岩石是自然界中具有一定结构和构造的矿物集合体，通常含有多种物理力学性质和几何形貌各异的矿物，同时其内部发育有大量的孔隙、缺陷、微裂纹等，形成极不均匀的微观结构。在风化作用下，地表或者接近地表的岩石与大气、水及生物接触过程中产生物理、化学变化而最终在原地形成松散堆积物。岩石风化作用是地球物质循环的重要途经，是驱动地貌演化最重要的地质营力之一，对全球碳循环与气候变化具有显著影响。研究表明，岩石的微观结构特征控制着岩石的宏观变形、破坏等力学性质。在风化作用下，岩石矿物间的接触界面会逐渐松动、张开直至被风化产物填充，同时矿物颗粒内部会逐渐产生裂缝而破碎，这种微观结构的劣化会导致岩石的完整性、力学参数等显著降低，从而为滑坡、崩塌、泥石流等的孕育、形成提供有利条件。
大量实验表明，随着风化程度的增加，岩石的应力-应变响应由近似线性向非线性转变，同时其模量和强度参数逐渐降低，定量刻画该力学过程是当前岩石力学和工程地质领域的前沿热点和难点问题。然而，当前的主流模型仅能刻画新鲜岩石微观结构特征对其宏观力学性质的影响，不能考虑风化作用的影响。因此，需要建立风化作用下岩石的微观结构劣化—力学参数弱化定量刻画模型。
中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室黄晓林副研究员、祁生文研究员等人，基于离散元方法提出了一种先进的非线性粘结颗粒模型（Grain-based model）（AGBM）来定量刻画不同风化程度结晶岩的力学行为。以加拿大LdB花岗岩（微风化）、大渡河双江口（SJK）花岗岩（中风化）、理塘毛垭坝（MYB）花岗岩（强风化）三种不同风化程度的花岗岩作为研究对象，根据实际矿物组成、颗粒尺寸分布等，利用Voronoi算法生成凸多边形颗粒集合体并赋以颗粒不同的物理力学性质，以模拟花岗岩的矿物颗粒组构（如图1）。AGBM将风化作用下岩石微观结构的劣化处理为矿物颗粒间接触的松动，即接触刚度和强度参数的降低，压缩方向用硬化变形模型刻画，拉伸和剪切方向用线弹性变形模型刻画（如图2）。
图1 三种不同风化程度花岗岩的AGBM。（a）微风化LdB花岗岩；（b）中风化SJK花岗岩；（c）强风化MYB花岗岩
图2 不同风化程度结晶岩矿物接触本构和强度模型。（a）拉伸和压缩情况；（b）剪切情况
如图3，对三种不同风化程度花岗岩的单轴压缩实验结构进行模拟，发现微风化的LdB花岗岩矿物颗粒接触界面比较紧密且风化裂隙较少，单轴压缩应力-轴向应变曲线呈现近似线性特征，常规的线性模型和AGBM均能得到与试验结果相匹配的结果（如图3a）；中风化的SJK花岗岩中部分矿物颗粒接触界面发生松动，风化裂隙增多，单轴压缩应力-轴向变形曲线呈现非线性特征，变形模量以及峰值应力等应力阈值较微风化LdB花岗岩降低，常规的线性模型预测结果显著偏离试验结果，而AGBM的预测结果与试验结果非常吻合（如图3b）；强风化的MYB花岗岩中较多的矿物颗粒接触界面发生松动甚至填充，风化裂隙明显增多，单轴压缩应力-轴向变形曲线呈现明显的非线性特征，变形模量、峰值应力等应力阈值与LdB花岗岩、SJK花岗岩相比显著降低，常规的线性模型预测结果与试验结果相差较大，而AGBM的预测结果与试验结果非常吻合（如图3c）。由以上结果可以看出，传统的纯线性接触模型仅适用于新鲜或微风化岩石，具有明显的局限性，而提出的AGBM适用于不同风化程度岩石的微观结构对其宏观力学行为影响的定量刻画，具有显著的优势。
图3 三种不同风化程度花岗岩单轴压缩应力-应变响应的预测结果，左侧为AGBM的预测结果，右侧为传统线弹性模型预测结果。（a）微风化LdB花岗岩；（b）中风化SJK花岗岩；（c）强风化MYB花岗岩
同时，研究发现岩石中矿物颗粒接触压缩硬化变形显著影响其裂纹闭合、裂纹起裂、裂纹稳定扩展和裂纹不稳定扩展的应力阈值，且这种效应随着风化程度的增加而越趋明显。通过深入分析发现风化作用下岩石力学特性弱化主要是由于颗粒接触变形刚度的弱化引起的，而颗粒接触强度的弱化只是次要原因。从微风化状态到强风化状态，颗粒间接触强度参数降低一个数量级（如图4a），而刚度参数降低两个数量级（如图4c）。
图4 花岗岩内部矿物颗粒接触参数量值随风化程度的变化。（a）强度参数；（b）最大容许压缩变形；（c）接触刚度参数
研究成果发表于Engineering Geology（黄晓林*, 祁生文*, 郑博文, 梁宁, 李丽慧, 薛雷, 郭松峰等. An advanced grain-based model to characterize mechanical behaviors of crystalline rocks with different weathering degrees[J]. Engineering Geology, 2021, 280: 105951. DOI: 10.1016/j.enggeo.2020.105951.）。成果受科技部第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0904）、国家杰出青年科学基金（41825018）等项目资助。
