[发明专利]强风化水库岸坡消落带泥岩开裂行为分子模拟研究方法

说明书

本发明适用于岸坡防护技术领域，尤其涉及强风化水库岸坡消落带泥岩开裂行为分子模拟研究方法，所述方法包括：测定消落带处紫红色强风化泥岩的矿物组成，得到测定结果；建立泥岩裂缝微观模型；对泥岩裂缝微观模型中蒙脱石晶层表面吸附水分子进行模拟；对吸附水分子的泥岩裂缝模型进行分子动力学模拟；绘制不同水浓度下泥岩裂缝微观结构的图像并进行输出。本发明通过牛顿运动定律得到体系内所有原子任意时刻的坐标和速度，随后利用统计力学方法计算体系相关物理量和热力学性质等，能够清晰揭示强风化泥岩裂缝产生和扩展的机理，定量描述泥岩中黏土矿物与长石、石英石的相互作用，为消落带处强风化泥岩的改性以及岸坡消落带防护提供理论参考。

技术领域

本发明属于岸坡防护技术领域，尤其涉及强风化水库岸坡消落带泥岩开裂行为分子模拟研究方法。

背景技术

三峡库区岸坡广泛分布强风化紫红色泥岩，在水库运行期间，库水位常年在消落带(水位145米-175米) 间反复升降，使得强风化泥岩处于周期性“干湿”交替作用的环境中。

目前，针对强风化泥岩受“干湿”交替作用发生崩解现象的研究多集中于室内崩解实验和泥岩崩解过程进行的表征测试。结果表明，泥岩在不同岸坡应力状态下(0 MPa、0.5MPa、1.0MPa)经历饱水状态和干燥状态后，均出现表面裂缝逐渐扩展的现象，随着“干湿”交替的不断增加，裂缝宽度不断增大，同时，强风化泥岩中不均匀分布的黏土矿物遇水膨胀，也加速了裂缝的扩展，最终导致泥岩沿裂缝崩解为细小碎块。

虽然实验结果能够清晰的观察到“干湿”交替作用下强风化泥岩的崩解现象，然而泥岩在水分作用下裂缝的产生和扩展机理，如泥岩中膨胀性黏土遇水后如何膨胀，失水后如何收缩，膨胀过程中与周围矿物 (石英石、长石等) 的相互作用无法清楚表示。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供强风化水库岸坡消落带泥岩开裂行为分子模拟研究方法，旨在解决背景技术第三部分中提出的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种强风化水库岸坡消落带泥岩开裂行为分子模拟研究方法，所述方法包括：

采用X射线衍射波谱仪测定消落带处紫红色强风化泥岩的矿物组成，得到测定结果；

根据测定结果，建立包含具有膨胀特性的蒙脱石晶层和长石、石英石的主要组分二氧化硅晶体的泥岩裂缝微观模型；

对泥岩裂缝微观模型中蒙脱石晶层表面吸附水分子进行模拟；

对不同基底间距下，吸附水分子的泥岩裂缝模型进行分子动力学模拟；

绘制不同水浓度下泥岩裂缝微观结构的图像并进行输出。

优选的，采用LAMMPS软件建立泥岩裂缝微观模型。

优选的，使用LAMMPS中巨正则蒙特卡罗模拟方法对泥岩裂缝微观模型中蒙脱石晶层表面吸附水分子进行模拟。

优选的，使用LAMMPS软件进行分子动力学模拟，其中蒙脱石和二氧化硅的分子力场采用CLAYFF力场，水分子采用单点电荷SPC/E力场。

优选的，进行分子动力学模拟的步骤，具体包括：

对模型进行几何优化，在NPT系综下进行动力学模拟，温度为300 K，压强为0.1MPa，得到低能构象，存储信息于dump文件中。

优选的，采用OVITO软件读取dump文件，并绘制不同水浓度下泥岩裂缝结构，并通过密度分布、径向分布函数、吸附能变化分析水分子在蒙脱石表面的吸附行为对蒙脱石晶层和二氧化硅基底间距的影响。