翁余烽，徐從強(qiáng)，顏真光

（紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興 312000）

0 引言

巖石摩擦滑動是防災(zāi)減震工程關(guān)注的重點問題之一，大部分有記載的地震和巖質(zhì)滑坡災(zāi)害由巖層的突然滑動引起[1]，工程建設(shè)活動中也涉及大量巖石摩擦滑動問題。巖石破裂后，裂隙面作為巖體中的強(qiáng)度薄弱部位，易產(chǎn)生沿裂隙面的二次滑動，也是誘發(fā)巖質(zhì)滑坡、地震等地質(zhì)災(zāi)害的重要原因；此外，礦山、隧道、邊坡、堤壩等工程建設(shè)活動均受到巖石摩擦滑動影響。隨著巖石摩擦滑動研究的不斷深入，水巖耦合作用對巖石摩擦滑動性質(zhì)的影響日益引起研究者的重視。水的影響主要體現(xiàn)在對立的兩個方面[2]：一方面是水的力學(xué)作用使有效應(yīng)力降低，弱化巖石的摩擦強(qiáng)度；另一方面是水的物理化學(xué)作用使水與巖石之間發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，如應(yīng)力腐蝕、壓力溶解、潤滑、粘滯、巖化、膠結(jié)等。正是在水巖間力學(xué)、物理化學(xué)的綜合作用下，巖石的強(qiáng)度及性狀發(fā)生改變，巖石間接觸面積和接觸狀態(tài)不斷變化，從而改變裂隙開度，使摩擦強(qiáng)度和穩(wěn)定性發(fā)生周期性演變[3、5]。地殼中含有大量地下水，地下水主要沿著巖石裂隙面活動，斷層泥與水在斷層帶中的遷移并不只是簡單的流動運移過程，還伴隨著復(fù)雜的水巖耦合作用，統(tǒng)計資料表明[6]，水的存在改變了巖體的強(qiáng)度及性狀，從而影響巖石的摩擦強(qiáng)度及穩(wěn)定性。因此，探索水巖耦合作用下的巖石摩擦滑動性質(zhì)對于理解地震成因機(jī)制、前兆機(jī)理以及預(yù)防巖體失穩(wěn)具有重要的科學(xué)意義和實踐價值。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過改變孔隙水壓力、巖石含水率、裂隙水溫和滲流狀態(tài)四種方式對水巖耦合作用下的巖石摩擦滑動特性開展研究。本文擬從水巖耦合作用下巖石裂隙面微觀結(jié)構(gòu)改造和摩擦滑動實驗分述研究進(jìn)展。

1 水巖耦合作用下巖石裂隙面的微觀結(jié)構(gòu)改造

巖石的微觀結(jié)構(gòu)對水巖耦合作用十分敏感，在地殼斷層中，長期的水巖耦合作用使可溶性元素溶解，并在斷層內(nèi)重結(jié)晶形成黏土質(zhì)斷層泥。

裂隙面礦物顆粒的活動方式主要有滾動、滑動、膨脹和壓縮，滾動和壓縮狀態(tài)下抗滑力較小，滑動和膨脹狀態(tài)下則抗滑力較大。水對粗糙巖石表面微觀結(jié)構(gòu)改造作用明顯，含靜態(tài)裂隙水壓時，溶液是裂隙面形貌改造和強(qiáng)度改變的主要媒介，裂隙面斷層泥晶體顆粒在剪切過程中存在物理磨損和化學(xué)強(qiáng)化共同作用，二者為相互競爭關(guān)系。在較短的實驗時間內(nèi)，礦物顆粒的物理磨損占主導(dǎo)，隨著實驗時間的延長，壓力溶解對裂隙面微觀結(jié)構(gòu)改造的貢獻(xiàn)逐漸增大，化學(xué)效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)[7]。而化學(xué)效應(yīng)在強(qiáng)度愈合過程中分為顆粒間接觸強(qiáng)化、孔隙率降低、接觸面積增大三個階段，孔隙流體壓力隨著剪切逐漸增大，造成斷層帶微破裂或剪切破壞[8]。

同時，滲流動水條件下的巖石在晶粒接觸處存在一種不同于靜態(tài)裂隙水作用的附加機(jī)理，使得水巖耦合作用更復(fù)雜。滲流動水更易引起斷層的滑動，滑動階段裂隙開度大幅變化，滑動中孔徑和接觸面積變化是影響滲透率和流動狀態(tài)的主要因素[9-10]。對滲流實驗的單裂隙花崗巖觀察發(fā)現(xiàn)[11-12]，水巖耦合作用導(dǎo)致裂隙面接觸層發(fā)生化學(xué)溶解、機(jī)械破碎或壓裂，并在裂隙面微凸體顆粒處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂隙面礦物更易斷裂，但是，滲流的潤滑作用又會緩解一定的剪切斷裂破壞，減緩裂隙面的脆性破壞。同時，裂隙面形貌改造受滲流速度影響，在高滲流速度下，裂隙面礦物流動和重組現(xiàn)象更明顯[13]。對于非飽和裂隙滲流的摩擦滑動實驗，空氣的存在使Ca、Mg 等礦物元素溶解、重組的化學(xué)反應(yīng)過程更強(qiáng)烈[7]。此外，隨著圍巖正應(yīng)力增大，溶液中可溶性礦物含量上升[13]，滲流對裂隙面的溶解效應(yīng)隨正應(yīng)力增大而增強(qiáng)。在光滑裂隙面中，溶解溶蝕和重結(jié)晶沉淀過程起主要控制作用；在粗糙裂隙面中，滑塊滑動引起的相對位置重組對巖石滲透性影響更大[14]。

2 水巖耦合作用下的巖石摩擦滑動實驗研究

自黏滑被確定為淺源地震的一種可能機(jī)制后，國內(nèi)外學(xué)者開展大量巖塊（斷層泥）的摩擦滑動試驗，系統(tǒng)地研究巖塊（斷層泥）的滑動方式及穩(wěn)定性。巖石的滑動性質(zhì)受巖石礦物成分、裂隙面粗糙度和正應(yīng)力的控制，但水巖耦合作用從多種途徑對其產(chǎn)生重要影響。水對巖石裂隙面存在潤滑作用，濕潤裂隙面巖石的抗滑力低于干燥裂隙面巖石[15]。隨著滑動過程中水分減少，摩擦強(qiáng)度逐漸恢復(fù)；裂隙面持續(xù)含水時，抗滑力保持在相對較低位置[16]。隨著裂隙面水量增加，巖石形成孔隙水壓，導(dǎo)致有效正應(yīng)力減小，巖石抗滑力進(jìn)一步下降。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)受水的影響，粘聚力和內(nèi)摩擦角發(fā)生改變。通常光面巖石含水率增加，抗滑力有不同程度提高。當(dāng)新生斷層泥成分為強(qiáng)脆性礦物時，抗滑力增大；當(dāng)新生斷層泥成分為弱延性礦物時，抗滑力減小[9]。隨著滲流速度的增大，一部分?jǐn)鄬幽嚯S滲流帶出，摩擦強(qiáng)度小幅恢復(fù)[13]。水巖耦合作用能影響巖石的力學(xué)性能，干燥光面巖石裂隙濕潤或存在孔隙水壓后使得滑動趨于穩(wěn)定[16]。對于光面含斷層泥巖體，滑動穩(wěn)定性受斷層泥性質(zhì)影響，延性斷層泥利于穩(wěn)滑，脆性斷層泥利于黏滑，滑動生成的斷層泥也具有類似特性。同時，滑動速度影響水巖耦合作用的效果，在較低滑速區(qū)、中滑速區(qū)和高滑速區(qū)表現(xiàn)的作用效果不同。

3 結(jié)論與展望

巖石的摩擦滑動性質(zhì)主要受礦物成分、正壓力大小、滑動面粗糙度等因素的控制，但水巖耦合作用通過潤滑、軟化、膠結(jié)強(qiáng)化、離子交換和水溶水解等方式產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。水對巖石摩擦滑動的作用是多種復(fù)雜作用耦合的效果，是強(qiáng)化與弱化相互競爭的結(jié)果，不同狀態(tài)的水也有著不同的效應(yīng)。

裂隙面水分增加或形成孔隙水壓導(dǎo)致巖石抗滑力下降，滑動趨于穩(wěn)定，水對裂隙面的潤滑作用明顯。巖石含水率增大或受到滲流作用時，水分侵入巖石內(nèi)部降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，更易產(chǎn)生斷層泥。

水巖耦合作用改造巖石裂隙面形貌，影響滲透率變化。光滑裂隙面受礦物溶蝕和沉淀控制；粗糙裂隙面受到滑塊滑動引起的相對位置重組的控制。

地殼斷層中的水巖耦合作用復(fù)雜多變，當(dāng)前研究主要局限于少因素的分析，對于含水率、孔隙水壓、滲流、水溫，滑動速度等多因素的耦合作用有待進(jìn)一步研究。