水巖耦合作用下巖石摩擦滑動特性研究進展

翁余烽，徐從強，顏真光

（紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興 312000）

0 引言

巖石摩擦滑動是防災(zāi)減震工程關(guān)注的重點問題之一，大部分有記載的地震和巖質(zhì)滑坡災(zāi)害由巖層的突然滑動引起[1]，工程建設(shè)活動中也涉及大量巖石摩擦滑動問題。巖石破裂后，裂隙面作為巖體中的強度薄弱部位，易產(chǎn)生沿裂隙面的二次滑動，也是誘發(fā)巖質(zhì)滑坡、地震等地質(zhì)災(zāi)害的重要原因；此外，礦山、隧道、邊坡、堤壩等工程建設(shè)活動均受到巖石摩擦滑動影響。隨著巖石摩擦滑動研究的不斷深入，水巖耦合作用對巖石摩擦滑動性質(zhì)的影響日益引起研究者的重視。水的影響主要體現(xiàn)在對立的兩個方面[2]：一方面是水的力學作用使有效應(yīng)力降低，弱化巖石的摩擦強度；另一方面是水的物理化學作用使水與巖石之間發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，如應(yīng)力腐蝕、壓力溶解、潤滑、粘滯、巖化、膠結(jié)等。正是在水巖間力學、物理化學的綜合作用下，巖石的強度及性狀發(fā)生改變，巖石間接觸面積和接觸狀態(tài)不斷變化，從而改變裂隙開度，使摩擦強度和穩(wěn)定性發(fā)生周期性演變[3、5]。地殼中含有大量地下水，地下水主要沿著巖石裂隙面活動，斷層泥與水在斷層帶中的遷移并不只是簡單的流動運移過程，還伴隨著復(fù)雜的水巖耦合作用，統(tǒng)計資料表明[6]，水的存在改變了巖體的強度及性狀，從而影響巖石的摩擦強度及穩(wěn)定性。因此，探索水巖耦合作用下的巖石摩擦滑動性質(zhì)對于理解地震成因機制、前兆機理以及預(yù)防巖體失穩(wěn)具有重要的科學意義和實踐價值。

近年來，國內(nèi)外學者通過改變孔隙水壓力、巖石含水率、裂隙水溫和滲流狀態(tài)四種方式對水巖耦合作用下的巖石摩擦滑動特性開展研究。本文擬從水巖耦合作用下巖石裂隙面微觀結(jié)構(gòu)改造和摩擦滑動實驗分述研究進展。

1 水巖耦合作用下巖石裂隙面的微觀結(jié)構(gòu)改造

巖石的微觀結(jié)構(gòu)對水巖耦合作用十分敏感，在地殼斷層中，長期的水巖耦合作用使可溶性元素溶解，并在斷層內(nèi)重結(jié)晶形成黏土質(zhì)斷層泥。

裂隙面礦物顆粒的活動方式主要有滾動、滑動、膨脹和壓縮，滾動和壓縮狀態(tài)下抗滑力較小，滑動和膨脹狀態(tài)下則抗滑力較大。水對粗糙巖石表面微觀結(jié)構(gòu)改造作用明顯，含靜態(tài)裂隙水壓時，溶液是裂隙面形貌改造和強度改變的主要媒介，裂隙面斷層泥晶體顆粒在剪切過程中存在物理磨損和化學強化共同作用，二者為相互競爭關(guān)系。在較短的實驗時間內(nèi)，礦物顆粒的物理磨損占主導，隨著實驗時間的延長，壓力溶解對裂隙面微觀結(jié)構(gòu)改造的貢獻逐漸增大，化學效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)[7]。而化學效應(yīng)在強度愈合過程中分為顆粒間接觸強化、孔隙率降低、接觸面積增大三個階段，孔隙流體壓力隨著剪切逐漸增大，造成斷層帶微破裂或剪切破壞[8]。

同時，滲流動水條件下的巖石在晶粒接觸處存在一種不同于靜態(tài)裂隙水作用的附加機理，使得水巖耦合作用更復(fù)雜。滲流動水更易引起斷層的滑動，滑動階段裂隙開度大幅變化，滑動中孔徑和接觸面積變化是影響滲透率和流動狀態(tài)的主要因素[9-10]。對滲流實驗的單裂隙花崗巖觀察發(fā)現(xiàn)[11-12]，水巖耦合作用導致裂隙面接觸層發(fā)生化學溶解、機械破碎或壓裂，并在裂隙面微凸體顆粒處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂隙面礦物更易斷裂，但是，滲流的潤滑作用又會緩解一定的剪切斷裂破壞，減緩裂隙面的脆性破壞。同時，裂隙面形貌改造受滲流速度影響，在高滲流速度下，裂隙面礦物流動和重組現(xiàn)象更明顯[13]。對于非飽和裂隙滲流的摩擦滑動實驗，空氣的存在使Ca、Mg 等礦物元素溶解、重組的化學反應(yīng)過程更強烈[7]。此外，隨著圍巖正應(yīng)力增大，溶液中可溶性礦物含量上升[13]，滲流對裂隙面的溶解效應(yīng)隨正應(yīng)力增大而增強。在光滑裂隙面中，溶解溶蝕和重結(jié)晶沉淀過程起主要控制作用；在粗糙裂隙面中，滑塊滑動引起的相對位置重組對巖石滲透性影響更大[14]。

2 水巖耦合作用下的巖石摩擦滑動實驗研究

自黏滑被確定為淺源地震的一種可能機制后，國內(nèi)外學者開展大量巖塊（斷層泥）的摩擦滑動試驗，系統(tǒng)地研究巖塊（斷層泥）的滑動方式及穩(wěn)定性。巖石的滑動性質(zhì)受巖石礦物成分、裂隙面粗糙度和正應(yīng)力的控制，但水巖耦合作用從多種途徑對其產(chǎn)生重要影響。水對巖石裂隙面存在潤滑作用，濕潤裂隙面巖石的抗滑力低于干燥裂隙面巖石[15]。隨著滑動過程中水分減少，摩擦強度逐漸恢復(fù)；裂隙面持續(xù)含水時，抗滑力保持在相對較低位置[16]。隨著裂隙面水量增加，巖石形成孔隙水壓，導致有效正應(yīng)力減小，巖石抗滑力進一步下降。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)受水的影響，粘聚力和內(nèi)摩擦角發(fā)生改變。通常光面巖石含水率增加，抗滑力有不同程度提高。當新生斷層泥成分為強脆性礦物時，抗滑力增大；當新生斷層泥成分為弱延性礦物時，抗滑力減小[9]。隨著滲流速度的增大，一部分斷層泥隨滲流帶出，摩擦強度小幅恢復(fù)[13]。水巖耦合作用能影響巖石的力學性能，干燥光面巖石裂隙濕潤或存在孔隙水壓后使得滑動趨于穩(wěn)定[16]。對于光面含斷層泥巖體，滑動穩(wěn)定性受斷層泥性質(zhì)影響，延性斷層泥利于穩(wěn)滑，脆性斷層泥利于黏滑，滑動生成的斷層泥也具有類似特性。同時，滑動速度影響水巖耦合作用的效果，在較低滑速區(qū)、中滑速區(qū)和高滑速區(qū)表現(xiàn)的作用效果不同。

3 結(jié)論與展望

巖石的摩擦滑動性質(zhì)主要受礦物成分、正壓力大小、滑動面粗糙度等因素的控制，但水巖耦合作用通過潤滑、軟化、膠結(jié)強化、離子交換和水溶水解等方式產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。水對巖石摩擦滑動的作用是多種復(fù)雜作用耦合的效果，是強化與弱化相互競爭的結(jié)果，不同狀態(tài)的水也有著不同的效應(yīng)。

裂隙面水分增加或形成孔隙水壓導致巖石抗滑力下降，滑動趨于穩(wěn)定，水對裂隙面的潤滑作用明顯。巖石含水率增大或受到滲流作用時，水分侵入巖石內(nèi)部降低結(jié)構(gòu)強度，更易產(chǎn)生斷層泥。

水巖耦合作用改造巖石裂隙面形貌，影響滲透率變化。光滑裂隙面受礦物溶蝕和沉淀控制；粗糙裂隙面受到滑塊滑動引起的相對位置重組的控制。

地殼斷層中的水巖耦合作用復(fù)雜多變，當前研究主要局限于少因素的分析，對于含水率、孔隙水壓、滲流、水溫，滑動速度等多因素的耦合作用有待進一步研究。