基于裂纹的岩石摩擦滑移位移演化实验研究

刘燕，杨小彬，汪洋，裴艳宇

中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083

岩石的摩擦滑移是岩石力学的基本问题，许多压剪条件下的岩石力学行为都与此有关[1-2]。隧道、边坡、堤坝和矿山巷道等大型构筑物或建筑物的建造不可避免地涉及岩石摩擦滑动问题[3-4]。因此，通过摩擦滑移试验对岩石的摩擦滑移演化特征进行研究，有助于深化岩石相关灾害现象认识，能够为认识岩石形成宏观断裂面后的后继变形演化行为以及相关灾害预测预报研究提供参考。

目前研究岩石摩擦滑动的试验方法主要为直剪、双剪、扭剪和三轴等4种方法[5-6]，国内外专家针对岩石的摩擦滑动问题开展了许多研究。宋义敏等[7-8]采用双面剪切模型实验方法，对岩石试件在摩擦滑动过程中的位移场、滑动面的滑动位移及变形能密度的演化特征进行了研究；以数字散斑相关方法和声发射系统为实验监测手段，开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。韩文梅等[9-10]对典型岩石摩擦滑动试验装置进行了改进，在低正应力条件下对岩石摩擦滑动过程中的静摩擦系数进行了试验研究；从本构参数的角度出发，研究自然、饱水和干燥状态下岩石摩擦滑动过程中的稳定性。刘善军等[11]以花岗闪长岩和辉长岩为例，结合遥感-岩石力学基础实验，研究了双轴加载条件下岩石摩擦滑移特征，重点对影响岩石摩擦滑移特征的5个重要因素，即正应力、岩性、摩擦表面粗糙度、含水性及摩擦速率进行了实验分析。李清淼[12]通过对岩样在残余强度阶段的加卸载围压实验，研究岩石峰后的力学特性，提出了峰后弹性滑移力学机理。昝月稳等[13]分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征，提出了1种适合于岩石材料的双剪模型。王海军等[14]采用砂岩试样进行岩石记忆性物理实验，提出在低于微裂纹初始应力以下应力区，变形记忆性的机理为微裂纹和颗粒接触面的摩擦滑动。Lockner等[15]利用声发射定位方法，研究了岩石破坏过程中裂纹的非均匀演化特征。王建明等[16]开展了3种不同长度岩桥的双轴单面卸荷试验，模拟了滑坡前缘蠕滑破坏和后缘陡拉裂隙，分析了不同卸荷速率下试样强度、变形、破坏特征和裂隙扩展模式。张凌凡等[17]利用 Geiger 定位法和混合矩张量理论，进行了岩石的张拉和剪切试验，分析了岩石不同断裂类型的时空演化特征。国内外学者在岩石摩擦滑动理论、试验方法、摩擦滑动方式和稳定性分析方面已有大量的研究工作，且方法也比较成熟，但在岩石破坏形成断裂面或结构面后，对其进一步演化特征的研究仍不完善。

本文选用一种花岗岩作为试验材料，用水刀加工预制穿透性裂纹，采用双剪模型的试验方法进行摩擦滑移试验。试验过程中，用CCD相机记录散斑图像，并利用数字散斑相关方法[18]对岩石摩擦滑移过程中的水平位移场、竖直位移及水平位移的演化进行分析，研究岩石摩擦滑移演化特征。

1 双剪摩擦滑移试验

1.1 试验模型及系统

试验选用一种剪切模量约为25.7 GPa的花岗岩作为试验材料，用专用仪器切割为侧“凸”型上下对称的试件，采用双剪模型进行试验。试件未凸起岩块尺寸为280 mm×50 mm×170 mm(长×宽×高)，凸起岩块尺寸为50 mm×50 mm×70 mm(长×宽×高)，采用水刀沿凸起岩块上下面分别加工一条穿透预制裂纹，裂纹长度为150 mm、宽度为1.5 mm，如图1(a)所示。试件滑移面用300号金刚砂纸打磨，表面喷漆制作散斑场，并在未凸起岩块左端设置水平位移约束。选取C区域为岩块水平位移场演化分析区域，根据试件对称性，在上滑移面等距选取P1-P1’、P2-P2’、P3-P3’、P4-P4’、P5-P5’五组点作为分析围压作用下界面摩擦滑移引起的水平位移及竖直位移变化规律的对称点。

试验系统包括由RLJW-2000液压伺服试验机组成的加载系统和由CCD相机及计算机组成的图像采集系统，如图1(b)所示。CCD相机的图像采集速度为5帧/s，图像分辨率为1 600 pixel× 1 200pixel，物面分辨率为0.24 mm/pixel。

1.2 试验过程

试验开始前，在试件表面喷涂人工散斑场并将之安装在液压伺服试验机上，在试件未凸起端设置水平位移约束[图1(a)]；对加载系统和图像采集系统进行对时，确保试验系统时间的一致性；调整CCD相机的位置及分辨率，使其能够获得试样全场散斑图像并能清晰捕捉裂纹及两侧散斑图像变化。

首先，采用力控制加载方式对试件上下端面施加竖向荷载(围压)，加载速率为0.105 kN/s，当围压达到140 kN(应力为10 MPa)时，停止加载并保持围压不变；接着，采用位移加载方式对试件水平方向进行加载，加载速率为0.25 mm/min，同时启动CCD相机采集试件表面散斑图像，加载至试件破坏或发生大的水平滑移后，试验停止，同时停止图像采集，试验结束。

重复1组相同试验后，对采集的散斑图像和加载系统的历史试验数据进行分析。

1.3 试验结果

进行2组相同实验后，选取其中的1组进行描述。试件的水平加载采用位移控制，压机采集软件获得试件的摩擦滑移剪应力-时间曲线，如图2所示。由图2可以看出，随着加载的进行，剪应力随时间的变化趋势表现为Ⅰ(缓慢增长阶段)、Ⅱ(线性增长阶段)、Ⅲ(峰后降低阶段)3个阶段。根据曲线的变化特点，对加载历史过程中的9个典型时刻进行标识，作为试样摩擦滑移位移场整体演化分析的标识点。选取孔隙压密阶段的标识点o时刻对应的散斑图像为参考图像，标识点a、b为标识点o后剪应力缓慢增长阶段的等时间间隔点，标识点c为剪应力值与围压值相等点，标识点d为剪应力线性增长阶段的起始点，标识点e、f、g为剪应力线性增长阶段的等剪应力差值点，标识点h为剪应力增长的峰值点。

2 岩石摩擦滑移位移演化特征分析

2.1 岩石摩擦滑移不同时刻位移场演化分析

为了更直观地看到岩石摩擦滑移位移场随剪应力的演化，对其进行更深入地分析，利用数字散斑相关方法和Matlab语言计算并绘制出标识点a、b、c、d、e、f、g、h时刻的水平位移场云图，所分析的水平位移场云图区域与图1(a)中C区域相对应。数字散斑图像的坐标系以水平向右为正，竖直向下为正；图中位移场等值线设置为20条，等值线量值为负时加载岩块向约束端移动。

2.1.1 剪应力缓慢增长阶段

剪应力缓慢增长阶段的岩石摩擦滑移水平位移场云图如图3所示。

图3 剪应力缓慢增长阶段的岩石摩擦滑移水平位移场云图

在标识点a时刻(剪应力值为0.3 MPa)，受到位移加载时间较短，由于岩石表面并不完全光滑，接触面存在凹凸体变形，试件处于静摩擦状态，其位移主要受围压作用；位移场云图表现为位移场等值线沿水平方向呈波动状，等值线量值较小，靠近加载侧的等值线分布较密集。

在标识点b时刻(剪应力值为2.3 MPa)，随着位移加载时间增加，滑移接触面的凹凸体被逐渐压密，接触面局部区域开始出现小的摩擦滑移，位移演化由围压起主要作用转化为围压与剪切力共同作用；位移场云图表现为位移场等值线量值略有增加，中部等值线逐渐平滑且向加载端倾斜，倾斜角度小于45°，等值线分布变稀疏，加载端和约束端的等值线分别向上和向下倾斜，分布明显增密。

在标识点c时刻(剪应力值为10.0 MPa)，试件所受到的剪应力与围压大小相等；位移场云图表现为位移场等值线量值略有增加，中部等值线倾斜角度达到45°，加载端和约束端的等值线近似直线，与竖直方向平行，等值线分布明显增密。

2.1.2 剪应力线性增长阶段

剪应力线性增长阶段的岩石摩擦滑移水平位移场云图如图4所示。

在标识点d时刻(剪应力值为38.6 MPa)，随着加载时间的增加，接触面的凹凸体出现变形，接触面局部区域出现较明显的摩擦滑移，位移演化逐渐转为受剪切力作用为主；位移场云图表现为位移场等值线量值继续增大，中部等值线的倾斜角度达到60°。

在标识点e时刻(剪应力值为49.6 MPa)，随着加载时间的增加，位移演化受剪切力作用较标识点d时刻更加明显，但由于围压的存在造成位移等值线局部绕流，即一种流体绕开固体阻碍物流动的现象，试件发生局部小滑移；位移场云图表现为位移场等值线量值增加较少，左上角等值线呈弧形且分布密集，倾斜角度较图4(a)略有增加。

图4 剪应力线性增长阶段的岩石摩擦滑移水平位移场云图

在标识点f时刻(剪应力值为60.7 MPa)，随着加载时间的增加，位移演化明显表现为受剪切力作用为主，围压作用对局部绕流的影响明显增大；云图表现为约束端的位移场等值线量值增加较小，等值线呈弧形且分布较稀疏，形成强阻滑区，加载端的位移场等值线量值明显增大，等值线沿竖直方向近似平行(倾斜角度达到90°)且分布较密集，形成弱阻滑区域；加载端和约束端的位移场等值线量值相差较大，出现强阻滑区绕流现象[19]。

在标识点g时刻(剪应力值为74.8 MPa)，随着加载时间的增加，围压作用对局部绕流的影响逐渐减小；云图表现为强阻滑区的位移场等值线量值略有减小，强阻滑区面积减小，弱阻滑区的位移场等值线量值略有增加，弱阻滑区面积增大，强阻滑区绕流现象减弱。

2.1.3 剪应力峰值点

剪应力峰值点(标识点h)的岩石摩擦滑移水平位移场云图如图5所示。在标识点h时刻(剪应力值为88.9 MPa)，随着位移加载时间的增加，接触面局部区域滑移速度减缓，其位移受剪切力作用为主；位移场云图表现为位移场等值线量值再次明显增大，等值线较平滑，中部位移呈梯度变化，强阻滑区域继续减小，弱阻滑区域继续增大，绕流现象消失。

图5 剪应力峰值点(标识点h)的岩石摩擦滑移水平位移场云图

2.2 岩石滑移界面位移演化分析

在对岩石摩擦滑移位移场演化分析的基础上，根据试件的对称性，进一步对岩石上滑移面的竖直位移和水平位移进行分析。由图2可知，在标识点o时刻前剪应力处于初始的缓慢增长阶段，滑移面的竖直位移和水平位移近似为0，故从标识点o时刻开始计算岩石摩擦滑移的位移演化曲线。

滑移面的竖直位移和水平位移通过虚拟位移计求得。如图1(a)所示，沿滑移面水平方向等距取5组对称点，对称点的竖直位移差值表示滑移面的咬合程度，水平位移差值表示滑移面上下滑块位移的错动量。岩石摩擦滑移竖直和水平位移演化曲线如图6所示，图6(a)为竖直位移演化曲线，竖直位移量值为正，代表滑移面竖向受压，滑移面咬合程度增加；反之代表滑移面竖向张拉，滑移面咬合程度减弱。图6(b)为水平位移演化曲线。

在剪应力缓慢增长阶段，对应加载时间1 183.3 s前(图6中Ⅰ阶段)，滑移面的竖直位移量值较小，呈缓慢增长，且靠近固定端的竖直位移量值较大，增长速率较快。该现象表明，随着加载的进行，此阶段竖直位移演化由围压作用转变为围压和剪切力共同作用，接触面的凹凸体被逐渐压密，滑移面的咬合程度逐渐增加，靠近固定端的滑移面咬合程度增加更明显；此阶段滑移面的水平位移缓慢增长，1-5组对称点的水平位移演化曲线随着加载的进行逐渐由重合到分散，且分散后1-5组对称点的水平位移呈波动增长，靠近加载端的水平位移演化曲线增长更明显，表明水平位移演化由围压作用转变为围压和剪切力共同作用，滑移接触面的凹凸体被逐渐压密产生变形，靠近加载端的凹凸体变形程度更大，滑移面由静摩擦状态转变为静摩擦和滑移的交替状态。

图6 岩石摩擦滑移竖直和水平位移演化曲线

在剪应力线性增长阶段，对应加载时间 1 183.3～1 308.2 s(图6中Ⅱ阶段)，滑移面的竖直位移出现不同程度地激增，靠近固定端的竖直位移增长较大，滑移面的竖直位移在激增后继续缓慢增长，并在缓慢增长后回落，靠近加载端的竖直位移由正值减小为负值。该现象表明，随着水平位移加载的进行，此阶段逐渐转为受剪切力作用为主，试件凹凸部分发生磨损，滑移面的咬合程度迅速增加，靠近固定端的滑移面咬合程度增加更明显；在试件界面发生磨损后，滑移面的咬合程度呈小幅增加，并且靠近加载端的第5组对称点相对于初始状态咬合程度明显减弱。试件界面整体咬合程度的急剧增加到减弱，可以作为试件整体滑移的另一个前兆。而滑移面的水平位移，则在标识点d时刻快速增长后在标识点f时刻开始快速减少，靠近加载端的水平位移变化较明显，表明随着加载的进行，此阶段逐渐转为受剪切力作用为主，试件开始出现损伤，并在损伤后受到反作用力。

在剪应力峰后阶段，对应加载时间1 308.2 s至加载结束(图6中Ⅲ阶段)，滑移面的竖直位移变化不明显。该现象表明，此阶段受剪切力作用为主，滑移面的凹凸体阻碍性能较低，试件处于滑移状态。此阶段滑移面的水平位移缓慢减少，表明此时受剪切力作用为主，试件仍受到加载端岩块的反作用力。

通过上述分析可得，在试件界面出现磨损前，影响滑移面位移演化的主要原因是接触面的凹凸体阻碍，凹凸体阻碍性能与岩石强度和滑移面的咬合程度有关；在试件界面出现磨损后，影响滑移面位移演化的主要原因是加载岩块的反作用力。错动位移演化受岩石试件材料非均匀性影响，在剪应力增长前阶段，两端错动位移小于中部错动位移，增长后阶段加载端到固定端错动位移发生波动变化，两端错动位移相对较大，中部错动位移相对较小。

3 结 论

考虑围压对界面滑移的影响，采用双剪模型进行试验，利用数字散斑相关方法对岩石界面摩擦滑移过程中的水平位移场、竖直位移及水平位移的演化进行分析，得到如下结论：

(1) 在剪应力缓慢增长阶段，接触面的凹凸体变形，滑移面的咬合程度逐渐增大，水平位移场等值线沿水平方向呈波动状；位移场等值线量值较小，该阶段位移演化由围压作用转变为围压和剪切力共同作用；在剪应力线性增长阶段，接触面的凹凸体阻碍性减小，试件出现磨损，水平位移场两端的等值线近似直线且与竖直方向平行，水平位移场形成强阻滑区和弱阻滑区，位移量值快速增大后减小，该阶段位移演化逐渐转变为受剪切力作用为主。

(2) 水平位移开始快速增加时出现绕流区域，绕流区域随着位移快速增加而增大，绕流现象的出现是试件局部滑移的前兆信息；水平位移开始快速减少过程中绕流区域逐渐缩小至消失，绕流现象的消失可作为试件整体滑移的前兆信息。

(3) 试件所受到的剪应力逐渐增大至与围压相等时，位移场云图中部等值线向加载端倾斜的角度逐渐增加至45°；位移场云图中部等值线向加载端倾斜的角度增加至60°时，试件出现局部滑移；试件所受到的剪应力大于围压时，位移场云图中部等值线向加载端倾斜的角度继续增加直至90°，试件出现整体滑移。