact model, the chemical weathenng process of rock was idealized as the solution of the bonding matenals which resulted in the

6、decay of the strength and stiffness of tlie bonds between tlic particles In this way, the factor “ chemical weathenng is induced into tlic existing contact model According to establishing ccntact model consdeiing chemical weathering, DEM is used to simulate and analyze the corroded experiments and t

7、he dixrete element simulation results The results sliow that: the new model can reflect the aging effect on the strength of rock, the strength will decrease with the erosion, the new model can reflect the aging effect after the fracture pressure stage in the compression test. The ehstic modulus and

8、failure stmin uill decrease with the erosom the failure of bonds between the particle, namely the grow th of the uucrofracture,is the reason tint leads to the aging effect. At the same time, the amulauon results of the tests combined chemical weathering and loading show that a suitable construction

9、speed should be chosen to ensure a safe and eflficiency constructionKey words: rock, chemical weathenng, aging effect收稿日期:2013-12-09从金项II：国家杰出忏年科学从金资助项II (Ito 51025932)：国家市点从础科学研究发展计划(973鹿H20HCB013504).第作者简介1箱明俄,男.1965年牛.W I：.教授.M七生导加1婴从事纪杂/土问题方面的教学和科研工作日皿山皿哂咯即噂91educn1引言岩石在水环境的作用卜会发生化学成分的分解 和变化，称为化

10、学风化。在环境形势I益严峻的当 今，酸雨、河流污染等己经大大加剧了化学风化的 速率和程度，并且已经引起许多研究者的注意 化学风化公劣化岩石的物理力学性质：裂隙发育、 强度降低，进而影响围岩、岩质边坡的稳定性口】. 给水利水电匚程的正常使用和安全运行带来隐患. 因此，在化学风化速率和风化程度与岩石力学性质 之间建立联系在工程界具仃十分重要的意义。从微观上来看，岩石是由矿物晶粒及晶粒间接触(胶结)组成的。在风化作用卜;晶粒之间的联 系会被逐渐削弱、颗粒间晶格被腐蚀，同时溶液将 溶蚀物质带走，这些都会导致岩石性状的劣化， 在力学性质上则体现为显著的时效效应。Baynes 等田将花闵岩的风化时效效应归

11、结为岩石微观结构 的变化：微观裂纹的发展、晶粒的腐蚀以及微观孔 隙的发育:White等对4种类花岗岩的强风化和弱 风化岩样进行了化学腐蚀试脸，通过化学成分的分 析，得出结论：钙质的流失是该类岩石化学风化的 主要特征；张加桂认为，三峡地区泥灰岩强度不 断降低的原因是岩石中钙质成分被溶蚀、泥质成分 被风化：胡昕等对不同风化程度的红砂岩微观结 构进行了分析，认为红砂岩的单轴抗压强度主要与 密实程度、微孔洞与缺陷的分布情况及矿物颗粒之 间的联接相关；Ciantia等对灰岩的化学风化时效 效应进行了比较系统的研究，认为岩石所处的化学 环境是造成岩石时效效应的主要诱因，并且会造成 岩石微观结构的变化，基广

12、此建了化学-力学耦合 的岩石模型。以上.的研究成果都表明，岩石化学风 化时效效应与岩石微观结构的变化紧密关联。但在 室内研究中，岩石的微观信息较难取得，不同风化 程度的岩石难以取样，因此，通过室内试验难以定仄 地建立岩石风化速率和程度与岩石力学性质的关系。离散单元法是一种从微观出发解释材料宏观力 学性质的数值方法，J经被用来研究胶结砂土叨、 能源上口"”】、岩石等物质的力学性质。在N；石中 被用来模拟裂隙扩展口可、渐进破坏网等现象。对r 岩石风化，离散元可以通过控制颗粒间的微观模型 来定展地模拟岩石的风化程度，从而可以描述岩石 化学风化的时效效应。本文通过将考虑化学风化的岩石粒间接触

13、模型 引入离散无软件，模拟不同风化程度的岩石，进而 对岩石风化的时效效应展开分析和研究。2考虑化学风化粒间模型的建立2.1 模型筒介岩石中的晶粒是通过化学物质胶结在一起的， 这使得晶粒之间可以承受拉力和弯矩,这是常规离 散元模型无法做到的。因此，本文采用由蒋明镜 等“5-提出的颗粒胶结接触模型来模拟岩石晶粒 之间的接触。在该模型中，颗粒间可以承受拉力、 压力、剪刀以及弯矩，可以反映岩石内晶粒间的受 力方式。图1为胶结接触模型的力学响应。图1(a)为法 向力学响应：若法向力耳为压力或拉力但未超过抗 拉强度凡时，颗粒间的接触为弹性，刚度为勺；当 法向力为拉力，且超过凡时，胶结破坏，此接触将 不再能

14、承受拉力。图1(b)为切向力学响应:当粒间 切向力居未达到剪切强度时，颗粒间为弹性接触， 曲切刚度为£当粒间切向力达到剪切强度时，胶 结破坏，抗剪强度跌落至由摩擦决定的残余强度。图1(c)为转动向力学响应，其响应与切向相似，转 动刚度为K。法向力学响应(b)切向力学咱战(C)转动向力学响应图1胶结模型力学响应Fig.l Mechanical response of bonding model2.2 无厚度有抗转动胶结模型该模型建立在水泥胶结铝棒的试验基础上口町， 本文只介绍模型内容，详细分析、推导过程将另文 介绍.模型中胶结物质附着在颗粒的接触点周围，与 颗粒共同承担接触力。因此，模

15、型中的接触力分为 两部分：胶结部分和颗粒部分。当粒间法向力居为拉力，但胶结未破坏时，胶 结部分与颗粒部分受力为中联状态。胶结强度凡b、 凡b即为接触的强度，而在胶结试验”可中发现：胶结 物质的剪切强度七八扭转强度与胶结物质所承 受的法向荷载相关(见图)、(b),其强度包线为 &=从4(尺+凡)丫 mg 居+尺J6 人(2) 式中：外为胶结物抗剪切系数；片为胶结抗转动 系数；为颗粒等效半径；4、八、&、工为试验得到 包线形状参数；4、尺为粒间胶结物质的峰值抗压、 抗拉荷我。此时，着接触力超过胶结剪切或扭转强度，胶 结即发生破坏，接触分离，胶结物质不再发挥作用。当法向力为压力，但胶

16、结未破坏时，胶结部 分和颗粒部分受力为并联状态，粒间作用力按接触 和颗粒的刚度分配。此时接触的强度由胶结部分的3580岩 土 力 学2014 年抗剪强度包线凡= & + q = Eb + 4/(3)一aw 备运sms±强度4和由颗粒摩擦和形状提供的颗粒部分 强度/、/共同组成，其强度包线为峰值正缩-10 -RO F。1020 凡 30法向力吃32 9 6 3(Em-匕«运送5*二曲、(b)抗扭强度包线峰值川找荷援凡股结界限法向力(c) ,:雄强度包制图2无厚度有抗转动模型强度包线 Fig.2 Strength envelope of non-depth and an

17、ti-rotate model尺=& + % = &+；卬/ (4)o式中：尸4七分别为胶结物、颗粒所承担的法向 力；/为颗粒间摩擦系数：8为颗粒抗转动系数。此时，当胶结发生破坏后，由胶结物仍会存 在接触点附近，所以胶结部分仍然发挥作用，故 残余强度包线仍由两部分构成，表达式为(5)尺=£即/+/居bOO通过压剪扭复杂加载路径试验“可可知，胶结物 质的强度包面是由法向荷我小剪切荷我区和插矩 “共同控制，其表达式为(7)所得强度包面见图2(c)o2.3化学风化因素的引入231化学风化对胶结物刚度、强度的影响图3为模型中假定胶结物和颗粒的存在形式: 胶结物对称地分布在两个

18、接触的颗粒周围，因为胶 结物的最小厚度为0,故称为无厚度胶结模型。如 前文所述,岩石在化学风化的过程中,前结物质会 流失，微观缺陷会发育。而胶结物质的化学反应总 是发生在胶结物质表而，化学风化过程可以近似看 作胶结物对称、均匀地减少，胶结物宽度的减少成 就可以代表化学风化的程度，这样就将化学风化因 素引入模型。需要说明的是：在试样的初始状态卜, 颗粒之间的初始胶结宽度为5(0),而颗粒之间的胶 结宽度受多种因索的影响，所以不同接触上的胶结 宽度并不相同，这将在后文中做适当处理。图3胶结模型接触示意图Fig.3 Sketch of bonded particle在岩石未风化时，颗粒间初始胶结宽度

19、为3(0), 最大胶结厚度为儿皿：当风化时间为£时，胶结宽 度为耳，最大胶结用度变为右卬好据材料力学可知，随着胶结尺寸的变化，胶结 物的强度、刚度都会发生相应变化：(8)式中：/、为胶结材料的抗压、抗拉强度。EB(9)Kr =L, M / £ = const式中：与、&为法向和切向刚度；其比值由物质 的泊松比决定:皆为胶结物质的弹性模量;作为规 则形状胶结物的平均胶结厚度。由于颗粒之间胶结物的形状不规则，材料刚度 的计算不能直接应用式(9)。如图2所示，将胶结 物划分成长度为九、宽度为其的长条,这样使每个 单元形状近似规则，然后通过数值方法得出刚度计 算公式为K.

20、= £»作=244- 3.44e-"-J” 一 a795"(io) 式中：为颗粒半径；力=«产2(/*-，/一役/2户)；n 为划分的条带数。由式(8)(10)可以看出，随着胶结宽度的 减小，粒间皎结的强度和刚度都会发生一定程度的 衰减，相当于岩石微观缺陷的发育。2.3.2风化速率的确定在引入风化时间的同时，同样需要考虑风化速 率。在自然环境中，由酸性较弱，而且随时间发 生变化，因而岩石的化学风化速率相当缓慢且难于 测吊:。因此，通常是基丁室内试验来研究岩石的化 学风化速率：通过将一定尺寸的岩块浸泡在酸性较 强的腐蚀性溶液中，间隔一定时间测取岩

21、石的力学 性质，以此来定尻地研究风化速率和岩石力学性质 之间的关系。因钙质胶结物对酸液较敏感，钙质砂岩成为定 后研究化学风化时效效应的理想材料。李宇等“刃将 一定尺寸的钙质砂岩试样浸泡pH值为1、3的缓 冲溶液中，每隔5、9、14、21 d后分别从溶液中取 出，测试其单轴压缩强度。本文将以此为参照，分 析钙质砂岩的化学风化时效效应。在酸性环境中，酸性物质主要与砂岩中的钙质 胶结物发生反应，其反应式为CaCO3 =Ca2* +CO；-(11)CO;- + 2H+ = CO, T+H,0(12)由于CaCOj微溶丁.水，因此，溶液中的CaCCh 始终处于饱和状态。由反应式(11)、(12)可知，

22、氢离子的浓度为该反应速率的决定因素，因此，较 强的酸溶液只会加快试验的进程，而不会对结果产 生太大的影响。假设反应速率服从；7 = KH+ a(13)式中：/为反应速率；K-2 98x1()7、a0.11为反应速率常数，通过试验测得"】；"为氢离子浓度。 由此可以计算钙质胶结物的溶解最为(14)式中：“0、乙分别为初始时刻和风化后胶结物质 的质最：“为钙元素摩尔质品:；V为溶液体积。在此假定，化学反应在试样内部均匀发生：在 自然环境中岩石的风化总是由表及里的，而对本 试验中的单元试样而言，由试样较小、孔隙较多, 而且浸泡在溶液中，故作此假定是合理的。由此可 得胶结强度变化率

23、P与反应时间的关系式为(15)式(14)中，通过引入强度变化率来表示胶结 物质的损失比例，从而避免了微观上胶结尺寸30的 确定.综合式(8)(10)、(14). (15)得到考虑化 学风化的粒间接触模型为K=jB/尺=cJtBtK. = EBjh» KJ Ki = const % = 4/4=?/ mx =m0 - MytV ，=4H+r(16)共有16个参数，其中10个为微观参数：由岩 石压缩模届和泊松比确定的颗粒和胶结物的初始法 向和切向刚度% 0、工、工：由岩石强度确定 的胶结初始抗拉强度和抗压强度尺、尺；胶结和颗 粒摩擦系数4、%以及胶结和颗粒抗转动系数月、6个宏观参数：由试

24、验测得的反应速率的参数K a ;岩石成分分析得到岩石初始的胶结物含品:名、 反应初始pH值、时间t和溶液体积兀3离散元模拟单轴压缩试验单轴压缩强度是衡品:岩石力学性质、确定岩石 风化程度最自接的指标。本文将使用所建立的模型 模拟不同风化程度岩石的单轴压缩试验，并与相关 试验进行对比，分析岩石化学风化的时效效应。试 验模拟在pHl、3的溶液中浸泡5、9、14、21 d 后的钙质砂岩试样，分别进行单轴压缩试验。31离散元试样离散元试样如图4所示，试样尺寸为10.70 cmx 5.35 cm,颗粒总数为6 000,所使用级配曲线见图5, 平均粒径为0.65 mm,不均匀系数为2.4。模拟试验 719

25、94-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, hup:ki.nel3582岩 土 力 学2014 年共分3步进行：制样：采用蒋明镜等.提出的分 层欠压法，分8层生成，最终孔隙比为0.20。然后 模拟岩石的原位应力，在竖向0.55 MPa压力"施 加初始的模型参数生成胶结试样，直至墙上内、外 力平衡。生成目标试样：模拟室内腐蚀试验，撤 掉侧向约束墙，将上、卜墙伺服压力改为接近广0 的较小值，释放应力。随后模拟试样的腐蚀过程， 赋予试样风化后的模型参数，直至墙上内、外力平

26、衡。试验：上、卜两墙以0.01 m/s的速率进行单 轴压缩试验，自至试样破坏。试样的初始模型参数 见表lo所得该岩石试样的未风化时的强度初始参 数为：单轴抗压强度为64.45 MPa,弹性模质为4.54 GPa,泊松比为0.19。漫&遮潞;域心、:图4离散元试样 Fig.4 DEM sampleFig.5 Particle size distribution curve* n -二名阴0坡W3.2风化后岩石数值试验结果对比分析321单轴压缩强度由李宁等”】在试验中采用的是缓冲溶液，故 可认为在试验过程中溶液pH值保持不变,即：反 应速率不变。通过计算知，反应进行到14 d左右时, 胶结

27、物质基本溶解完全,这也与试验结果相符"刃. 故在pH = 1时仅可以模拟14 d强度。图6为pH = 1和pH = 3的溶液中，岩石单轴 压缩强度试验值和DEM模拟值的对比。图中DEM 模拟试验的单轴压缩强度随反应时间的变化趋势与 试验值相同，都随反应时间的增加而减小。但在反 应初期模拟值会略大试验值，这是由J模拟中假 定了化学反应均匀发生在试样内部，这样就将由风 化在岩石内部产生的微观缺陷均匀化；而当反应进 行到最后，胶结物质基本溶解完全，模拟强度与试 验强度就会基本吻合。表1 DEM岩石试样的材料参数Table 1 Material parameters of rock samp

28、le名称与单位数值颗粒法向刚/K,«GNm)S61用面切向刚度5 06胶结法向刚度KJ (GN m)430胶结切向刚度2 53酸绢抗Ik强度凡kN229位胶结抗拉强度R /kN1S6胶结抗剪切系数价05飘N摩擦系数勺1胶结抗转动系数队05颗粒抗转动系数415试样初始胶结物含fit20 42反应速率参数K-2 9SX10-3反应速率参数a0.11溶液体积匕105反应时间hd0、5. 9、14、21初始pHtfl1. 3墙体摩擦系数0图6单轴压缩强度试验值与DEM模拟值对比 Fig.6 Comparison of experimental and numerical uniaxial c

29、ompression test§ S茎至三3.2.2 应力-应变曲线图7为不同反应时间试样单轴压缩的应力-应 变曲线.从图中可以看出,在反应Od时，模拟曲 线与试验曲线基本吻介。但随着反应时间的增加， 试验曲线的峰值强度减小，对应成变逐渐增大；而 模拟曲线的峰值强度与试验曲线基本相同，但其对应应变减小的趋势并不如试验那么显著。/$,二.5IJW PH - 1图7不同反应时间应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain relation of different corrosion timesManin等口】将岩石脆性破坏的应力-应变曲线 划分为5个阶段，即：裂隙压密阶段、弹性

30、阶段、 微裂纹整定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和崎后阶 段。在图7的试验曲线中，上述5个阶段都可以观 察到，尤其是初始的裂隙压密阶段，随着反应时间 的增加，该阶段应变逐渐增加。但本文DEM模拟 的曲线中并没仃出现冽线模展逐渐增加的裂隙压密 阶段。这是因为:随着反应时间的增加,越来越多 的钙质胶结物质被溶蚀，形成较多的腐蚀裂隙，使 初始的裂隙压密阶段所包含应变增加，井口使随后 弹性阶段弹性模吊:减小，表现为岩石软化和柔性增 强。而本文的DEM模拟，将岩石的微观缺陷均匀 地分布广岩石内部，这使得在微观缺陷较少时（= 0）,本文模拟曲线与试验曲线吻合较好；在微观缺 陷较显著时（1=5、9d）,不能表现

31、出裂隙压密阶 段割线模仄的增加，而只能体现弹性阶段模质的减 小。张卫中等的研究也表明，风化程度对砂岩的 变形影响不大。因此，该模型所反映的是岩石单轴 压缩试验中裂隙压密以后的阶段，从这一方面来讲, 该模型可以反映应力-应变曲线的风化时效效应。3.2.3 胶结破坏分布岩石的力学性质随反应时间（即化学风化程度 的加剧）表现出显著地时效效应，这种宏观应力、 心变的时效效应是由微观缺陷的发展导致的，在本 文模以所使用的模型中表现为颗粒间胶结的破坏。图8为不同反应时间岩石试样峰后阶段的胶结 分布图。图中黑色部分表示胶结存在，白色部分表 示胶结破坏。从图中可以看到，每个试样中都存在 两条明显的胶结破坏带，

32、将破坏后试样分为3个块 体；但反应时间越久，胶结破坏点的分布越均匀. 宏观表现就越破碎。这与李宇等网在试验中的观察 到的现象是一致的。岩石的力学性质与其微观颗粒 间胶结的性质密切相关。微观胶结破坏的过程也可 以反映岩石在单轴压缩试验的各个阶段。图8 pH = 1峰后阶段试样的胶结分布图Fig.8 Bonding profiles after the peak strength in the solution of pH = 1图9为单轴压缩过程中岩样的轴向应力与胶结 破坏率关系图。从图中可以看到，在压缩的初始阶 段胶结不发生破坏，对应单轴压缩中的弹性阶段； 随着胶结破坏率随应力稳定增加，对应裂

33、纹的稳定 扩展阶段：当胶结破坏率随应力的增加而加速增加 时，对应单轴压缩试验中的裂纹加速扩展阶段：当 轴向应力达到峰值，胶结破坏率快速增加。并且随 看反应时间的增加，达到峰值处力时，胶结破坏率也 相应增加，这也是前文中岩石破碎的表现形式之一。 3.2.4风化与加我耦合单轴压缩试验以上所模拟的单轴压缩试验是模拟岩石试样在71994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:3584岩 土 力 学2014 年050505054 3 3 2 2 11宏理Q0.0020.40.6

34、 OS 101.2加速率(KTHc)71994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:图9 pH=l轴向应力与胶结破坏率关系Fig.9 Relations between axial stress and bond failure图11不同加载速率强度衰减百分比Eig.ll Strength reduction ratio with diiTerent loading rates溶液中浸泡一定时间后，将试样从溶液中拿出，再 进行单轴压缩试验。但反映化学风化时效效应应该

35、 还包括另一种形式：在化学风化的过程中测试其力 学性质，即：风化与加载的耦介。这两种试验分别 对应于工程的使用阶段和施匚阶段。在离散元实现 阶段就是在不同的加我速率3每隔一定的时间更 新次模型参数，就可以实现风化与加载的耦合.本文选取了 0 010、0.007. 0.005x0.003 和 0.001 m/s共5种速度在pH = 1的溶液中进行单轴压缩试 验，用以分析不同加载速率卜岩石力学性质的时效 效应。图10为不同加载速率条件卜单轴压缩的应力- 应变曲线，从图中可以看出，随着加我速率的减小, 试样的峰值强度和弹性模吊:都会发生衰减。图11 为不同加载速率强度衰减百分比与加载速率的关 系，加

36、我速率与强度衰减百分比呈近似指数型关系。图10反应条件下不同加载速率应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain curves with different loading ratesunder corroding condition在反应中加我的单轴试验现象与前文模拟得到 的强度衰战规律比较类似。较慢的加我速率相当 较长的加我时间，BP较长的反应时间。虽然这里应 用的是强酸参与反应，可能与实际丁程中的环境方 差距，但化学风化对扑石强度所产生影响的趋势是 相同的.这说明施匚时应选择一个合适的施匚速率, 既不能太快，以保证工程质砧；同时也不能太慢， 使新鲜岩面暴露太久，导致强度降低太多

37、，影响施 工安全4结论(1)考虑风化的接触模型能够反映化学风化对 砂岩的强度时效效应：随风化时间的增加和加我速 率的减小，砂岩强度减小。(2)该模型能够反映裂隙闭合后的岩石变形时 效效应：弹性模吊：随风化时间的增加和加我速率的 减小而减小。(3)通过反应中不同加我速率的单轴压缩试验 可知，在施匚中要选取一个合适的施匚速度，在保 证施匚成吊:的同时，使岩体保育足够的强度.参考文献I沈珠江.抗风化设计一未来岩土设计的一个重要内 容J岩土工程学报,2004、2a63 866-869SHEN Zhu-jiang Weathunng rest stance design- An important as

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