陳軍，杜圣賢，張尚坤，賈超，劉鳳臣，楊斌

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點(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

古生物化石是重要的地質(zhì)遺跡，研究生物進(jìn)化、恢復(fù)古生態(tài)環(huán)境、確定地質(zhì)時(shí)代、探索地球演化的最重要資料，也為尋找礦產(chǎn)資源提供重要線索[1-14]。

我國擁有極為豐富的古生物化石資源，更是世界上產(chǎn)出恐龍屬種最多的國家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，除臺(tái)灣和福建外，我國各省市都有恐龍化石的發(fā)現(xiàn)和記載，其中內(nèi)蒙古、遼寧、云南、廣東、四川、新疆、甘肅、河南、山東等省都有著名的恐龍化石產(chǎn)地，其中較大規(guī)模的化石集群埋藏點(diǎn)就達(dá)16個(gè)之多[15]，近些年來國內(nèi)外在恐龍化石埋藏學(xué)方面開展了諸多研究，也取得了一些顯著進(jìn)展[9-10,16-25]。

山東是我國恐龍化石大省,發(fā)現(xiàn)有包括恐龍骨骼、恐龍足跡、恐龍蛋等在內(nèi)的大量化石以及眾多處產(chǎn)地，吸引著大批學(xué)者進(jìn)行研究[26]。其中，諸城是中國重要的以大型鴨嘴龍類為代表的晚白堊世恐龍化石產(chǎn)地之一[27]。早在20世紀(jì)60年代初，諸城盆地就發(fā)現(xiàn)了“巨型山東龍”[28]。迄今，諸城市已發(fā)現(xiàn)恐龍化石點(diǎn)30多處，有恐龍骨骼化石、恐龍蛋化石和恐龍足跡化石，以及同時(shí)代的其他伴生脊椎動(dòng)物化石。為保護(hù)這些珍貴資源，諸城市建立了諸城恐龍國家地質(zhì)公園，修建了博物館和恐龍化石原地保護(hù)場館、對(duì)化石開挖暴露巖層面噴涂防護(hù)材料等，采取了一系列保護(hù)措施。但包括保護(hù)場館內(nèi)的大量恐龍骨骼化石風(fēng)化破壞依然比較嚴(yán)重。

對(duì)此，一些學(xué)者對(duì)這些化石風(fēng)化的原因進(jìn)行了分析研究，一方面對(duì)化石及圍巖的成分及礦物組成、膠結(jié)物、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和軟弱結(jié)構(gòu)面等內(nèi)部因素，同時(shí)也對(duì)物理、化學(xué)和生物等外部因素分析其風(fēng)化機(jī)理[29]。此外，還從熱應(yīng)力引起的熱破裂作用[30]以及TM(溫度和應(yīng)力)耦合分析方法[31]，對(duì)山東諸城恐龍化石風(fēng)化機(jī)理進(jìn)行了深入分析。為探索恐龍化石地質(zhì)遺跡風(fēng)化的內(nèi)在規(guī)律，該文將從力學(xué)角度，通過數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M分析圍壓和軸壓作用下對(duì)恐龍化石強(qiáng)度和破壞特性的影響效果。

據(jù)前人通過對(duì)恐龍骨骼化石的薄片和X衍射實(shí)驗(yàn)研究成果可知，恐龍化石由多種礦物成分構(gòu)成，主要是由生物成因礦物磷灰石(約占25%～75%)和次生交代充填礦物方解石(約占20%～80%)組成，此外還有少量石英、氟磷酸鈣等物質(zhì)存在[27,29,32]。由此可見其質(zhì)地不均勻且為脆性材料，因此在漫長的地質(zhì)歷史演變以及發(fā)掘保存等過程中必然會(huì)產(chǎn)生各種裂隙或孔洞。

斷裂力學(xué)是近30年才發(fā)展起來的一支新興學(xué)科，是固體力學(xué)的一個(gè)分支，它從宏觀的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)角度出發(fā)，研究含缺陷或裂紋的物體在外界條件(荷載、溫度、介質(zhì)腐蝕、中子輻射等)作用下宏觀裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)開裂、傳播和止裂規(guī)律。在經(jīng)典強(qiáng)度理論基礎(chǔ)上(如單剪強(qiáng)度理論、三剪強(qiáng)度理論、雙剪強(qiáng)度理論等)[33]，圍繞巖石中裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及巖石斷裂機(jī)理，在理論及實(shí)驗(yàn)方面都進(jìn)行了大量研究，取得了顯著進(jìn)展。1921年，Griffith提出能量釋放率準(zhǔn)則以及最大拉應(yīng)力理論，奠定了斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)，之后經(jīng)過近50年的發(fā)展形成了時(shí)線彈性斷裂理論、彈塑性理論以及損傷力學(xué)等大量理論與模型[34-38]。

側(cè)向壓力是影響巖石強(qiáng)度的一個(gè)重要因素?，F(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的恐龍化石大多數(shù)埋藏在不同深度的地層中，化石被挖掘出來后經(jīng)歷了一個(gè)應(yīng)力釋放的過程。為了分析埋深對(duì)恐龍化石強(qiáng)度和物理特性的影響，在數(shù)值分析中，根據(jù)不同埋深條件對(duì)化石施加不同圍壓，通過圍壓的大小來模擬化石挖掘之前不同深度條件下的應(yīng)力狀態(tài)。恐龍化石開挖后的應(yīng)力釋放過程即為數(shù)值模擬中施加圍壓的逆過程。

1 數(shù)值試驗(yàn)條件的設(shè)定

數(shù)值試驗(yàn)的目的主要是討論圍壓對(duì)恐龍化石強(qiáng)度和破壞特性的影響效果。通過數(shù)值試驗(yàn)分析圍壓對(duì)化石強(qiáng)度的影響程度，以及不同圍壓下化石的破壞形態(tài)有何不同，即在土層壓力及外載荷作用下的應(yīng)力分布狀況。

本次數(shù)值試驗(yàn)中內(nèi)含裂隙恐龍化石試件數(shù)值計(jì)算模型，在裂隙兩端處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)分(圖1)。

a—內(nèi)含裂隙恐龍化石試件示意圖；b—恐龍化石試件受軸壓示 意圖；c—恐龍化石試件受圍壓示意圖；d—網(wǎng)格劃分圖1 內(nèi)含裂隙恐龍化石試件數(shù)值計(jì)算模型

地層中的恐龍化石絕大多數(shù)都處在三向壓應(yīng)力的作用下，從某種意義上來說，化石在三向壓應(yīng)力作用下的變形與強(qiáng)度特性是巖石本性的反映，因此顯得更為重要，對(duì)不同埋深的化石在受力條件下進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過施加不同圍壓來實(shí)現(xiàn)。為了較準(zhǔn)確地說明埋深對(duì)恐龍化石強(qiáng)度特性的影響，根據(jù)恐龍化石實(shí)際存在的裂隙角度，選取了化石中內(nèi)含的3種裂隙角度，即15°，45°，75°；同時(shí)，根據(jù)恐龍化石賦存情況，在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，主要考慮了化石埋深分別為5m，15m，20m，30m(對(duì)應(yīng)圍壓分別為0.105MPa，0.315MPa，0.42MPa，0.63MPa)4種工況下的受力狀態(tài)和峰值強(qiáng)度(表1)。

表1 不同埋深時(shí)的圍壓

2 試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與分析

2.1 不同埋深圍壓對(duì)化石應(yīng)力分布的影響

(1)埋深5m時(shí)，裂隙角度對(duì)化石應(yīng)力分布的影響如圖2所示。由圖可見，裂隙角度為15°時(shí)，應(yīng)力最大值為0.772MPa(圖2a)；裂隙角度為45°時(shí)，應(yīng)力最大值為1.028MPa(圖2b)；裂隙角度為75°時(shí)，應(yīng)力最大值為29.28MPa(圖2c)。由此可見，埋深對(duì)裂隙角度為75°時(shí)影響最大，對(duì)裂隙角度為15°時(shí)影響最小。

a—裂隙角度15°時(shí)；b—裂隙角度45°時(shí)；c—裂隙角度75°時(shí)圖2 埋深5m時(shí)圍壓對(duì)化石應(yīng)力分布的影響

(2)埋深15m時(shí)，裂隙角度對(duì)化石應(yīng)力分布的影響如圖3所示。由圖可見，裂隙角度為15°時(shí)，應(yīng)力最大值為2.317MPa(圖3a)；裂隙角度為45°時(shí)，應(yīng)力最大值為3.083MPa(圖3b)；裂隙角度為75°時(shí)，應(yīng)力最大值為87.84MPa(圖3c)。由此可見，埋深對(duì)裂隙角度為75°時(shí)影響最大，對(duì)裂隙角度為15°時(shí)影響最小。

(3)埋深20m時(shí)，裂隙角度對(duì)化石應(yīng)力分布的影響如圖4所示。由圖可見，裂隙角度為15°時(shí)，應(yīng)力最大值為3.089MPa(圖4a)；裂隙角度為45°時(shí)，應(yīng)力最大值為4.111MPa(圖4b)；裂隙角度為75°時(shí)，應(yīng)力最大值為117.1MPa(圖4c)。由此可見，埋深對(duì)裂隙角度為75°時(shí)影響最大，對(duì)裂隙角度為15°時(shí)影響最小。

(4)埋深30m時(shí)，裂隙角度對(duì)化石應(yīng)力分布的影響(圖5)。由圖可見，裂隙角度為15°時(shí)，應(yīng)力最大值為4.633MPa(圖5a)；裂隙角度為45°時(shí)，應(yīng)力最大值為6.167MPa(圖5b)；裂隙角度為75°時(shí)，應(yīng)力最大值為175.7MPa(圖5c)。由此可見，裂隙角度為75°時(shí)，應(yīng)力最大；裂隙角度為15°時(shí)，應(yīng)力最小。

a—裂隙角度15°時(shí)；b—裂隙角度45°時(shí)；c—裂隙角度75°時(shí)圖3 埋深15m時(shí)圍壓對(duì)化石應(yīng)力分布的影響

a—裂隙角度15°時(shí)；b—裂隙角度45°時(shí)；c—裂隙角度75°時(shí)圖4 埋深20m時(shí)圍壓對(duì)化石應(yīng)力分布的影響

a—裂隙角度15°時(shí)；b—裂隙角度45°時(shí)；c—裂隙角度75°時(shí)圖5 埋深30m時(shí)圍壓對(duì)化石應(yīng)力分布的影響

所以，不同埋深時(shí)圍壓對(duì)含有不同角度裂隙化石應(yīng)力影響較大，隨著埋深增加，含有裂隙化石的應(yīng)力大幅增大。在相同埋深土壓力作用下，含有裂隙角度為75°的化石的應(yīng)力最大，含有裂隙角度為45°的化石的應(yīng)力次之，含有裂隙角度為15°的化石的應(yīng)力最小。

2.2 圍壓與軸壓共同作用對(duì)化石應(yīng)力分布的影響

(1)埋深5m情況下的圍壓與軸壓共同作用試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。裂隙角度15°時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，并隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)在裂隙兩端朝上下兩個(gè)方向擴(kuò)展；裂隙角度45°時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，應(yīng)力區(qū)形狀大小基本對(duì)稱；隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)沿右下角方向擴(kuò)展增大。裂隙角度75°時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中；隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)沿左下角方向擴(kuò)展增大。

(2)埋深15m情況下的圍壓與軸壓共同作用試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。裂隙角度15°時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，并隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)在裂隙兩端朝上下兩個(gè)方向擴(kuò)展，高應(yīng)力區(qū)由右上角位置轉(zhuǎn)移到右下角；裂隙角度45°時(shí)，在軸壓較小時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，應(yīng)力區(qū)形狀大小基本對(duì)稱；隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)由右上角位置轉(zhuǎn)移到右下角，在右下角部位擴(kuò)展增大；裂隙角度75°時(shí)，裂隙左上角部位存在應(yīng)力集中；隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)在左上角部位擴(kuò)展增大。

圖6 埋深5m時(shí)不同裂隙角度情況中圍壓與軸壓共同作用下化石應(yīng)力分布影響

圖7 埋深15m時(shí)不同裂隙角度情況中圍壓與軸壓共同作用下化石應(yīng)力分布影響

圖8 埋深20m時(shí)不同裂隙角度情況中圍壓與軸壓共同作用下化石應(yīng)力分布影響

圖9 埋深30m時(shí)不同裂隙角度情況中圍壓與軸壓共同作用下化石應(yīng)力分布影響

(3)埋深20m情況下的圍壓與軸壓共同作用試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。裂隙角度15°時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，并隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)在裂隙兩端朝上下兩個(gè)方向擴(kuò)展，高應(yīng)力區(qū)由右上角位置轉(zhuǎn)移到右下角；裂隙角度45°時(shí)，在軸壓較小時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，應(yīng)力區(qū)形狀大小基本對(duì)稱；隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)由右上角位置轉(zhuǎn)移到右下角，在右下角部位擴(kuò)展增大；裂隙角度75°時(shí)，裂隙左上角部位存在應(yīng)力集中；隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)在左上角部位擴(kuò)展增大。

(4)埋深30m情況下的圍壓與軸壓共同作用試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。裂隙角度15°時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，并隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)在裂隙兩端朝上下兩個(gè)方向擴(kuò)展，高應(yīng)力區(qū)由右上角位置轉(zhuǎn)移到右下角；裂隙角度45°時(shí)，在軸壓較小時(shí)，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，應(yīng)力區(qū)形狀大小基本對(duì)稱；隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)由右上角位置轉(zhuǎn)移到右下角，在右下角部位擴(kuò)展增大；裂隙角度75°時(shí)，裂隙左上角部位存在應(yīng)力集中；隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)在左上角部位擴(kuò)展增大。

2.3 圍壓和軸壓作用下開裂角和極限載荷變化規(guī)律

(1)隨埋深的變化：圍壓和軸壓作用下開裂角和極限載荷隨埋深的變化試驗(yàn)如圖10所示。由圖可見，在圍壓和軸壓作用下，埋深對(duì)開裂角的影響較小(圖10a)。在圍壓和軸壓作用下，埋深增大時(shí)極限載荷也隨之增大；裂隙角度為30°時(shí)，極限載荷增大幅度較?。涣严督嵌葹?0°時(shí)，極限載荷增大幅度較大(圖10b)。

a—和極限載荷；b—隨埋深的變化圖10 圍壓和軸壓作用下開裂角

(2)隨裂隙角度的變化：圍壓和軸壓作用下開裂角和極限載荷隨裂隙角度的變化試驗(yàn)如圖11所示。由圖可見，在不同埋深下開裂角隨裂隙角度的變化趨勢一致，均隨著裂隙角度的增大而減小(圖11a)。在不同埋深下，極限載荷隨裂隙角度的變化趨勢一致，在裂隙角度為30°時(shí)，極限載荷最??；隨著裂隙角度的增大，極限載荷大幅增大(圖11b)。

3 結(jié)論

該文主要以理論分析和試驗(yàn)結(jié)果為指導(dǎo)，通過數(shù)值模擬的方法，進(jìn)行了內(nèi)含裂隙恐龍化石試件數(shù)值壓縮試驗(yàn)，研究了圍壓與軸壓對(duì)內(nèi)含裂隙恐龍化石試件受力狀態(tài)影響效果。

(1)不同埋深時(shí)裂隙角度對(duì)化石應(yīng)力分布的影響程度有所不同。埋深對(duì)裂隙角度為75°時(shí)影響最大，對(duì)裂隙角度為15°時(shí)影響最小。不同埋深時(shí)圍壓對(duì)含有不同角度裂隙化石應(yīng)力影響較大，隨著埋深增加，含有裂隙化石的應(yīng)力大幅增大。在相同埋深土壓力作用下，含有裂隙角度為75°的化石的應(yīng)力最大，含有裂隙角度為45°的化石的應(yīng)力次之，含有裂隙角度為15°的化石的應(yīng)力最小。

(2)圍壓與軸壓共同作用時(shí)，在不同埋深下，隨著圍壓的增大，裂隙兩端存在應(yīng)力集中，并隨著軸壓的增大，高應(yīng)力區(qū)在裂隙兩端朝上下兩個(gè)方向擴(kuò)展。化石的峰值強(qiáng)度不斷增大，并且相應(yīng)的初始強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度也隨之增大，這是因?yàn)閭?cè)向壓力阻止了化石內(nèi)部微裂隙的擴(kuò)展，從而增大了化石的峰值應(yīng)力，延緩了化石的破壞。因此化石被挖掘出來后圍壓減小，其強(qiáng)度也隨之減小?；裆钤酱?，化石強(qiáng)度變化幅度也越大。

(3)對(duì)圍壓和軸壓共同作用下開裂角和極限載荷隨埋深的變化結(jié)果分析表明，埋深對(duì)開裂角的影響較小，埋深增大時(shí)極限載荷也隨之增大。裂隙角度為30°時(shí)，極限載荷增大幅度較小；裂隙角度為60°時(shí)，極限載荷增大幅度較大。對(duì)圍壓和軸壓作用下開裂角和極限載荷隨裂隙角度的變化結(jié)果分析表明，在不同埋深下開裂角隨裂隙角度的變化趨勢一致，均隨著裂隙角度的增大而減小。在不同埋深下極限載荷隨裂隙角度的變化趨勢一致，在裂隙角度為30°時(shí)，極限載荷最?。浑S著裂隙角度的增大，極限載荷大幅增大。