泥岩多尺度模型与水岩作用特性研究进展

2022-04-01李桂臣李菁华孙元田孙长伦许嘉徽荣浩宇沃小芳卢忠诚

煤炭学报 2022年3期

李桂臣,李菁华,孙元田,孙长伦,许嘉徽,荣浩宇,杨森,沃小芳,卢忠诚

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏徐州 221116)

泥质岩是分布最广泛的岩石，约占全球沉积岩的50%。根据沉积岩分类研究，泥质岩定义为泥级矿物含量(<0.005 mm)大于50%的沉积岩，主要包括泥岩、页岩、板岩、泥板岩等，并在一般情况下简称为泥岩。在水电、桥隧、道路、采矿等工程中，泥岩是一类常见施工对象。泥岩承载稳定性差，遇水力学性能劣化显著；岩土工程与地下岩石工程中往往由于局部泥岩承载失效，而引起工程的整体灾变。

陈宗基院士在20世纪80年代便指出，膨胀性泥岩在隧洞中是一个严重的问题，需要深入开展灾变机理研究。数十年来，针对泥岩工程体长期蠕变诱发工程失稳问题，学者们基于应力-应变本构关系方面展开深入研究。其中，引入含应力阈值的黏塑性元件改造经典蠕变本构模型，广泛应用于泥岩加速流变行为特性研究方面。但是，长期工程实践中学者逐渐发现，承载泥岩的强塑性剪切破坏行为与矿物组分密切相关，而不同工程中泥岩层矿物组分往往差异较大。因此，部分学者提出将泥岩视作弹塑性泥性成分与线弹性/弹塑性碎屑矿物构成的非均质材料，并通过纳/微米压痕仪器等设备分析泥岩矿物组分的细观力学特性。借助于颗粒流数值计算方法，部分学者侧重从颗粒胶结角度考虑泥岩细观特性，开展泥岩矿物颗粒间接触力及胶结状况研究工作。另一方面，何满潮院士等指出，煤系泥岩巷道的复合型变形力学机制，关键因素是泥质成分中的黏土矿物特征。特别在泥岩灾害防治技术中，黏土矿物的物理化学特性是注浆改性技术、电化学改性技术的研发基础。因此，近些年来土壤领域与选矿领域相关实验测定与模拟方法被逐渐引入，开展黏土矿物晶胞模型具化与宏观测定试验工作，探究工程环境下黏土矿物的物理化学性质。

泥岩的泥质质量分数超过50%，碎屑间以泥质胶结为主。当蒙脱石、高岭土和伊利石等黏土矿物作为主要泥质成分时，富水环境的泥岩工程体往往具有较高的灾变风险。相关研究表明，黏土矿物晶胞在水化学溶液中发生强烈的水分子吸附行为，促使晶胞在层叠方向上显著膨胀；同时，黏土颗粒整体带有固定负电荷；水溶液中黏土颗粒表面往往形成扩散双电层结构，诱发黏土矿物颗粒相互远离；在晶胞结构及颗粒物理性质双重因素下，黏土矿物遇水后显著泥化膨胀。相比于微细观黏土矿物水化特性，泥岩宏观水化特性研究成果比较丰富和全面。相关研究基于不同含水率试件的经典力学试验，系统分析了水对泥岩经典力学参数的劣化特性。部分学者聚焦泥岩吸水膨胀宏观特征，构建半经验型吸水膨胀本构模型及吸水膨胀过程的蠕变本构模型；并用于工程尺度泥岩流-固耦合控制方程中。部分团队为获取更真实的泥岩热-流-固耦合特性，还开展了注水、注热现场工程试验，真实记录工程尺度下泥岩地质体的热-流-固耦合行为。

综上可见，泥岩工程体长期蠕变致灾、富水环境孕灾的机理及防治研究，尺度从现场工程(km)到微小晶胞(nm)不等，并各自形成了独特的研究体系与方法。鉴于目前仍缺乏泥岩多尺度研究的系统回顾与描述，笔者在前人研究成果基础上，根据现场工程的研究对象与聚焦因素，界定泥岩研究的多尺度概念，阐明不同尺度下泥岩的研究模型和物理力学、物理化学特性，展望泥岩多尺度特性的研究方法与潜在应用。

1 泥岩多尺度特性概念界定

王思敬院士在岩石工程地质力学原理讲座中指出，学科问题的深化研究应当综合多个尺度。在泥岩特性研究过程中，国内外学者形成了多种尺度划分标准。依据国际化学联合会(IUPAC)多孔材料孔隙结构划分标准，泥岩流动特性研究通常将孔裂隙结构划分为大孔(>50 nm)、中孔(2～ 50 nm)和微孔(<2 nm)，分别描述宏观层流(紊流)、细观扩散和微观吸附。在黏土微观结构研究中，依据不同结构层次的基本单元，定义晶胞、矿物颗粒及颗粒团聚体3个研究层面。DELAGE基于结构层次性将黏土孔隙划分为晶层间孔、微孔(颗粒间)及大孔(团聚体间)。王光谦和孙其诚基于颗粒-岩体的关联机理定义尺度概念，将颗粒和岩体分别视为微观与宏观对象，将颗粒间的力链结构视为细观对象。在饱水黏土压缩特性研究中，况联飞等根据水分子的赋存机理划分研究尺度；提出在晶胞、颗粒及团聚体3个微观结构层面上，分别研究晶层间结合水、颗粒板间微观结构力、团聚体间自由水。损伤力学根据结构单元尺寸，将损伤划分为晶胞结构微观损伤、微裂纹细观损伤和宏观裂纹宏观损伤。

学者们根据研究对象与目的，分别给出了相应的研究尺度划分标准。在岩土工程与地下岩石工程中，泥岩变形力学机制与水岩相互作用是重点研究对象。在变形力学机制方面，一般认为泥岩以泥质胶结为主，具有强度低、流变明显等特点；相关研究多聚焦承载泥岩的流变特征与矿物组分间相互作用，属于力学响应和颗粒胶结层次。在水岩相互作用方面，不仅涉及水对矿物颗粒连结强度的弱化，还涉及黏土矿物与水的物理化学反应；相关研究聚焦颗粒间接触力和晶胞的物理化学特性，属于颗粒胶结和晶胞性质研究。

因此，工程背景下的泥岩研究尺度定义，可以从宏观-岩体、细观-颗粒、微观-晶胞3个层面展开，具体如图1所示。宏观定义为毫米(mm)尺度以上的泥岩，主要包括孔裂隙(>1 mm)和岩体基质；宏观最小结构代表单元(macro-SREV)要求能够反映力学强度和应力-应变特性。细观定义为孔裂隙(<1 mm)与矿物材料；细观最小结构单元(meso-SREV)为不同矿物材料形成的聚合体。微观定义为不同矿物组分的晶胞单元；微观最小结构单元(micro-SREV)为晶胞及超晶胞结构体(< 10 nm)。3个层面分别聚焦力学响应特性、颗粒胶结特性和晶胞物理化学特性。

图1 泥岩多尺度概念模型[28]Fig.1 Conceptual model of multiscale structure in mudstone[28]

2 泥岩多尺度行为特性及模型构建

2.1 泥岩宏观物理力学特性

泥岩力学性能普遍较差，在工程岩体中属于软弱岩体。表1列举了部分泥岩与硬岩的基本力学参数。由表1可见，相比于砂岩和花岗岩，泥岩具有高泊松比、低力学强度特征。相关研究认为这与泥岩矿物组分特征有关。在工程实践过程中，笔者测定了多个矿区的泥岩组分。表2汇总了笔者与其他学者的泥岩组分测定结果。由表2可知，高岭土、蒙脱石、伊利石等黏土矿物通常是泥岩主要成分。在ARMAND等的一系列实验研究中，发现泥岩的杨氏模量随黏土含量增高而降低。笔者通过制备泥岩物理相似模拟试样，定量研究岩体力学性质与矿物含量的关系，发现随着黏土矿物含量升高，试件单轴抗压强度与弹性模量弱化，塑性能力增强，发生更强烈的变形。

另一方面，工程中泥岩具有显著流变特性。准确反映岩石力学响应特性的本构模型，一直是岩体流变特性研究的重点。目前，岩体流变本构主要基于组合元件、经验公式、内时理论及损伤理论模型开展研究。内时理论模型基于热力学约束条件，考虑应力加载历史对塑性变形的影响，推导严格的理论本构模型。组合元件方法一般基于Burgers模型和Bingham模型(图2，图中，为应力；为应变；为弹性系数；为屈服极限应力；为黏性系数；下标(=1，2)代表分量或不同组件)，进一步引入设置阈值的黏塑性元件与非线性牛顿体元件，具有形式简单、易于构建等优点。损伤本构模型研究中，一般在本构模型基础上引入损伤评价指标，来描述岩体变形过程中的强度劣化。在力学响应方面，经典强度破坏准则足以描述泥岩的破坏。但是，在水化学环境中，泥岩具有遇水崩解、泥化、承载性能劣化等特性。因此，工程中泥岩的破坏机理，往往还需要综合考察物理化学因素。

表1 典型泥岩和硬岩基本力学参数

表2 部分矿区煤系泥岩矿物组分

图2 岩石材料经典蠕变本构模型Fig.2 Classical creep constitutive model of rock

2.2 泥岩细观物理力学特性

根据研究思路与研究手段的不同，岩体材料细观尺度研究聚焦为2类：① 颗粒胶结；② 复合材料。颗粒胶结研究将岩体处理为复杂颗粒体系，研究颗粒间胶结问题。复合材料研究将岩体视为不同矿物材料的聚合体，研究不同矿物间应力-应变协同关系。

..泥岩颗粒胶结模型

近些年来，学者们逐渐将宏观岩土材料处理为矿物颗粒聚合体。沈珠江院士最早提出用于土体的颗粒-胶结物二元介质模型。但不同于土体，泥岩是黏土矿物和碎屑矿物组成的非均质体。根据成岩特征与矿物组分特性，泥岩可处理为黏土颗粒、碎屑矿物颗粒及颗粒间孔隙；不同矿物颗粒间通过胶结作用相互黏合。相关研究根据胶结对象将胶结类型简化为3类，分别为碎屑颗粒间胶结(胶结Ⅰ)、黏土颗粒间胶结(胶结Ⅱ)、黏土颗粒与碎屑颗粒间胶结(胶结Ⅲ)。结合矿物组分特性对胶结特征的影响，可建立如图3所示泥岩细观颗粒胶结模型。如图3所示，随着黏土矿物含量提高，泥岩主要胶结类型发生转变。图3(d)对应泥岩以黏土颗粒胶结为主(胶结Ⅲ和胶结Ⅱ)，碎屑颗粒胶结类型较少(胶结Ⅰ)；此时黏土颗粒与黏土颗粒的胶结特性(胶结Ⅱ)，是泥岩的力学强度差与遇水弱化特性的主控因素。其中，颗粒胶结力定义为颗粒接触位置的力与面积之比，具体通过式(1)描述。

(1)

式中，为颗粒间作用力，N；为颗粒接触面投影圆半径，m。

当颗粒接触点应力达到颗粒胶结极限强度[]，颗粒聚合体发生破坏。假定单轴压缩实验中应力均匀施加在颗粒体上，则对于局部单一胶结类型区域的胶结体强度[]可由式(2)表示。在单轴压缩过程中，当应力状态超过主要胶结体强度[]时，岩体发生宏观破坏。

(2)

式中，胶结体应力；为参与胶结颗粒的最小半径，m。

图3 泥岩颗粒胶结模型[8]Fig.3 Particle cementation model of mudstone[8]

..颗粒模型下泥岩细观接触特性

颗粒接触模型是颗粒胶结模型理论分析与数值计算的基础。其中，接触黏结模型和平行黏结模型是较为经典的力学模型；近些年来蒋明镜团队发展的三维完整胶结接触模型，综合考虑法向、切向、弯转和扭转因素，是目前较为全面反映力学响应的模型。在岩土领域土颗粒研究中，微观结构测试、颗粒间接触试验、单颗粒破碎试验、颗粒接触力检测常用于测定与建立半经验半理论胶结模型。但是，岩石材料具有颗粒尺度小、颗粒固结程度高的特点，导致松散土体的接触力测试方法适应性较差，限制了岩石材料胶结特性的试验校正。

具体研究工作中，学者们普遍借助离散单元法(DEM)开展机理探讨与数值分析。颗粒接触力和颗粒胶结情况是细观特性的关键指标。基于平行黏结模型描述泥岩力学响应特性时，平行黏结刚度对颗粒间黏结受力状态有重要影响作用，泥岩变形能力与刚度比系数(颗粒刚度比/平行黏结刚度比)正相关。因此，在承载破坏过程中，泥岩内部法向与切向接触力分布范围基本不变，表现出较弱的轴向应变敏感性。但是，在黏土矿物体积占比超过40%后，岩体承载过程主要发生黏土颗粒间胶结断裂，而碎屑颗粒间胶结基本不发生断裂，具体如图4所示；黏土对风化/水化作用具有强敏感性，因此风化/水化将会显著改变局部切向接触力的分布形式与大小。

黏土分类研究中一般认为黏土粒径上限为2 μm。扫描电镜图像(μm)显示，微米尺度上岩体的颗粒与颗粒仍保持紧密接触。目前离散元方法研究中，颗粒尺寸通常在微米以上，相较而言仍属于粗粒模型。同时，土力学研究认为黏土颗粒间通过范德华力等分子间作用力(nm)连结，但目前离散元方法中还较难考虑范德华力。因此，精细化建模研究仍有较大的发展空间。

图4 PFC模拟结果[8]Fig.4 Results in PFC[8]

2.2.3 泥岩复合材料模型

近些年来，借助扫描电镜(SEM)(图5(a))、能谱仪(EDS)(图5(b))、原子力显微镜(AFM)(图5(c))和X-ray层析成像扫描仪(CT)等先进仪器，发现岩体矿物具有可测的空间分布结构。因此，学者进而将细观尺度岩体视为可应用弹塑性理论的矿物材料复合体。YU等基于XRD矿物分析结果和孔隙率推算值，构建出考虑孔隙率的三维矿物材料复合模型。时贤等根据微米尺度矿物强度，将复杂组分简化为高强度、中强度和低强度3类，建立页岩细观三相复合模型，并基于Mori-Tanaka方法分析宏细观力学特性。韩强等在10～10m尺度上建立了多孔黏土夹杂非黏土矿物复合材料模型，通过颗粒堆叠模型描述多孔黏土相，基于D-P准则均匀化理论描述非黏土相夹杂材料的强度特性。笔者考虑黏土矿物、非黏土矿物和孔裂隙，建立泥岩两相复合材料模型，并基于平行、竖直两相材料模型(Voigt and Reuss模型)描述宏细观力学特性。根据表3可以看到，复杂三维矿物材料复合模型准确度较高，但空间构造复杂(图5(d))，适合有限元数值分析。其他模型形式简单且误差尚可接受，有潜力用于细观物理本构的分析研究。

表3 不同模型计算准确度

图5 泥岩细观结构表征方法[28,44-45,48]Fig.5 Characterization method of mesoscopic properties of mudstone[28,44-45,48]

..复合材料模型下泥岩细观力学特性

通过定义复合材料模型的细观弹性模量、蠕变、屈服强度等力学概念，可以将弹塑性理论引入到细观力学特性研究中。目前，微米/纳米压痕设备广泛应用于岩石细观力学参量表征。在实验过程中，根据压入载荷-压入深度(-)测试曲线，可反演得到接触刚度、压入硬度和压入折合弹性模量；基于不同的数学模型进行数据处理，可反算测定材料的细观弹性模量、断裂韧性。泥岩作为碎屑物与胶结体构成的矿物集合体，具有显著的多相材料复合特性，导致测定的细观弹性模量数据具有明显的离散性。图6(a)为基于纳米压痕数据绘制的弹性模量分布云图。由图6(a)可见，弹性模量数据集具有连续分布特点，导致矿物组分可区分度低，难以判断具体矿物的弹性模量。针对泥岩细观力学参数的非均质性，学者们提出采用混合高斯模型，对细观弹性模量分布特征进行统计分析(图6(b))，如式(3)两相混合高斯模型。部分学者还定义了三相混合高斯模型，以支撑泥岩三相复合材料模型的构建。但是，混合高斯模型只能用于描述非均质性，而无法解决具体矿物细观参数的辨识难题。

图6 泥岩细观弹性模量纳米压痕测试[50,53]Fig.6 Mesoscopic elastic modulus of mudstone in Nephogram test[50,53]

(3)

式中，(meso)为泥岩细观弹性模量概率分布密度函数；meso为泥岩表面点细观弹性模量测定值，GPa；，，为拟合参数，为相，=1,2。

基于纳米压痕测试数据，学者们结合泥岩复合材料模型进一步讨论了强度特征。根据玻氏压头与立方体压头的试件硬度测试值之比，可反算泥质复合材料的内摩擦角和黏聚力，进而可借助M-C破坏准则描述强度特征。韩强等通过有限元反算法获取内摩擦因数α和黏聚力，进而借助D-P准则表征强度。复合材料模型下细观与宏观的力学行为具有相似性。单相矿物在纳米压痕作用下呈现出流变特性。纳米压痕蠕变试验通常持续2～3 min，远小于宏观蠕变试验的时间尺度，但研究表明Burgers模型与Kelvin模型在细观尺度上仍能很好地描述细观流变特性与弹性后效现象；并发现细观蠕变特性与有机质、黏土等软弱组分有密切关系。

将非连续问题转化为连续问题，是复合材料模型的基本思想。目前相关分析多依据Eshelby夹杂理论，将不连续孔裂隙与应力-应变场均匀化。但是，泥岩复合材料模型表征与分析依赖于宏观连续介质理论模型。同时，相关分析往往聚焦整体力学响应，或偏重于用宏观理论解释细观行为，而缺乏由细观特性到宏观力学特性的探索。

2.3 泥岩微观矿物与物理化学特性

矿物物理化学特性依赖于元素构成及晶胞结构。目前，在晶胞结构分析方面具有成熟的X射线衍射峰分析方法，晶胞物理化学性质研究方面还缺乏直观的实验手段，相关研究多借助数值计算。根据泥岩主要物理化学性质与力学特性，此处以蒙脱石、伊利石和高岭土为代表，介绍泥岩矿物的微观模型及其物理化学特性。

..矿物微观模型

空间群、晶系、元素、大小与形状参数，是矿物晶胞结构的基本参数。晶胞结构是最小基本重复单元，基于晶胞结构可以构建出超晶胞结构和晶胞表面模型，进而揭示更多物理化学性质。图7为蒙脱石超晶胞结构、伊利石晶胞结构和高岭土晶胞表面模型。

图7 黏土矿物微观性质分析模型Fig.7 Analytical model to microscopic property of clay mineral

由图7可见，铝氧四面体(Al片)与硅氧八面体(Si片)是3类黏土矿物的基本单元，并按照一定的排列规律层叠堆积。其中，Al-Si层叠结构是高岭土的基本晶层结构，晶层间通过氢键强连结，分子/离子难以进入层间；因此，高岭土研究多集中在晶胞表面性质。Si-Al-Si层叠结构是蒙脱石和伊利石的基本晶层结构；但伊利石的晶层间通过K离子形成强连结，分子/离子同样不易进入层间；而蒙脱石的晶层间形成O-O弱连结力，分子/离子极易出入晶层间空隙，使得蒙脱石具有较强的吸水特性与离子交换特性。同时，在伊蒙混层显著的泥岩微观特性研究中，往往需要通过组合排列伊利石与蒙脱石晶层，构建伊利石-蒙脱石混层超晶胞模型，进而分析伊-蒙混层黏土矿物物理化学性质。在矿物成藏相关研究中，通常构建非周期性大体系研究蒙脱石颗粒团聚、沉积、交错行为，对泥化泥岩治理技术基础研究方面有潜在的参考价值。

..微观物理化学特性

晶层间、晶胞表面和晶胞端面具有较高的自由能，是物理化学反应的主要场所。晶层间分子/离子扩散研究通常基于超晶胞模型开展。在金属离子置换蒙脱石晶层间Na的模拟研究中，发现Ba具有较高的置换量但置换速度慢，K置换量低但置换速度快。蒙脱石晶胞层间离子交换实验表明，不同阳离子具有不同的水化膨胀效应；K水化膨胀效应最低，Ca离子水化膨胀效应最大，且K环境会抑制钠-蒙脱石的水化膨胀。同时，在金属离子水溶液环境中，晶胞边界端头的络合现象十分显著。相关研究通常基于黏土矿物晶胞模型进行量子化学计算分析，为土壤重金属污染与核废料地下封存提供理论指导。在蒙脱石水化膨胀抑制材料研发工作中，通常建立晶胞表面模型研究晶胞表面油-水浸润性，确立抑膨剂对黏土矿物表面亲/疏水性的改性效果。

同时，微观晶胞结构及其物理力学行为特性，与宏观力学性能有密切联系；但前沿理论研究集中在金属材料领域，而较少聚焦岩石矿物。自然界中石英晶胞通常以孪晶形式存在，晶胞结构力学形变特性受到晶界与键长的影响；受载时晶界面容易诱发应力集中与键断裂，部分较长的键还将先于晶面产生断裂。蒙脱石晶胞结构具有显著的横观各向异性，平行晶面方向(，)的抗压强度远大于垂直晶面方向()。但是，黏土矿物晶粒通常小于2 μm，晶胞的宏观表征能力被弱化；因此无层理泥岩往往表现出较强的均质性特点。

3 泥岩水岩作用多尺度分析

泥岩遇水力学性能劣化现象尤为显著，并伴随黏土泥化膨胀、吸水崩解等物理行为。水分子在泥岩中主要有3种赋存形式：① 晶胞晶层间结合水；② 黏土颗粒间束缚水；③ 孔裂隙间自由水。水分子的多尺度赋存特性，要求水岩作用机理研究必须深入到多个尺度。根据前文多尺度研究定义，下文分别从微观晶胞-水作用，细观黏土颗粒-水作用以及宏观水岩作用3个层次展开。

3.1 泥岩水岩作用微观尺度分析

对于大部分泥岩矿物而言，晶胞-水作用以表面吸附为主。水分子表面吸附降低晶胞表面能，使得晶胞结构产生膨胀。但是，多数矿物的吸附膨胀效应比较微弱，对宏观力学性质的影响较小。黏土矿物作为复合铝-硅酸盐晶体，晶胞结构由硅片和铝片交互叠层组成，具有显著的层叠空间结构特征。其中无水蒙脱石晶胞层间距为0.96 nm，晶层孔隙约0.428 nm，为晶层间结合水提供了可观的空间。通过X-ray衍射、中子散射等测试技术，学者们定量分析了含水率与层间距的关系。当含水率从9.8%增长到29.4%，钠-蒙脱石晶胞层间距约从1.20 nm增加到1.58 nm。分子动力学模拟表明，随着水分子进入蒙脱石晶层间，晶胞层叠方向显著膨胀变形，并在晶层间形成明显的水分子层(图8)。当晶层间形成1，2，3水分子层时，晶层间距为1.22～1.28，1.50～1.56，1.81～1.87 nm，对应锂-蒙脱石晶层间水分子数量分别为32，64，96个，钠-蒙脱石晶层间水分子数量分别为24，64，112个，相当于每千克蒙脱石含0.1，0.2，0.3 kg水。在况联飞研究分析中，当水与蒙脱石质量比达到0.5时，Wyoming黏土和FEBEX黏土晶层间距分别达到2.00 nm与1.88 nm左右，相应的模拟结果为2.15 nm(晶层间160水分子)，相当于晶胞沿层叠方向膨胀95.8%～123.0%。

高岭土和伊利石晶层间水分子较少，晶胞-水作用主要体现在表面吸附方面。在高岭土遇水膨胀分析中发现，高岭土晶层间强氢键连结阻碍水分子进入层间，而晶胞表面的游离价原子和离子，为水分子提供了大量吸附位。相对而言，伊利石晶层间结合力较弱，但晶层间水分子主要围绕K离子形成水化壳，而较难在晶层内广泛形成结合水。因此，黏土矿物水化膨胀程度依次呈现为蒙脱石>伊利石>高岭土。

图8 蒙脱石晶层间水分子[15]Fig.8 Adsorbed water in the interlayer space of Na-montmorillonite[15]

水分子与晶胞相互作用过程中，晶胞能量、成键形态、离子分布特性均会发生较大变化。在水分子进入晶层间后，晶胞能量体系中范德华力下降最明显，表明层间结合水分子劣化了晶层间连结力。当蒙脱石处于金属离子环境中时，晶层间水分子形态发生变化，水分子与金属离子形成内球吸附与外球吸附，抑制水化膨胀程度；因此，部分注浆改性材料中通常考虑加入金属盐强化改性效果。黄小娟等针对钻井井壁稳定性，提出并模拟分析了有机胺抑制蒙脱石水化机制，开辟了新的改性材料研发方向。同时，在HO等模拟研究中发现，水化过程中蒙脱石晶胞端面羟基形成的氢键会阻碍水分子进入层间，为理解和控制蒙脱石晶胞-水作用提供了新的见解。

3.2 泥岩水岩作用细观尺度分析

泥岩矿物组分间的胶结力主要由黏土矿物提供；如图9所示，石英、长石等颗粒矿物嵌入在棉絮状黏土矿物基底中。当泥岩遇水后，一方面黏土矿物吸附水分子形成水化膜，原有黏土胶结变为水胶连结；这使得颗粒间连结力和摩擦力减弱，水分子呈现出润滑作用。

图9 泥岩表面形貌(SEM)[15]Fig.9 Surface morphology of mudstone(SEM)[15]

另一方面，黏土颗粒带负电荷，水溶液阳离子富集在颗粒表面而形成渗透斥力；这使得黏土颗粒间距离趋于变大，水分子表现出楔入作用。因此，黏土颗粒-水岩作用可大致分为黏土胶结遇水弱化(润滑作用)和黏土颗粒遇水膨胀(水楔作用)2部分。根据土力学饱水黏土颗粒扩散双电层理论，黏土胶结力可视为颗粒间引力与斥力。细观尺度上黏土颗粒间一般主要考虑范德华力和静电力。若忽略孔裂隙结构与弱水岩作用的非黏土矿物(石英)，可建立如图10所示蒙脱石颗粒水化模型。

图10 蒙脱石颗粒水化模型[53]Fig.10 Hydration model of clay particles[53]

如图10所示，模型中蒙脱石颗粒由蒙脱石超晶胞构成；颗粒作用力由晶胞表面间、晶层离子间的分子间作用力构成。颗粒作用力可近似为范德华力与静电力之和，即

(4)

式中，为颗粒间距离，m；,分别为范德华力和静电力相关常数。

根据前文分析，蒙脱石颗粒中主要赋存有束缚水和晶层间结合水。其中，VILLAR等测定了不同含水率FEBEX膨润土和Wyoming膨润土的晶层间距；况联飞模拟研究了不同晶层间水分子数量对应晶层间距，模拟结果与测定结果对比发现，晶层间水分子数量与含水率间基本符合线性关系。同时，考虑颗粒间主要由水分子填充，则颗粒间水分子数量与颗粒间距离为线性关系。因此，颗粒间距离与含水率可近似为线性关系，则式(4)可变换含水率的表达式：

(5)

式中，为颗粒胶结位置的含水率，%；，为常数，分别与范德华力和静电力相关。

式(5)给出了蒙脱石胶结体含水率与颗粒胶结力的关系模型。但是，现有实验测试手段还无法有效测定岩体颗粒的接触力，限制了式(5)的应用与校核验证。目前，纳米压痕测试技术逐渐应用于岩石力学研究。学者们基于该技术测定细观矿物组分力学参数(1～50 μm)。因此，考虑将式(5)变换为蒙脱石胶结体强度与含水率的关系模型。一般认为黏土胶结体密度随含水率增加线性递减，则颗粒半径与含水率关系可通过式(6)进行描述。

(6)

式中，()为含水率时蒙脱石胶结体颗粒半径；为固结蒙脱石胶结体颗粒半径；，为水化膨胀相关常数。

由式(5)和式(6)可见，随着含水率增加，颗粒直径增大，颗粒间相互作用力减小，反映出蒙脱石颗粒的吸水膨胀特性。基于2.2.1节泥岩颗粒胶结模型考虑细观蒙脱石胶结体，联立式(2)，(5)，(6)，并将颗粒初始半径作为常数代入，可得到蒙脱石胶结体强度为

(7)

式中，,为分子间作用力相关常数。

式(7)描述了蒙脱石胶结体强度与含水率的关系。目前，受制于实验方法与设备，岩石胶结强度测定及细观力学参数遇水劣化特性实验数据较少，式(7)相关参数较难进行拟合校验。近期XU等借助纳米压痕技术率先开展了含水泥岩试样研究，孙长伦制备不同含水率蒙脱石固结试件的单轴试验研究，取得了一定的研究成果。但总体而言，细观水岩作用实验方法还需要进一步探索，以深刻地探究相关机理。

3.3 泥岩水岩作用宏观尺度分析

在微细观尺度上，泥岩水岩作用主要考虑物理化学效应。在宏观尺度上，不仅需要考虑遇水物理化学响应特性，还需要考虑水压力对力学响应特性的影响。根据已有研究，泥岩宏观水岩作用可大致分为以下几方面：① 吸水膨胀；② 遇水泥化/崩解(图11)；③ 溶蚀/潜蚀；④ 孔隙压力；⑤ 渗流拖拽力；⑥ 强度劣化。

图11 泥岩遇水劣化[15]Fig.11 Water-rock interaction of mudstone[15]

..吸水膨胀

(8)

式中，为泥岩吸水膨胀系数，与矿物组分有关；Δ为泥岩内部含水率变化；为Kronecker记号。

在实际地质环境和相关试验中，泥岩通常受到一定的内部和外部约束。因此，一般在应力-应变本构方程中考虑膨胀效应。

=2G+[λ-(3+2)Δ]

(9)

式中，为泥岩内部应力张量，MPa；为剪切模量，MPa；为泥岩内部应变张量；为拉梅常数。

基于泥岩无侧限吸水膨胀实验结果，GROB定义了如式(10)所示的一维无侧限吸水膨胀本构模型。相关学者基于金尼克条件进一步得到三维膨胀本构关系。考虑到泥岩膨胀量与浸水时间有关，刘晓丽等通过修正提出了考虑时间因素的三维非稳定膨胀本构模型，如式(11)所示。在以上2个经典本构模型基础上，相关学者基于实验研究不断提出修正公式，却始终未形成统一的试验方法规范。相比实验测定的半经验本构方程，相关学者在连续介质理论与湿度场理论方面同样做出很多努力，但目前工程实践中仍主要参考半经验本构模型。

(10)

(11)

式中，为极限膨胀体积应变；为时间，s；为第一应力不变量；为极限膨胀应力状态下第一应力不变量；为参数；为泥岩轴向膨胀应变；为泥岩体积膨胀应变；为最大膨胀应力；为膨胀应力；为0.1 MPa膨胀应力时的轴向膨胀应变；为泊松比。

332 遇水泥化、潜蚀与强度劣化

根据扩散双电层理论，黏土矿物遇水后颗粒间形成水化膜；随着水分子不断嵌入黏土颗粒间，黏土矿物颗粒间隙增大，微结构遭到破坏、连结力降低；宏观上黏土胶结体泥化，形成细滑泥状物。当孔隙水具有流动性，泥化黏土小颗粒被卷挟带走，呈现潜蚀现象。在力学性质角度上，泥岩遇水泥化后，内部泥质连结弱化为水胶连结，岩石黏聚力和内摩擦角下降；潜蚀过程中泥岩连结力劣化，岩石强度降低并产生较大变形。在这方面，尹振宇等构建了能够描述土体缓慢潜蚀的数学物理模型，主要包括土-水四相物理模型、土粒质量守恒与级配演化方程。

即便没有明显泥化与潜蚀，水环境仍会明显劣化岩体力学性能。相关试验研究结果表明，泥岩单轴抗压强度、抗拉强度、黏聚力随含水率增加而降低，峰值应变随着含水率增加而增加，延性得到增强。部分学者通过定义损伤因子建立损伤本构模型，并较好地拟合重现了不同含水率泥岩体单轴应力-应变曲线。这表明力学性能的劣化主要体现在水对物理结构的侵蚀。另一方面，研究发现不同含水率对泥岩弹塑性能量具有显著影响；实验结果显示含水率越高，泥岩可接受的总能量越低，加载过程耗散能越高，破裂耗散能越低，声发射事件率越低；这表明水环境改变了能量转换形式和应力-应变行为。因而，宏观水岩作用不仅需要关注力学参数，还需要关注应力-应变本构关系。

..孔隙压力与渗流拖拽力

根据Terzaghi有效应力原理，孔隙水压力会降低岩石骨架有效应力，如式(12)所示，岩石骨架抗剪能力下降。但是，在非饱和孔隙水状态下，岩石骨架间产生空隙水压力(负)，使岩石骨架有效应力增加。当孔隙水在水力梯度作用下发生流动，岩石骨架将受到渗流拖拽力(体力)，如式(13)所示。在岩体流固耦合研究中，孔隙压力和渗流拖拽力是重要耦合因素；针对该问题学者们已经开展大量研究，这里不进行过多赘述。但需要指出的是，相比于其他类型岩石，泥岩微观结构容易被渗流拖拽力破坏；进而诱发潜蚀作用，使泥岩力学性能持续劣化；这在数值模拟研究中应当给予足够的关注。

(12)

(13)

式中，为岩石骨架中的有效应力，MPa；为施加在岩体上的总应力，MPa；为孔隙流体压力，MPa；为岩体中的渗流拖拽力，kN/m；为水力梯度；为水体容重，kN/m。

3.4 泥岩水岩作用多尺度体系

煤矿地下巷道围岩控制系统中，通常包含有厚度不等的煤系泥岩。部分泥岩巷道未遇水前承载性能良好，但遇水后出现强塑性变形、承载性能快速劣化而造成失稳；富蒙脱石或伊蒙混层围岩还会明显泥化膨胀，导致巷道断面急剧缩小。在工程角度上，巷道失稳灾变一般被概述为围岩应力重分布和围岩结构失效。但在灾变防控研究中，首先需要明确多尺度水岩作用机理。基于3.1～3.3节内容，图12构建了泥岩多尺度水岩作用耦合系统，其中，为分子间作用力；为分子间距离；，，为分子性质相关的参量；为通量；(,,,)为汇源项函数；为支护阻力；为应力加卸载历史相关变量；为弹性形变量；为塑性形变量；为阻止围岩进一步变形的最小力；()和()为支护阻力特性曲线和围岩收敛变形特性曲线的具体函数表达式。为便于介绍与理解，这里依托巷道失稳工程背景介绍相关内容。

图12 泥岩多尺度水岩作用耦合系统Fig.12 Multi-scale coupling system on water-rock interaction in argillaceous rock

当地层水通过发育裂隙接触到泥岩时，水分子首先侵入黏土颗粒间，通过扩散双电层形成渗透斥力；一方面黏土产生膨胀趋势，另一方面黏土颗粒胶结强度降低；在宏观尺度上，一方面泥岩内部产生膨胀应力，另一方面黏聚力产生劣化。随后，水分子通过水化作用在晶胞表面、晶胞晶层间形成弱结合；这个过程中晶胞能量降低，在层叠方向上产生显著膨胀；同时，水化作用释放的能量，会促动层间阳离子运动迁移；在细观尺度上，一方面颗粒直径增大、颗粒水化膜增厚，另一方面层间阳离子迁出进一步强化渗透斥力。因此，水分子作用下不仅黏土颗粒直径增大，泥质胶结也显著劣化。此时，在围岩应力作用下，矿物颗粒间将发生相互错动、滑移和翻转，在宏观尺度上呈现出遇水泥化、强塑性变形特征。

在围岩应力和水压力作用下，泥岩持续塑性变形；在细观尺度上，宏观塑性能促使孔隙尖端发育扩展，在矿物颗粒间形成发育裂隙网络；在微观尺度上，随着颗粒胶结的断裂，晶胞暴露面积增加。同时，宏观变形能部分转化为细观颗粒变形能，对晶胞水化、吸附膨胀造成一定限制。但随着地层水在裂隙网络中渗流流动，微细观水岩作用区域扩大，泥岩力学性能持续劣化。最终，泥岩承载性能失效，围岩承载结构失稳，在围岩应力作用下造成巷道失稳。

4 展望

泥岩工程特性是多尺度物理力学、物理化学性质的综合体现。前文系统回顾了泥岩及其典型矿物成分的宏观力学特性、细观物理力学特性与微观物理化学特性，以及不同研究尺度对应的物理模型。但整体来看，跨越宏-细-微观的跨尺度模型/体系未得到建立，宏观特性的微观机理阐述尚不清晰，微细观特性对宏观灾变防治的指导不完善。本节主要针对跨尺度模型/体系的建立，及灾变防治技术研发体系的构建，展望所面临的挑战。

4.1 泥岩多尺度特性的跨尺度关系

根据泥岩多尺度物理模型及特性的综述可以看到，泥岩跨尺度模型/体系至少应回答4方面内容：① 变形特征跨尺度关系；② 强度特征跨尺度关系；③ 结构特征跨尺度关系；④ 能量特征跨尺度关系。其中，宏-细观变形特征(2.2.3节)、宏-细观强度特征(2.2.4节)方面已经初步建立了跨尺度关系，但跨越宏-细-微观的关系尚未得到建立。韩强团队与笔者团队均初步构建了宏-细-微结构特征跨尺度体系(图1)，但在细观尺度的定量化表征方面还需要进一步完善。近年来周翠英团队在能量耗散角度上研究泥岩软化破坏，构想了能量体系的整体架构。

但整体上来看，泥岩多尺度特性的跨尺度关系研究方兴未艾。当下限制跨尺度关系研究进展的，不仅仅是理论模型与体系框架的不成熟，还有实验技术手段方面的不足；特别是在细观尺度上，颗粒模型精细化建模、胶结强度/接触力测定分析、复合材料模型与颗粒接触模型的内在关系、不同尺度能量表征方法等方面，均需要深入探索。

4.2 泥岩热-流-固-化多物理场耦合

在水电、道路、采矿工程中，水岩作用是诱发泥岩工程体灾变的重要因素。地表水体、自然降雨、岩层承压水等致灾水源，在渗透势能作用下侵入泥岩内部，渐进劣化泥岩物理结构与力学性能。根据泥岩多尺度水岩作用综述内容可以看到，渐进劣化过程中水岩作用主要包括4种形式：① 吸水诱发膨胀与泥化(化学作用)；② 膨胀诱发裂隙自愈(物理作用)；③ 泥化潜蚀诱发孔裂隙发育(物理作用)；④ 泥化潜蚀损伤岩石(物理作用)。在泥岩多物理场分析中，以上4种水岩作用表现形式是重要的物理场耦合过程。目前，半经验吸水膨胀本构与立方体渗透率公式能够较好描述流-固耦合过程。尹振宇等和马丹等在土/岩潜蚀、水砂/泥渗流方面的研究，能够用于描述泥化泥岩的损伤与流动特性。桑盛等在泥化泥岩裂隙自愈表征方面做出重要工作。

但是，泥岩多物理场耦合分析还局限于化学场的单向耦合研究。以上工作多关注化学场对应力场、渗流场的影响，而较少反映出应力场、渗流场对化学场(水化学环境和化学反应方向)的影响；而相关研究指出应力场与温度场对黏土矿物水化状态迁移有重要作用。同时，水岩作用研究工作多聚焦实验，考虑多物理场的实验设备及研究还相对较少。整体上看，泥岩多物理场耦合偏重于实验的半经验控制方程，一定程度上代表着跨尺度机理的整合，相当于唯象的泥岩多尺度特性的跨尺度关系模型。未来还需要全面揭示应力场、温度场、渗流场对化学场的影响，以及完善已有控制方程。

4.3 泥岩多尺度研究人工智能应用

泥岩多尺度研究与跨尺度关系构建工作并非一蹴而就。特别在核废料地质封存工程中，不仅仅涉及常规的泥岩多物理场耦合分析，还牵涉到黏土矿物通过络合作用对核乏料铀迁移的阻碍；煤矿地下水库的滤水净化环节，同样牵涉到黏土矿物对重金属Cu，Pb，Zn和Mn的化学吸附封存。但是，泥岩工程灾变风险评估和核废料封存选址都迫在眉睫，循序渐进的理论分析与试验研究难解近渴。近10 a来，以神经网络和支持向量机为代表的人工智能方法闻名遐迩，在高度复杂的非线性和非确定性系统中有着独特的应用优势。

在泥岩多尺度特性的跨尺度关系中，存在许多具有黑箱/灰箱过程特征的因果关系，如微观弹性模量与细观弹性模量、微观强度与宏观强度，必然与矿物组分与空间分布的统计规律有关。当下宏、细、微观试验手段与模拟方法比较完善。微观晶胞尺度通过分子模拟、量子力学计算、XRD衍射分析与滴定试验，能够较好地获取分子键参量、晶胞变形参数(弹性模量、应力应变曲线)、晶胞强度参数、晶层间距、层间扩散能力和含水量；细观尺度通过纳米压痕实验与离散元模拟方法，能够获取接触/胶结强度、细观变形参数、细观强度参数和细观蠕变特性。在具备输入参量和输出参量的基础上，人工智能方法有潜力给出不同尺度的非线性映射关系，不失为潜在的泥岩多尺度特性跨尺度关系表征方法。

4.4 基于多尺度研究泥岩灾变防控

早在20世纪，石油钻井工程和矿物加工工程便开展了黏土抑膨剂的相关研究，提出系统的水化膨胀控制原则：① 削弱黏土颗粒电性；② 改变黏土颗粒润湿性；③ 改变晶层间水化形态。根据上述原则研究人员相继开发出无机盐型抑膨剂和有机型抑膨剂。为便于在地层中充分流动，抑膨剂多为水基溶液。但是，水电、道路、采矿工程一方面需要限制岩体内部的流体流动，另一方面多采用水泥基材料实现岩体改性。近些年，管学茂等基于工程需求，针对煤岩润湿性与黏结强度问题，开发微纳米有机水泥基改性材料。柴肇云等针对黏土颗粒电性特征，持续开展电化学改性技术基础研究工作。

泥岩工程体遇水灾变问题的本质，是黏土矿物在微观和细观上的水岩作用。如何有效抑制和控制黏土矿物的遇水分散、泥化、膨胀特性，是防控泥岩灾变孕生的技术关键。借鉴材料科学的新功能材料研究体系，泥岩灾变防控技术研发有必要秉持“跨尺度调控”理念。以宏观环境—细观形态—微观结构为主线，分析泥岩灾变的微、细观主控因素；结合微观结构性质，以微观结构—细观功能—宏观性能为主线，研发泥岩遇水灾变防治，及强化泥岩承载性能的材料与方法，并基于现场工程形成系统的泥岩灾变防治体系。