關(guān)于恐龍化石在發(fā)掘過(guò)程中因應(yīng)力釋放造成風(fēng)化破壞的研究

張尚坤,于學(xué)峰,賈超,杜圣賢,田京祥,宋香鎖,陳文芳

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國(guó)土資源部金礦成礦過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013;2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

造成恐龍化石風(fēng)化破壞的因素眾多，許多學(xué)者對(duì)此做了廣泛而深入的研究[1-2]，并在恐龍化石發(fā)掘中采取了針對(duì)性的有效保護(hù)措施，取得了很好的效果。然而，也有的對(duì)在恐龍化石發(fā)掘過(guò)程中產(chǎn)生的破壞作用重視不夠，從而因機(jī)械擾動(dòng)直接導(dǎo)致化石或其圍巖的破碎，對(duì)這種肉眼可見(jiàn)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(duì)恐龍化石發(fā)掘過(guò)程中因應(yīng)力釋放造成的風(fēng)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(jié)程度的提高，化石所承受的應(yīng)力也會(huì)越來(lái)越大[3]，化石挖掘會(huì)導(dǎo)致深部巖石驟然釋重，由此會(huì)使化石形成應(yīng)變，產(chǎn)生節(jié)理裂隙，這些節(jié)理裂隙為水和空氣的活動(dòng)提供了通道，使風(fēng)化破壞作用更加迅速。

1 分層開(kāi)挖理論基礎(chǔ)和模型建立

分層開(kāi)挖法是恐龍化石挖掘過(guò)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(kāi)挖。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是用一般機(jī)械設(shè)備即可進(jìn)行施工，施工簡(jiǎn)單，且能夠最大限度的減小施工中機(jī)械振動(dòng)對(duì)化石的破壞。依據(jù)分層開(kāi)挖的理論[4]，建立模擬化石開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模型如圖1所示:模型長(zhǎng)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(shù)值模擬分層開(kāi)挖過(guò)程時(shí)，自地表算起共開(kāi)挖20層，每層開(kāi)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(shù)值模型圖1 恐龍化石發(fā)掘過(guò)程模型

模型邊界條件：底部采用固定約束，左右兩側(cè)約束x方向位移，前后兩側(cè)約束y方向位移，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)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(zhǔn)側(cè)[5-6]。公式見(jiàn)式(1)：

-αI1-k=0

(1)

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

(2)

(3)

在MSC.Marc軟件中，Drucker-Prager準(zhǔn)則的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則之間的參數(shù)關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。故在MSC.Marc軟件中輸入的參數(shù)α,σ表達(dá)式如式(4)：

(4)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)資料取模型參數(shù)如表1。

2 化石在發(fā)掘過(guò)程中應(yīng)力變化分析

恐龍化石及圍巖體內(nèi)初始地應(yīng)力的大小主要與其自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)，而構(gòu)造應(yīng)力是長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，它隨著時(shí)間的推移會(huì)不斷發(fā)生變化，是非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，而且構(gòu)造應(yīng)力目前尚無(wú)法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算，所以該課題中忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響，初始地應(yīng)力場(chǎng)采用初始重力場(chǎng)。

表1 分層開(kāi)挖模型參數(shù)

隨著化石發(fā)掘過(guò)程中開(kāi)挖深度的增加，各層化石及圍巖的應(yīng)力場(chǎng)不斷變化，由于篇幅所限，這一部分只列出開(kāi)挖深度為0m，11m，15m，19m時(shí)的等效應(yīng)力圖形和XZ方向剪應(yīng)力圖形進(jìn)行分析對(duì)比。

(1)等效應(yīng)力變化過(guò)程

為分析發(fā)掘過(guò)程中不同埋深化石的應(yīng)力變化情況，以及相同埋藏深度，化石發(fā)掘出的裸露程度(裸露部分所占比例)不同時(shí)的應(yīng)力變化情況，下面列出開(kāi)挖過(guò)程中的等效應(yīng)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(kāi)挖過(guò)程等效應(yīng)力變化曲線(xiàn)(圖3)進(jìn)行分析對(duì)比。

Von Mises等效應(yīng)力的數(shù)學(xué)表達(dá)式[7-9]：

(5)

用主應(yīng)力表示為:

(6)

式中：σs為材料的屈服點(diǎn)；K為材料的剪切屈服強(qiáng)度。

(7)

由圖2中等效應(yīng)力變化圖形可以看出，隨著化石的發(fā)掘，開(kāi)挖深度越來(lái)越大，各處的化石和圍巖應(yīng)力不斷發(fā)生變化，開(kāi)挖前后化石表面的最大等效應(yīng)力差達(dá)到0.34MPa,圍巖表面的最大等效應(yīng)力差達(dá)0.3MPa。并且由圖2可見(jiàn)，同等深度下，化石和圍巖的應(yīng)力分布并不相同。所以，在化石開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致化石和其圍巖的應(yīng)力分布不均，根據(jù)模擬結(jié)果,部分相鄰位置化石和圍巖的應(yīng)力差達(dá)到0.12MPa它們之間會(huì)產(chǎn)生力的相互作用，必然導(dǎo)致卸載裂隙的產(chǎn)生，同時(shí)開(kāi)挖過(guò)程中的機(jī)械擾動(dòng)也會(huì)促進(jìn)裂隙的產(chǎn)生，從而會(huì)加速風(fēng)化的進(jìn)行。

a—開(kāi)挖前;b—開(kāi)挖深度為11m；c—開(kāi)挖深度為15m；d—開(kāi)挖深度為19m圖2 開(kāi)挖過(guò)程中的等效應(yīng)力變化圖

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

對(duì)比圖3中的四組圖形的變化規(guī)律，可以看出，埋深深度越大的化石，在開(kāi)挖露出地面后等效應(yīng)力的回彈現(xiàn)象越明顯，即應(yīng)力釋放越嚴(yán)重。不同深度的圍巖隨開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)行，應(yīng)力變化過(guò)程也有較大變化。所以埋深深度對(duì)化石的風(fēng)化是有一定影響的。由數(shù)值模擬的結(jié)果可以推測(cè)，埋深越大的化石，開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力釋放對(duì)其風(fēng)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(kāi) 挖過(guò)程等效應(yīng)力變化曲線(xiàn)

(2)SXZ變化過(guò)程

圖4為開(kāi)挖過(guò)程中XZ方向應(yīng)力的變化過(guò)程：隨著化石開(kāi)挖深度的增加，XZ方向剪應(yīng)力變化情況，由圖可見(jiàn)，裸露化石表面大部分受剪拉應(yīng)力的作用，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.3MPa。巖石的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，所以，雖然化石表面所受剪應(yīng)力不大，但其對(duì)化石風(fēng)化的影響比壓應(yīng)力要大的多。開(kāi)挖過(guò)程中恐龍化石表面的剪拉應(yīng)力是導(dǎo)致卸載裂隙產(chǎn)生的主要原因。

a—開(kāi)挖前;b—開(kāi)挖深度為14m；c—開(kāi)挖深度為15m；d—開(kāi) 挖深度為19m圖4 隨著開(kāi)挖深度的增加SXZ變化過(guò)程

3 化石發(fā)掘過(guò)程中應(yīng)變變化分析

這里所分析的應(yīng)變是與Von Mises等效應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)變[12-14]。化石發(fā)掘過(guò)程中，由于初始地應(yīng)力釋放，不但導(dǎo)致化石和圍巖內(nèi)部應(yīng)力的變化，也會(huì)產(chǎn)生位移的變化，圖5中給出了化石開(kāi)挖過(guò)程中部分開(kāi)挖階段的等效彈性應(yīng)變的變化過(guò)程圖。隨著化石發(fā)掘過(guò)程中開(kāi)挖深度越來(lái)越大，彈性應(yīng)變不斷發(fā)生變化，開(kāi)挖后最大應(yīng)變達(dá)到10-4，而且化石和其周?chē)鷩鷰r的彈性應(yīng)變并不相同，部分地區(qū)相差近1個(gè)數(shù)量級(jí)。故由于開(kāi)挖深度的增加，不但會(huì)使化石和圍巖的裸露部分由于應(yīng)力釋放而產(chǎn)生較大應(yīng)變，而且由于化石和圍巖的力學(xué)參數(shù)不同，還會(huì)導(dǎo)致化石和圍巖之間由于變形不同而產(chǎn)生力的相互作用[15-16]。

a—開(kāi)挖前;b—開(kāi)挖深度為11m；c—開(kāi)挖深度為15m；d—開(kāi) 挖深度為19m圖5 開(kāi)挖過(guò)程中的等效彈性應(yīng)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(xiàn)起點(diǎn)處為初始未開(kāi)挖狀態(tài)，位移越大則表示初始埋深越大。對(duì)比各曲線(xiàn)的斜率可以得出，埋深越大，位移初始階段變化速率越大，當(dāng)埋深為20m時(shí)，位移變化率為2.9×10-4m/開(kāi)挖步，而埋深為11m時(shí)，位移變化率為1.3×10-4m/開(kāi)挖步，故埋深越大受開(kāi)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(shí)間位移曲線(xiàn)

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)化石開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模擬，可以得出如下結(jié)論：化石開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的變化是影響化石風(fēng)化的重要因素；化石初始埋深越大、開(kāi)挖速度越快，開(kāi)挖過(guò)程中受應(yīng)力釋放作用的影響也就越大；化石和圍巖力學(xué)參數(shù)的相差程度大小，也會(huì)在開(kāi)挖過(guò)程中間接影響化石和圍巖的風(fēng)化；雖然化石表面所受剪應(yīng)力不大，但其對(duì)化石風(fēng)化的影響比在壓應(yīng)力條件下要大的多，這是導(dǎo)致化石卸載裂隙產(chǎn)生以致破壞的主要原因。因此，恐龍化石發(fā)掘要逐層緩慢開(kāi)挖，使化石逐漸達(dá)到新的應(yīng)力平衡，以便減少應(yīng)力釋放對(duì)化石造成的風(fēng)化破壞，特別是在化石發(fā)掘施工中要做好護(hù)坡，最大限度地防止剪應(yīng)力的產(chǎn)生。