水岩作用对岩石剪切行为影响的研究现状

摘 要：岩土工程结构在水-岩相互作用下的安全性和稳定性日益成为人们关注的重要问题。水对岩石强度和其他物理性质的影响对于理解本质上的变形、破坏等进程很重要。水岩作用下岩土工程的安全性和稳定性日益成为人们关注的焦点。

关键词：水岩作用;剪切特性;机理分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.192

1 水环境影响下岩石力学性能试验研究

在隧道、采矿和开挖等实际工程中，岩石变形和破坏通常涉及到水。仅水的存在就可能使砂岩的极限强度降低33%。水的存在导致破坏应力的应变速率敏感性增大，围压越高，破坏应力的应变速率敏感性越大;在较低围压范围内，湿试块中应变速率对破坏强度的影响比干试块更明显，因为水和硅酸盐反应破坏了硅-氧键，流体对硅酸盐岩石的物理性质产生意义深远的化学影响应变速率的减小增加这一影响并导致强度的减小。应力腐蚀机制辅助下的亚临界裂纹扩展可能对这种随时间变化的岩石强度起重要作用[1]。

Erguler和Ulusay研究了含水量对岩石力学参数的影响，发现随着含水量的增加，岩石的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度都有所降低。相似地，Yao HY通过对红砂岩进行干湿交替环境下的单、三轴试验进行研究。研究表明，相对于没有经过干湿交替作用的干燥试件，经过不同次数的干燥-饱水交替作用后，砂岩的弹性模量、单轴抗压强度参数数值均有所减小[2]。E. Z. LAJTAI等人通过多种实验技术：抗压强度和断裂韧性的短期标准试验，臂长试验，测量蠕变、静态疲劳和缓慢裂纹速度的时间依赖性试验。测试环境中的水分会导致更大的变形和裂纹扩展，从而降低最终（长期）强度[3]。

2 岩石化学成分机理分析研究

考虑到水对岩石的作用是一种复杂的应力腐蚀过程，水对岩石产生物理力学作用之外，还有化学作用，因而学者们开展了一系列考虑水岩化损伤作用的试验研究。结果表明，砂岩的抗滑摩性主要受孔隙流体离子强度的控制，其次受pH值的控制相同离子浓度的化学溶液的效果取决于其酸碱度（pH值）[4]。随着H+浓度的升高和腐蚀时间的延长，化学反应的作用越来越广泛，使得岩石试样更加柔软、韧性更强[3]。在裂纹扩展方面，湿岩体的断裂韧性低于干燥条件下的断裂韧性，且在潮湿条件下，裂解速度更快。导致变质的物质的化学反应会增加应力腐蚀[5]。热、应力或化学环境的良性变化可能会对运输特性产生深远的影响某些矿物的自由面型溶蚀作用，通过加深裂缝壁上已有的通道，使裂缝的渗透性增加一个数量级，使其流体力学行为发生变化[6]。

另一方面，岩石的组成对水的危害作用有显著的影响。对水越敏感的成分，如粘土和淤泥，水的变质作用就越大。如果岩石中含有一定数量的粘土或泥沙，饱和不仅会改变岩石的粘结力，而且还会改变岩石的基本摩擦角[5]。另一项研究也发现，岩石在水溶液中活化开裂的表现形式和程度取决于岩石的微观结构、矿物组成以及溶液的化学性质。

3 干湿循环对岩石力学性能影响的研究

近年来，许多研究者采用单轴、三轴试验对水岩作用对岩石物理力学特性的影响进行试验，并取得了较为丰富的成果。结果表明，岩石材料经循环干燥湿润后，其物理力学性能均有不同程度的恶化。一些学者研究了循环湿润干燥对岩石断裂韧性和裂纹扩展的影响。结果表明，循环润湿干燥对砂岩由脆性破坏向韧性破坏转变的破坏特征有明显的影响[7]。循环湿润干燥对裂缝扩展半径有影响，随着湿润干燥循环次数的增加，裂缝扩展半径逐渐减小[8]。

另一方面，岩石的组成对水的变质作用有重要的影响。它所含的粘土和淤泥等对水敏感的成分越多，水的变质作用就越大。它所含的粘土和淤泥等对水敏感的成分越多，水的变质作用就越大。对于以石英和长石为主的完整岩石，其水效应仅反映在粘结强度的降低上。基本摩擦角几乎不受影响。当岩石中含有一定量的粘土或淤泥时，饱和不仅会改变岩石的粘结强度，而且还会改变岩石的基本摩擦角。另一项研究中也指出，岩石在水溶液中活化开裂的表现形式和程度取决于岩石的微观结构、矿物组成以及溶液的化学性质[8]。

4 展望

综上所述，现有的有关于水岩作用的影响主要考虑的是其对岩石的与抗压强度与弹性模量等方面的影响，但是水岩作用对岩体剪切特性所产生的影响到目前为止进行的研究十分少见。岩石材料的剪切特性基本参数是岩石分类、岩石结构设计和岩石相关问题分析中的一个重要力学参数，具有一定的工程意义。因此，开展水-岩相互作用对岩体剪切特性的影响效应研究，对受水岩相互作用影响的岩体工程的稳定性分析和预测具有重要的理论意义与应用价值。

参考文献：

[1]Lockner，D.A.，（1995）.Rock failure.In：Ahrens，T.J.（Ed.） [J].Rock Physics & Phase Relations：A Handbook of Physical Constants，127-147.

[2]Erguler，Z.A.，& Ulusay，R..（2009）.Water-induced variations in mechanical properties of clay-bearing rocks[J].International

Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 46（02），355-370.

[3]Lajtai，E.Z.，Schmidtke，R.H.，& Bielus，L.P..（1987）.The effect of water on the time-dependent deformation and fracture of a granite[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts， 24（04），247-255.

[4]Feng，X.T.，Chen，S.，& Li，S..（2001）.Effects of water chemistry on microcracking and compressive strength of granite[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，38（04），557-568.

[5]鄧华锋，李建林，孙旭曙，朱敏，原先凡，罗骞.水作用下砂岩断裂力学效应试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31（07）：1342-1348.

[6]Flamand R.（2000）.Validation of a model of mechanical behavior for rock fractures in shear.Ph.D.thesis，University of Quebec，Chicoutimi （in French）.

[7]姚华彦，张振华，朱朝辉，施一春，李元.干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究[J].岩土力学，2010，31（12）：3704-3708.

[8]邓华锋，原先凡，李建林，罗骞，何明.浸泡作用下砂岩断裂力学特性及劣化机理[J].地球科学，2014，39（01）：108-114.

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