水岩耦合作用下岩石摩擦滑动特性研究进展

翁余烽，徐从强，颜真光

（绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000）

0 引言

岩石摩擦滑动是防灾减震工程关注的重点问题之一，大部分有记载的地震和岩质滑坡灾害由岩层的突然滑动引起[1]，工程建设活动中也涉及大量岩石摩擦滑动问题。岩石破裂后，裂隙面作为岩体中的强度薄弱部位，易产生沿裂隙面的二次滑动，也是诱发岩质滑坡、地震等地质灾害的重要原因；此外，矿山、隧道、边坡、堤坝等工程建设活动均受到岩石摩擦滑动影响。随着岩石摩擦滑动研究的不断深入，水岩耦合作用对岩石摩擦滑动性质的影响日益引起研究者的重视。水的影响主要体现在对立的两个方面[2]：一方面是水的力学作用使有效应力降低，弱化岩石的摩擦强度；另一方面是水的物理化学作用使水与岩石之间发生复杂的反应，如应力腐蚀、压力溶解、润滑、粘滞、岩化、胶结等。正是在水岩间力学、物理化学的综合作用下，岩石的强度及性状发生改变，岩石间接触面积和接触状态不断变化，从而改变裂隙开度，使摩擦强度和稳定性发生周期性演变[3、5]。地壳中含有大量地下水，地下水主要沿着岩石裂隙面活动，断层泥与水在断层带中的迁移并不只是简单的流动运移过程，还伴随着复杂的水岩耦合作用，统计资料表明[6]，水的存在改变了岩体的强度及性状，从而影响岩石的摩擦强度及稳定性。因此，探索水岩耦合作用下的岩石摩擦滑动性质对于理解地震成因机制、前兆机理以及预防岩体失稳具有重要的科学意义和实践价值。

近年来，国内外学者通过改变孔隙水压力、岩石含水率、裂隙水温和渗流状态四种方式对水岩耦合作用下的岩石摩擦滑动特性开展研究。本文拟从水岩耦合作用下岩石裂隙面微观结构改造和摩擦滑动实验分述研究进展。

1 水岩耦合作用下岩石裂隙面的微观结构改造

岩石的微观结构对水岩耦合作用十分敏感，在地壳断层中，长期的水岩耦合作用使可溶性元素溶解，并在断层内重结晶形成黏土质断层泥。

裂隙面矿物颗粒的活动方式主要有滚动、滑动、膨胀和压缩，滚动和压缩状态下抗滑力较小，滑动和膨胀状态下则抗滑力较大。水对粗糙岩石表面微观结构改造作用明显，含静态裂隙水压时，溶液是裂隙面形貌改造和强度改变的主要媒介，裂隙面断层泥晶体颗粒在剪切过程中存在物理磨损和化学强化共同作用，二者为相互竞争关系。在较短的实验时间内，矿物颗粒的物理磨损占主导，随着实验时间的延长，压力溶解对裂隙面微观结构改造的贡献逐渐增大，化学效应逐渐显现[7]。而化学效应在强度愈合过程中分为颗粒间接触强化、孔隙率降低、接触面积增大三个阶段，孔隙流体压力随着剪切逐渐增大，造成断层带微破裂或剪切破坏[8]。

同时，渗流动水条件下的岩石在晶粒接触处存在一种不同于静态裂隙水作用的附加机理，使得水岩耦合作用更复杂。渗流动水更易引起断层的滑动，滑动阶段裂隙开度大幅变化，滑动中孔径和接触面积变化是影响渗透率和流动状态的主要因素[9-10]。对渗流实验的单裂隙花岗岩观察发现[11-12]，水岩耦合作用导致裂隙面接触层发生化学溶解、机械破碎或压裂，并在裂隙面微凸体颗粒处产生应力集中，裂隙面矿物更易断裂，但是，渗流的润滑作用又会缓解一定的剪切断裂破坏，减缓裂隙面的脆性破坏。同时，裂隙面形貌改造受渗流速度影响，在高渗流速度下，裂隙面矿物流动和重组现象更明显[13]。对于非饱和裂隙渗流的摩擦滑动实验，空气的存在使Ca、Mg 等矿物元素溶解、重组的化学反应过程更强烈[7]。此外，随着围岩正应力增大，溶液中可溶性矿物含量上升[13]，渗流对裂隙面的溶解效应随正应力增大而增强。在光滑裂隙面中，溶解溶蚀和重结晶沉淀过程起主要控制作用；在粗糙裂隙面中，滑块滑动引起的相对位置重组对岩石渗透性影响更大[14]。

2 水岩耦合作用下的岩石摩擦滑动实验研究

自黏滑被确定为浅源地震的一种可能机制后，国内外学者开展大量岩块（断层泥）的摩擦滑动试验，系统地研究岩块（断层泥）的滑动方式及稳定性。岩石的滑动性质受岩石矿物成分、裂隙面粗糙度和正应力的控制，但水岩耦合作用从多种途径对其产生重要影响。水对岩石裂隙面存在润滑作用，湿润裂隙面岩石的抗滑力低于干燥裂隙面岩石[15]。随着滑动过程中水分减少，摩擦强度逐渐恢复；裂隙面持续含水时，抗滑力保持在相对较低位置[16]。随着裂隙面水量增加，岩石形成孔隙水压，导致有效正应力减小，岩石抗滑力进一步下降。岩石内部结构受水的影响，粘聚力和内摩擦角发生改变。通常光面岩石含水率增加，抗滑力有不同程度提高。当新生断层泥成分为强脆性矿物时，抗滑力增大；当新生断层泥成分为弱延性矿物时，抗滑力减小[9]。随着渗流速度的增大，一部分断层泥随渗流带出，摩擦强度小幅恢复[13]。水岩耦合作用能影响岩石的力学性能，干燥光面岩石裂隙湿润或存在孔隙水压后使得滑动趋于稳定[16]。对于光面含断层泥岩体，滑动稳定性受断层泥性质影响，延性断层泥利于稳滑，脆性断层泥利于黏滑，滑动生成的断层泥也具有类似特性。同时，滑动速度影响水岩耦合作用的效果，在较低滑速区、中滑速区和高滑速区表现的作用效果不同。

3 结论与展望

岩石的摩擦滑动性质主要受矿物成分、正压力大小、滑动面粗糙度等因素的控制，但水岩耦合作用通过润滑、软化、胶结强化、离子交换和水溶水解等方式产生至关重要的影响。水对岩石摩擦滑动的作用是多种复杂作用耦合的效果，是强化与弱化相互竞争的结果，不同状态的水也有着不同的效应。

裂隙面水分增加或形成孔隙水压导致岩石抗滑力下降，滑动趋于稳定，水对裂隙面的润滑作用明显。岩石含水率增大或受到渗流作用时，水分侵入岩石内部降低结构强度，更易产生断层泥。

水岩耦合作用改造岩石裂隙面形貌，影响渗透率变化。光滑裂隙面受矿物溶蚀和沉淀控制；粗糙裂隙面受到滑块滑动引起的相对位置重组的控制。

地壳断层中的水岩耦合作用复杂多变，当前研究主要局限于少因素的分析，对于含水率、孔隙水压、渗流、水温，滑动速度等多因素的耦合作用有待进一步研究。