基于水岩相互作用的岩石力学性能研究

刘小强，周世良，尚明芳，李 怡

(重庆交通大学河海学院，重庆400074)

库岸边坡受水库调节及降雨等因素影响，地下水位不定期变动使得库岸岩土体长期处于饱和-风干的交替状态，这种水岩相互作用的周期性循环对岩石物理力学性能将产生一定影响，从而加剧岩石风化，直接威胁库岸及码头结构的安全。笔者结合实际工程，开展水岩相互作用下岩石力学性能分析，为库岸边坡与码头结构在库水位周期性涨落下的时变稳定性分析奠定基础。

库岸边坡在库水位周期性循环时产生水岩相互作用，这一过程可理解为水与岩土介质之间物理、化学及力学作用的一种复合，其作用规律包括膨胀性、崩解性、冲蚀效应、长期渗压水作用的演变趋势和稳定性［1－2］。水岩物理作用作为其中重要组成部分，其研究进展主要包括软化、冻融及干湿过程［3］。在现有的研究中，刘新荣，等［1，4］以三峡库区边坡岩体中的砂岩为代表，对水岩相互作用下岩石的抗剪强度劣化规律进行了试验研究，得到黏聚力和内摩擦角分别服从对数和指数的衰减规律。周翠英，等［5］通过试验探讨了华南地区软岩在饱水状态下的力学性质，以指数形式定量表征软岩饱水后的抗压、抗拉及抗剪强度的变化特点。李鹏，等［6］分析了水化学作用对砂岩抗剪强度的影响规律，认为砂岩黏聚力和内摩擦角随水化学损伤度的增大而递减，且分别符合指数函数和线性函数关系。康红普［7］首次运用损伤力学理论分析水对岩石强度和变形的影响，得到了岩石单轴抗压强度、弹性模量与含水率之间的线性关系。然而，在现有水岩相互作用的试验研究中，地质时代、地理环境、矿物组成以及研究方法等因素均对岩石的力学性能有着较大影响。上述文献的试验及理论研究虽得到一些有益结论，但均缺乏足够的工程通用性，且大都集中于室内的试验研究，未对岩石与岩体之间的变化规律进行有效的转化。

文献［8－9］从理论上探讨了水岩相互作用机理，分析了岩石饱水后产生软化的原因。但周翠英，等［10］认为水岩相互作用理论研究缺乏明确的工程应用目标，理论模型和实际问题存在较大的偏差。因此，现有方法中，这种岩石性质与环境条件的依存性也多从现象学角度、经验以及统计分析途径来估计。

为定量分析富宁港区库岸边坡及其上部码头结构在周期性蓄排水时的稳定性，笔者结合实际工程，以港区广为分布的泥岩及砂岩为试样代表，重点研究了岩石在水岩物理作用下力学性能的变化规律。经过工程转换得到相应的岩体力学参数变化特点，将相关参数应用于港区通用泊位的架空斜坡码头性能分析中，得到了库岸边坡与码头结构在水岩相互作用下性能的变化特点，为架空斜坡码头时变稳定性分析及其它地质灾害预测等提供理论依据。

1 工程地质特点

富宁港位于云南省东南部文山壮族苗族自治州，地处云贵高原向桂东溶原过渡的斜坡地带。工程区覆盖第4系残坡积黏土，下卧基岩为三叠系中统百蓬组第3及第4段泥岩、砂岩地层。黏土层总体分布厚度较小，局部泥岩、砂岩外露。港区地下水类型可分为孔隙水和基岩裂隙水两大类，孔隙水主要赋存于残坡积黏土，裂隙水主要赋存于泥岩及砂岩的节理裂隙中［11］。在广西百色水利枢纽蓄水后，库区岩土体受库水位周期性涨落和高水位长期浸泡以及地表水、地下水、降雨等因素影响，库区地下水位将呈现出不定期的变动，岩体力学性能将产生不同程度的劣化，易造成库岸边坡的失稳破坏及其相关的地质灾害。

2 岩石力学试验

2.1 岩石力学试验设计及方法

本试验主要研究岩石在水岩相互作用下物理力学特性的变化特点。现场采集岩石试样，泥岩为紫红色，泥质结构，主要矿物成分为长石、云母;砂岩为灰白色，粉砂状结构，主要成分为石英及长石。试样制作成φ50×100标准圆柱体，共分7组，每组5块试样。对7 组试样分别进行 0，1，2，3，4，10，15 次“饱和－风干”的干湿循环作用，以模拟库水位升降下的水岩物理相互作用。

岩石试样饱水试验采用自由浸水法［12］，即将试样置于水槽，分4次注水直至试样浸没，每次注水间隔时间为2 h。待试样在水中自由浸泡48 h后取出并置于烘箱内，在105℃恒温下烘干后冷却至室温并称重，重复烘干试验步骤，直至试样至恒重(称量精确至0.01 g)。试验过程中，将符合要求的岩石试样通过RMT－150C电液伺服试验机进行常规三轴压缩试验。首先对每组的岩石试样加围压至预定值(5，10，15，20，25 MPa)，然后对不同围压下的岩石试样以0.005 mm/s的恒定速率进行等围压压缩直至破坏，从而得到每块试样的大、小主应力σ1及σ3。综合5组数据通过Mohr-Columb原理计算出岩石试样的黏聚力c和内摩擦角φ，同时根据岩石应力与应变关系得到其弹性模量E。试验结果由试验控制系统自动记录，如表1。

表1 岩石试样力学试验数据Table 1 The mechanics test datum of rock samples

2.2 岩石力学实验结果分析

从表1可以看出，岩石黏聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E随着水岩相互作用次数(浸水次数)N的增加而减少。通过回归分析，对岩石的力学性能参数进行拟合。对于回归方程的基本形式，文献［1，13－14］提出不同的回归模型。笔者结合现场勘测及实际工程特点，根据实测数据散点图分布特征，采用以下回归方程。

对黏聚力c采用式(1)形式进行拟合:

对于内摩擦角φ及弹性模量E采用式(2)形式进行拟合:

式(1)、式(2)中:a，m，n为回归系数，通过回归分析确定;c0为黏聚力初始值;Xi0表示内摩擦角φ或弹性模量E的初始值φ0或E0;N为水岩相互作用次数。

通过回归拟合后，各回归系数列于表2。

表2 方程回归系数Table 2 The equation regression coefficients

利用表2建立泥岩及砂岩的黏聚力、内摩擦角及弹性模量对应的回归方程。通过对比分析得到如下规律:随着水岩相互作用次数的增大(N→∞)，岩石黏聚力c衰减为0;泥岩及砂岩内摩擦角φ变化趋势基本相同，均表现水岩相互作用前期劣化明显，后期劣化缓慢，最终趋近于确定值，分别为19.5°和26.4°;泥岩及砂岩弹性模量E变化趋势差异明显，其中泥岩弹性模量首先呈现骤降状态，然后渐趋平稳，而砂岩弹性模量劣化则相对平缓，但二者最终呈现出对应的长期弹性模量值，分别为2.179 GPa和10.195 GPa。

3 基于损伤变量的岩石劣化

由于岩石内部含有众多微裂隙，水对岩石的物理、化学作用造成了岩石内部损伤，从而使岩石力学性能产生劣化。对于岩石材料，一般用连续介质损伤力学方法进行研究，可采用弹性模量定义岩石遇水后的损伤变量 D［7，13，15］，如式(3):

式中:D(N)表示水岩相互作用N次后岩石的损伤变量;E(N)表示水岩相互作用N次后岩石的弹性模量;E0表示岩石初始的弹性模量，即天然状态下岩石的弹性模量。

将式(2)代入式(3)，得到基于水岩相互作用的岩石损伤变量回归方程，如式(4):

从式(4)可以看出，岩石的损伤变量与其弹性模量E的回归系数a，m及N相关。

通过试验实测值计算得到岩石的损伤变量与式(4)的回归值，如图1。

图1 岩石损伤变量变化曲线Fig.1 The changing curves of rock damage variable

由图1可以看出:泥岩及砂岩损伤变量在水岩相互作用前期变化明显，说明岩石在水循环作用下，物理损伤效应较显著;水岩相互作用后期，岩石损伤变量变化趋于平缓，并最终趋于定值，说明此时水循环作用对岩石的损伤幅度相对变小。对比泥岩及砂岩损伤变量的变化趋势，可见水岩相互作用对泥岩损伤程度显著大于砂岩，长期损伤变量分别为0.767和0.373，也即泥岩与砂岩弹性模量拟合曲线中的回归系数a。岩石损伤变量的变化趋势表征着岩石总体力学性能的劣化特点。根据图1可得到泥岩总体力学性能劣化趋势呈骤降型，而砂岩总体力学性能劣化趋势则呈缓降型。

4 工程应用

富宁港一期工程通用泊位架空斜坡码头地质坡面如图2。该岸坡高约40 m，原始自然坡度约为20°，岸坡表层覆盖少量残坡积黏土，下卧强风化泥岩及中风化砂岩。斜坡道接岸结构采用C20混凝土挡墙，轨道梁、连系梁，墩台以及钻孔灌注桩均为C30钢筋混凝土。

图2 架空斜坡码头典型断面Fig.2 The typical cross-section of overhead sloping type wharf

4.1 岩体力学参数的确定

在工程设计中，岩体的抗剪强度参数需依据岩石试验结果进行综合分析和经验判断来确定［16］。笔者采用经典的Hoek-Brown强度准则估算岩体强度，其中与岩体质量相关的材料参数mb，s，ab如式(5)、式(6)、式(7):

式中:GSI为地质强度指标;mi为岩石的材料常数;D'为岩质边坡扰动系数。

在该准则下基于Mohr-Coulomb准则的岩体抗剪强度参数如式(8)、式(9)。

式中:σ3n=σ3max/σc(σc为岩石单轴抗压强度)。

在边坡工程中，侧限应力的上限值σ3max可由式(10)确定:

式中:γ为节理岩体的容重;H为边坡高度;σcm为节理岩体的整体强度，可由等效的Mohr-Coulomb强度参数确定，如式(11)。

以上各式中:GSI，mi，D'及σc为基本变量，可通过查表及计算得到。最终得到岩体抗剪强度参数［16］。

对于边坡工程，考虑岩体损伤，其弹性模量Em可按公式(12)进行估算:

式(12)适用于σc≤100 MPa的岩石。岩体的泊松比可按式(13)计算［17］:

根据文献［16］，结合实际工程特点，查表得到基本变量GSI，mi，D'的取值，运用Hoek-Brown强度准则的计算公式，得到岩体强度及变形参数在不同水岩相互作用次数下的估计值，结果如表3。

表3 基于Hoek-Brown强度准则的岩体参数值Table 3 The rock mass parameters based on Hoek-Brown strength criterion

4.2 有限元计算

桩与岩体之间的相互接触变形属于边界条件非线性，通常可通过ANSYS软件，采用与Mohr-Columb准则相匹配的Drucker-Prager准则作为岩土体材料的屈服准则［18－19］。在计算中采用非关联流动法则，即认为膨胀角为0。为简化计算，文中算例采用平面应变的力学模型。其中挡墙、泥岩及砂岩等均采用PLANE82单元，钻孔灌注桩采用BEAM3单元。计算过程中，可忽略码头框架部分钢筋混凝土墩台上部的空腔作用，即将上部结构考虑成实心整体［20］。由于混凝土弹性模量远大于岩体的弹性模量，故在计算中混凝土采用线弹性模型，而岩体采用弹塑性模型。考虑水岩相互作用下岩体强度参数及变形参数的劣化，依据图2选取设计低水位为计算模型，计算工况仅考虑结构自重及堆场荷载。另外，由于斜坡上覆盖的土层厚度较小，在计算分析中按照强风化泥岩考虑。依据文献［21］，堆场荷载取为60 kPa。在不考虑库岸边坡虑渗流、码头结构的缆车荷载、人行荷载以及降雨等因素影响下，分别计算水岩相互作用 0，10，20，30，40，50 次后该架空斜坡码头的各项参数指标。限于篇幅，此处仅给出N=0时，岸坡与码头结构变形特点，结果如图3。

图3 码头变形特点(N=0)Fig.3 The wharf deformation characteristics(N=0)

4.3 计算结果分析

图3中，由于水岩相互作用造成岸坡岩土体力学性能的劣化，从而影响岸坡及码头上部结构的变形。一定蓄水周期后，斜坡道接岸挡墙将产生基础外倾的整体性滑移。挡墙底部变化特点如图4。

图4 挡墙底部水平位移Fig.4 The horizontal displacement of the bottom of retaining wall

在未经历蓄水影响下挡墙底部外倾程度较小，随着库区蓄水次数的增加，挡墙外侧底部的覆盖泥岩层力学性能劣化明显，挡墙底部水平位移值δ呈非线性增大趋势，且前20次变化显著，后30次变化相对缓慢。这一变化过程主要受控于泥岩变形及强度参数的劣化趋势。因此，在一定蓄水周期后，应加强挡墙底部位移的监测，并适时对挡墙外侧覆盖的岩土体进行相应加固处理以维护码头接岸结构的安全。

由于砂岩力学性能均优于泥岩，且在水岩相互作用下砂岩力学性能劣化损伤速率较泥岩缓慢，斜坡岩体在周期性蓄水影响下，存在沿“泥岩－砂岩”交界面滑动的趋势。这一滑动趋势使得岸坡与的码头结构之间产生相互影响。随着蓄水次数的增加，主要表现为岸坡稳定安全系数，桩及梁的水平位移，弯矩，剪力等性能的变化。笔者仅对不同水岩相互作用次数下，码头上部结构轨道梁最大弯矩、剪力及桩的最大水平位移进行分析。

根据图3，连续梁最大正弯矩出现在第1及第5跨跨中位置，最大负弯矩出现在第1跨与第2跨连接的支座处以及第4跨与第5跨连接的支座处。各梁上最大负弯矩出现位置同时出现最大剪力，桩身弯矩及剪力变化特点则由第1排桩(靠近岸侧)～第5排桩呈现逐渐增大趋势。

根据图5，轨道梁最大正弯矩及最大负弯矩均随着水岩相互作用次数的增加而近似成线性增加。当N=50时，正负最大弯矩分别增加44.4 kN·m和34.3 kN·m。

图5 轨道梁弯矩变化Fig.5 The changing of girder bending moment

由于本例中未考虑岩体渗流及钢筋混凝土材料性能的劣化，且桩嵌入中风化砂岩中，码头结构及岸坡所受到的垂直影响相对较小，则梁截面的剪力变化也相对较小。随着N的增大，剪力Q变化较小，变化范围在2 kN以内，其变化特点如图6。

图6 轨道梁剪力变化Fig.6 The changing of girder shear

图7表明第5排桩桩顶的水平位移值δx随着N的增大而增大，且前期变化明显，后期变化缓慢。

图7 第5排桩顶水平位移值Fig.7 The horizontal displacement of pile top on the 5th row

综合图3及图7，架空码头第5排桩承受较大弯矩，且桩顶产生的水平位移值变化明显，实际工程中应充分考虑水库周期性蓄水对该排桩基产生的时效性影响，适当加大桩的截面尺寸以增大抗弯能力，减少水平位移。

5 结论

结合工程实例，从宏观上对岩石物理力学性能进行统计分析，并将分析结果转换后应用于实际工程，得到如下结论:

1)结合实测数据，根据工程特点，在该领域相关研究基础上经回归分析，构建岩石试样黏聚力，内摩擦角，弹性模量及损伤变量在水岩相互作用下的非线性回归方程。笔者建立的回归方程既符合实际工程地质条件下岩石试样力学强度参数变化的基本特点，同时与相关学者所得结论相比又具有一般性，即:水对岩石力学性能的物理损伤效应在不同阶段表现出的特点;水岩相互作用前期，岩石力学性能劣化显著，后期则趋于稳定，且泥岩劣化损伤呈骤降型，砂岩劣化损伤呈缓降型。

2)基于试验结果，结合Hoek-Brown经验准则，考虑岩体的风化、节理的发育等影响因素，将水岩作用下岩石力学性能参数转换为岩体综合强度参数，间接得到了岩体在库水位周期性涨落下各参数变化的特点。

3)结合工程实际，采用有限单元法计算分析了富宁港通用泊位处架空斜坡码头在不同水岩相互作用次数下的性能变化特点。得到了斜坡道接岸挡墙的潜在失稳滑移特点以及架空轨道梁弯矩及剪力、桩基顶部水平位移等各项指标的演变规律。

4)笔者仅从室内试验出发，从宏观上构建了岩石力学性能参数劣化模型。该模型的建立仅考虑水与岩石的物理相互作用，未考虑水岩化学效应、试样的尺寸效应以及其他不确定性因素影响。在实际工程中，可结合参数的空间变异性，库水位的变化规律，在本文基础上构建更为精确的模型，为实际工程的时变可靠性分析提供一定理论依据，同时为二期工程建设中库岸边坡的失稳时间预测以及岸坡与码头结构整体稳定性变化特点提供应用参考。

［1］傅晏，刘新荣，张永兴.水岩相互作用对砂岩单轴强度的影响研究［J］.水文地质工程地质，2009(6):54 －57.Fu Yan，Liu Xinrong，Zhang Yongxing.Study on the influence of water-rock interaction to the strength of sandstone［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2009(6):54－57.

［2］刘特洪，林天健.软岩工程设计理论与施工实践［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［3］周平根.地下水与岩土介质相互作用的工程地质力学研究［J］.地学前缘，1996，3(1/2):176.Zhou Pinggen.The study of mechanics in engineering geology based on the interaction between groundwater and geotechnical media［J］.Earth Science Frontiers，1996，3(1/2):176.

［4］刘新荣，傅晏，王永新.(库)水－岩作用下砂岩抗剪强度劣化规律的试验研究［J］.岩土工程学报，2008，30(9):1298－1302.Liu Xinrong，Fu Yan，Wang Yongxin.Deterioration rules of shear strength of sand rock under water-rock interaction of reservoir［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(9):1298 －1302.

［5］周翠英，邓毅梅，谭祥韶.饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用［J］.岩石力学与工程学报，2005，4(1):33 －38.Zhou Cuiying，Deng Yimei，Tan Xiangshao.Experimental research on the softening of mechanical properties of saturated soft rocks and application［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，4(1):33－38.

［6］李鹏，刘建，李国和.水化学作用对砂岩抗剪强度特性影响效应研究［J］.岩土力学，2011，32(2):380－386.Li Peng，Liu Jian，Li Guohe.Experimental study for shear strength characteristics of sandstone under water-rock interaction effects［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(2):380 －386.

［7］康红普.水对岩石的损伤［J］.水文地质工程地质，1999，3:39－41.Kang Hongpu.Rock damage from water effect［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，1999，3:39－41.

［8］Heggheim T，Madland M V，Risnes R，et al.A chemical induced enhanced weakening of chalk by seawater［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2005，46(3):171－184.

［9］Risnes R，Haghighi H，Korsnes R I，et al.Chalk-fluid interactions with glycol and brines［J］.Tectonophysics，2003，370(4):2l3－226.

［10］周翠英，彭泽英，尚伟.论岩土工程中水岩相互作用研究的焦点问题:特殊软岩的力学变异性［J］.岩土力学，2002，23(1):124－128.Zhou Cuiying，Peng Zeying，Shang Wei.On the key problem of the water-rock interaction in geo-engineering:variability of special weak rocks and some development trends［J］.Rock and Soil Mechanics，2002，23(1):124 －128.

［11］四川省交通厅交通勘察设计研究院.云南富宁港建设一期工程地质勘察报告［R］.成都:四川省交通厅交通勘察设计研究院，2008.

［12］GB/T 50266—1999工程岩体试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，1999.

［13］许宏发，陈力新.岩石实效特性与节理模型［M］.上海:上海交通大学出版社，2009.

［14］陈昌富，秦海军.考虑强度参数时间和空间效应边坡稳定性分析［J］.湖南大学学报:自然科学版，2009，36(10):1 －6.Chen Changfu，Qin Haijun.Stability analysis of slopes considering the time and depth effect of strength parameters［J］.Journal of Hunan University:Natural Science，2009，36(10):1－6.

［15］刘红岩，王根旺，陈福刚.以损伤变量为特征的岩石损伤理论研究进展［J］.爆破，2004，21(1):9 －12.Liu Hongyan，Wang Genwang，Chen Fugang.Research development of rock damage theory characterized by damage variables［J］.Blasting，2004，21(1):9－12.

［16］陈祖煜，汪小刚，杨健，等.岩质边坡稳定性分析［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［17］汤大明，曾纪全，胡应德，等.关于泊松比的试验和取值讨论［J］.岩石力学与工程学报，2011，20(增刊1):1772 －1775.Tang Daming，Zeng Jiquan，Hu Yingde，et al.Discussion on testing and interpretation for Poisson’s ratio［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，20(supp1):1772 －1775.

［18］熊欢，肖盛燮.基于Drucker-Prager系列准则的边坡安全系数计算方法［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2010，29(4):582－586.Xiong Huan，Xiao Shengxie.Calculation method of slope stability safety factor based on the Drucker-Prager criterion［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(4):582－586.

［19］许锡宾，周亮，刘涛.大直径嵌岩桩单桩承载性能的有限元分析［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2010，29(6):942－946.Xu Xibin，Zhou Liang，Liu Tao.Finite element analysis of loadbearing properties of large diameter rock-socketed single pile［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(6):942－946.

［20］刘春华，汪承志，王多垠.三峡蓄水对内河大水位差架空斜坡道码头的影响研究［J］.交通科技，2009(2):98－100.Liu Chunhua，Wang Chengzhi，Wang Duoyin.Study on the impact of overhead-erection ramp wharf after the impounding water of the Three Gorges Reservoir［J］.Transportation Science ＆ Technology，2009(2):98－100.

［21］JTJ 215—98港口工程荷载规范［S］.北京:人民交通出版社，2010.