宋朝陽 寧方波

（1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京100013；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；3.北京中煤礦山工程有限公司，北京，100013）

巖土問題的復(fù)雜性，在很大程度上來自于巖土材料的結(jié)構(gòu)性。弱膠結(jié)砂巖大多是由顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)經(jīng)過壓實作用和膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用而成的沉積巖，大量顆粒物質(zhì)與膠結(jié)物質(zhì)相互膠結(jié)、相互作用，多種礦物顆粒和膠結(jié)成分組成的多相材料共同構(gòu)成了復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)共同承擔(dān)外部荷載［1］。因而，弱膠結(jié)類巖石與常規(guī)花崗巖等硬巖以晶?；蚓Ц窠M成的致密結(jié)構(gòu)不同，與常規(guī)認(rèn)識一般意義的軟巖在力學(xué)特性上也不同。弱膠結(jié)類巖石內(nèi)部存在的顆粒界面、膠結(jié)物質(zhì)、微裂紋和空洞等形式的缺陷導(dǎo)致其為典型的特殊各向異性非均質(zhì)材料［2-5］，其非連續(xù)性的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征決定了強接觸耗散的結(jié)構(gòu)特性［6］。因此，弱膠結(jié)類巖石是典型的多尺度復(fù)合材料，由細(xì)觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)尺度與層次經(jīng)過復(fù)雜的空間組合而形成，涉及多個物理、力學(xué)及其耦合領(lǐng)域。如何建立弱膠結(jié)類巖石的宏觀力學(xué)性能以及微細(xì)觀結(jié)構(gòu)組織參數(shù)之間的關(guān)系，是弱膠結(jié)類巖石研究的重點，也是弱膠結(jié)類巖石研究的核心目標(biāo)之一。

基于巖石細(xì)觀力學(xué)的發(fā)展和研究巖石細(xì)觀設(shè)備的應(yīng)用，很多科學(xué)家將一些非線性理論，如分形理論、混沌、災(zāi)變理論及重正化理論用來研究其機理［7-10］。研究弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀構(gòu)造參數(shù)對其力學(xué)強度的影響，其細(xì)觀構(gòu)造表征因素主要有：各個成分的體積百分?jǐn)?shù)和力學(xué)性質(zhì)、礦物顆粒的尺寸和形狀、膠結(jié)物質(zhì)成分和強度、顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)的分布模式、內(nèi)部缺陷特征等。弱膠結(jié)類巖石為典型的由顆粒物質(zhì)、膠結(jié)物質(zhì)及孔隙3部分組成的膠結(jié)顆粒系統(tǒng)，其膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)強度因靜力學(xué)性能、動力學(xué)性能以及遇水軟化等力學(xué)性能起到關(guān)鍵的作用，其變形破壞首先是膠結(jié)物質(zhì)的變形破壞，導(dǎo)致砂巖體內(nèi)顆粒膠結(jié)狀態(tài)發(fā)生改變［11］。在宏觀上主要通過強度特性和穩(wěn)定性2個方面來表征，其中由于弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的特殊性，可以將巖石的突然破裂歸為穩(wěn)定性問題，也可以認(rèn)為是巖石材料結(jié)構(gòu)的類相變問題［3］。弱膠結(jié)類巖石在變形破壞過程中砂巖內(nèi)部顆粒出現(xiàn)明顯的離散特性，以弱膠結(jié)砂巖細(xì)觀顆粒的接觸特性為例，其臨界狀態(tài)主要分為2種類型，一是顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生破壞，顆粒接觸狀態(tài)由近連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散狀態(tài)的類相變臨界狀態(tài)，此時顆粒和膠結(jié)物質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)依然能夠承受荷載，具有一定的抗壓強度，但抗拉強度急劇降低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在受壓狀態(tài)依然具有一定的穩(wěn)定性；二是顆粒在受力加載過程中由滑移、錯動到快速流動的臨界狀態(tài)［12-13］，此時顆粒和膠結(jié)物質(zhì)形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無論其抗壓強度還是抗拉強度都迅速降低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性急劇降低。同時，解釋了在2種臨界狀態(tài)發(fā)生時，聲發(fā)射、紅外輻射以及電阻率特征參數(shù)發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象，但僅僅解釋現(xiàn)象還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，認(rèn)識世界首先要弄清現(xiàn)象發(fā)生的原因和機理，其次是提出的理論模型及其運算法則，且必須通過實踐的檢驗。

因此，本文梳理了弱膠結(jié)類巖石宏細(xì)觀研究的整體分析思路，總結(jié)了現(xiàn)有研究弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的實驗技術(shù)及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量選取和表征方法；其次列舉了采取數(shù)值計算來研究細(xì)觀參數(shù)單一變量對宏觀力學(xué)性質(zhì)的研究成果；為表征弱膠結(jié)砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化特征，提出了膠結(jié)類巖石模型建立必須遵循的基本原則；在研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，揭示了弱膠結(jié)類巖石受力條件下細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過程中顆粒接觸特征的演化過程；指出尋求以測試技術(shù)手段為基礎(chǔ)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過程中臨界特征提取與判別方法，以期為研究弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀構(gòu)造的定量參數(shù)與宏觀力學(xué)行為的關(guān)聯(lián)性奠定基礎(chǔ)。

1 弱膠結(jié)類巖石宏細(xì)觀研究整體分析思路

基于微細(xì)觀測試技術(shù)的發(fā)展弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)（顆粒尺度）已經(jīng)變?yōu)榭捎^察層面，在可以觀察的顆粒尺度層面上，物理量以及物理量之間的關(guān)系表現(xiàn)出一定的系統(tǒng)特性。已有的大量研究證明了研究尺度是決定理論形式的重要因素，基于這樣的認(rèn)識，研究者寄希望于提出一種能夠?qū)⒉煌芯砍叨壬系难芯考掀饋淼男吕碚?，積極尋找不同尺度之間的內(nèi)在聯(lián)系，而不是孤立地研究各個尺度的系統(tǒng)規(guī)律及相關(guān)理論［14］。因此，本文基于對弱膠結(jié)類巖石的研究和思考，給出了弱膠結(jié)類巖石進一步研究和拓展的研究思路，如圖1所示。

圖1給出了弱膠結(jié)類巖石宏細(xì)觀研究的整體分析思路。一方面通過細(xì)觀顆粒尺度上的研究逐步發(fā)展到常規(guī)室內(nèi)巖石力學(xué)實驗尺度，再進一步到工程應(yīng)用尺度，包括通過細(xì)觀顆粒尺度理論的分析去解釋常規(guī)室內(nèi)巖石力學(xué)實驗尺度和工程應(yīng)用尺度上的現(xiàn)象。另一方面通過成熟的常規(guī)室內(nèi)巖石力學(xué)實驗尺度和工程應(yīng)用尺度上的測試技術(shù)手段去提取和判別細(xì)觀顆粒尺度結(jié)構(gòu)在演化過程中的臨界特征。因此，不同尺度上的不變性和關(guān)聯(lián)性是進行分析的重點，也是建立細(xì)觀和宏觀的基礎(chǔ)和橋梁，在一定程度上解決弱膠結(jié)類巖石的結(jié)構(gòu)性問題。

2 弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征及表征方法

弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗是其細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取、細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)大數(shù)據(jù)庫建立以及細(xì)觀特征表征方法的必要技術(shù)手段，是研究其細(xì)觀力學(xué)機制演化、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)演化、細(xì)觀模型的建立以及相應(yīng)的理論研究工作的基礎(chǔ)。因此，弱膠結(jié)類巖石材料細(xì)觀顆粒連接結(jié)構(gòu)檢測、方法與設(shè)備的研發(fā)是必不可少的。

2.1 膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)測試技術(shù)

目前，觀測巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)主要的技術(shù)手段為QEMSCAN掃描電鏡［3］、SEM掃描電鏡［3］、光學(xué)細(xì)觀鏡、X光衍射技術(shù)、高速射影技術(shù)、T式顯微鏡技術(shù)［3］以及CT掃描技術(shù)［15-17］等等。通過QEMSCAN掃描電鏡對弱膠結(jié)粗粒砂巖進行測試分析結(jié)果如圖2所示。

通過圖3可以看到細(xì)觀結(jié)構(gòu)主要以不同成分的礦物顆粒（集合體）、膠結(jié)物質(zhì)以及孔隙3部分共同組成了細(xì)觀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，顆粒之間主要以粘土膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用為主。同時可以測得其礦物成分的含量，如圖3所示。通過SEM掃描電鏡對弱膠結(jié)粗粒砂巖進行測試的結(jié)果如圖4所示，弱膠結(jié)砂巖以顆粒為基本骨架，此骨架結(jié)構(gòu)多孔隙、松散而均勻，細(xì)粘粒排列不均勻且隨機分布。粘接粘粒依附在顆粒表面，主要為薄膜狀或在顆粒之間的接觸點上，對顆粒之間的接觸方式起膠結(jié)作用。弱膠結(jié)砂巖的顆粒排列隨機而缺失結(jié)構(gòu)單元的定向性，顆粒邊界較明顯，顆粒圓度較差，顆粒間為面接觸到凹凸接觸，結(jié)構(gòu)松散，顆粒之間的排列接觸主要以凝聚型為主。同時，通過SEM掃描電鏡的能譜分析還可以定量得到弱膠結(jié)粗粒砂巖的元素組成。

通過細(xì)觀測試技術(shù)可以得到弱膠結(jié)類巖石定量的成分分析數(shù)據(jù)，可以定性地描述其顆粒和膠結(jié)物質(zhì)特征及作用方式。目前，主要以獲得的二維圖像進行后處理的方式對弱膠結(jié)類巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進行定量化的提取和表征。

2.2 膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征方法

通過掃描電子顯微鏡得到的圖像信息，可以對弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)進行定量的分析。弱膠結(jié)類巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取主要是顆粒特征、膠結(jié)特征（顆粒間的接觸特征）以及顆粒和膠結(jié)物質(zhì)組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特征三大部分。文獻［17］通過對顆粒個體形態(tài)采取簡化方法，對礦物顆粒（礦物集合體）的大小、形狀、分布特征及含量特征等細(xì)觀構(gòu)造參數(shù)定量提取，這些研究主要通過統(tǒng)計學(xué)的手段研究發(fā)現(xiàn)了顆粒的形態(tài)雖然是細(xì)觀的，但對宏觀力學(xué)性質(zhì)卻有重要的影響［18］。但是，弱膠結(jié)類巖石由大量的顆粒膠結(jié)而成，顆粒間的膠結(jié)程度是影響其宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。目前，CT技術(shù)的引入實現(xiàn)了無擾動、連續(xù)三維探測，趙陽升等［15］通過高精度細(xì)觀CT試驗技術(shù)，測試花崗巖熱破裂特征的細(xì)觀研究，鞠楊等［16］分析了單軸壓縮下不同含石率土石混合體變形破壞時的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特征。目前以CT技術(shù)獲得的實驗和結(jié)果數(shù)據(jù)來看，分析膠結(jié)類砂巖微細(xì)觀的細(xì)節(jié)以及單獨顆粒尺度時精度存在局限性。

針對現(xiàn)有測試手段對細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)提取及其描述方法存在一定的盲目性，在沒有尋找到主控因素的前提下，盲目性是必然存在的，基于大數(shù)據(jù)概念的迅速發(fā)展，在未能獲知那些具體的參數(shù)將如何影響弱膠結(jié)類巖石宏觀力學(xué)性能的前提下，建立弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀顆粒和膠結(jié)物質(zhì)特征參數(shù)大數(shù)據(jù)庫，制定盡可能統(tǒng)一的研究試樣制作標(biāo)準(zhǔn)及特征參數(shù)提取或表達的規(guī)范，集合大家的研究力量不失為一條有力的研究思路。膠結(jié)類巖石顆粒的三維形態(tài)、顆粒連接的結(jié)構(gòu)形態(tài)以及顆粒和膠結(jié)物質(zhì)組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到目前為止還無法進行可靠和準(zhǔn)確的測定，特別是直接測定還存在很大的技術(shù)困難。

3 弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

基于弱膠結(jié)類巖石材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析，將弱膠結(jié)類巖石的骨架結(jié)構(gòu)分為由顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)2部分組成。弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征與土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)有很大的相似性，當(dāng)然從顆粒和膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)程度來講，弱膠結(jié)類巖石的膠結(jié)程度要遠(yuǎn)大于土的膠結(jié)程度，因此，弱膠結(jié)類巖石的力學(xué)強度要明顯高于土的力學(xué)強度。然而，土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)分析可為弱膠結(jié)砂巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)分析提供借鑒思路。

沈珠江院士根據(jù)土的結(jié)構(gòu)性提出的二元介質(zhì)的荷載分擔(dān)模型［19］，顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)的荷載分擔(dān)亦可以理想化為并聯(lián)模式、串聯(lián)模式和混合模式3種［20］，如圖5所示。研究得到：加載初期顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)在膠結(jié)作用下，砂巖結(jié)構(gòu)能承受大部分的荷載，以并聯(lián)的模式進行荷載分擔(dān)，隨著膠結(jié)物質(zhì)的破壞，顆粒間接觸特性改變，荷載分擔(dān)更接近于串聯(lián)模式［20］。通過顆粒力鏈理論的研究也證明了顆粒荷載分擔(dān)更近于串聯(lián)模式，同時，也證明了巖土材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

為了進一步研究顆粒與膠結(jié)物質(zhì)間的力學(xué)相互作用關(guān)系，文獻［21］定義一個新的內(nèi)參量，即代表單元內(nèi)局部應(yīng)力系數(shù)，推算出破損參數(shù)B的表達式，破損參數(shù)B的物理意義為代表性單元內(nèi)膠結(jié)物質(zhì)所分擔(dān)的應(yīng)力與代表性單元的宏觀應(yīng)力的比值，由此，反映出B越大膠結(jié)顆粒破損越嚴(yán)重［21-22］。

通過對二元介質(zhì)的荷載分擔(dān)模型的研究可以推斷出：當(dāng)B=0時，膠結(jié)物質(zhì)沒有發(fā)生破壞，砂巖結(jié)構(gòu)依然為近連續(xù)介質(zhì)；當(dāng)B=1時，考慮顆粒破碎，砂巖結(jié)構(gòu)完全破壞。因此，必然存在某一臨界B值，0＜B＜1膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生破壞，而顆粒物質(zhì)尚未破壞，顆粒處于離散狀態(tài)，此時巖土材料處于一類臨界狀態(tài)［3］。因此，弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀顆粒剛度比、顆粒間的摩擦系數(shù)、膠結(jié)剛度、顆粒粒徑分布、膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)半徑、膠結(jié)量以及剪切過程中的加載速率等細(xì)觀構(gòu)造參數(shù)的變化，對弱膠結(jié)類巖石顆粒和膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)特性有重要的影響，決定了其宏觀力學(xué)性質(zhì)。

4 弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀構(gòu)造參數(shù)對其力學(xué)強度影響

弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對宏觀力學(xué)特性的影響主要采用離散元數(shù)值分析方法進行研究，因為改變細(xì)觀結(jié)構(gòu)中任何一個參數(shù)，對弱膠結(jié)類巖石的宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響程度差異性較大，而要研究所有細(xì)觀構(gòu)造參數(shù)對宏觀力學(xué)性質(zhì)的綜合影響值，需要進行大量的試驗［23］。顯然，目前通過巖石試件基本力學(xué)實驗或者原位實測很難實現(xiàn)。相反，離散元數(shù)值計算在這方面具有突出的優(yōu)點。雖然離散元數(shù)值計算的結(jié)構(gòu)還不能準(zhǔn)確達到定量的水平，但是離散元數(shù)值分析方法特別適用于分析各種細(xì)觀因素的影響規(guī)律。

基于顆粒間的接觸方式和膠結(jié)特性，研究學(xué)者主要采用平行粘接模型對弱膠結(jié)類巖石進行離散元數(shù)值分析。文獻［23-26］利用PFC離散元數(shù)值分析方法對通過膠結(jié)類巖石細(xì)觀顆粒剛度比、顆粒間的摩擦系數(shù)、膠結(jié)剛度、顆粒粒度分布、膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)半徑、膠結(jié)量以及剪切過程中的加載速率等細(xì)觀構(gòu)造參數(shù)的變化，研究剪切過程中砂巖體應(yīng)力比、配位數(shù)和粘結(jié)破壞數(shù)隨軸向應(yīng)變變化的關(guān)系曲線。膠結(jié)砂巖kn/ks變化時應(yīng)力比—軸向應(yīng)變曲線，如圖6所示。

接觸顆粒的接觸法向剛度越小，則法向剛度kn與切向剛度ks的比值越小，即顆粒接觸剛度比越小，砂巖破壞時表現(xiàn)的脆性越明顯，宏觀力學(xué)參數(shù)中初始切向模量也越大，達到峰值應(yīng)力時，峰值應(yīng)力比對應(yīng)的軸向應(yīng)變也越小［23］。說明隨著kn/ks的減小，顆粒接觸的切向剛度是增大的，膠結(jié)砂巖表現(xiàn)越脆。相反，顆粒接觸剛度比kn/ks越大，砂巖發(fā)生明顯的延性破壞。另外，配位數(shù)是衡量顆粒接觸的一個重要指標(biāo)，配位數(shù)表征了每個顆粒與其周圍顆粒的平均接觸數(shù)，它是在空間上描述作用鏈的分布特征，并與宏觀應(yīng)力有密切關(guān)系。膠結(jié)砂巖kn/ks變化時配位數(shù)—軸向應(yīng)變曲線［23］如圖7所示。

配位數(shù)隨著kn/ks的增大而減小，且切向剛度的增加，砂巖表現(xiàn)出的脆性更明顯，顆粒配位數(shù)在砂巖應(yīng)力比達到峰值前達到最大值，說明此時顆粒之間的接觸性最好，而達到應(yīng)力峰值后顆粒配位數(shù)迅速下降，顆粒之間的接觸性變差，顆粒之間的接觸由半接觸狀態(tài)向瞬時接觸轉(zhuǎn)變。

弱膠結(jié)類巖石內(nèi)部顆粒介質(zhì)均不同于液態(tài)和固態(tài)材料，但由于外部環(huán)境變化時卻又分別表現(xiàn)出類似于固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的動力特性，并可發(fā)生類固液相態(tài)轉(zhuǎn)變，如弱膠結(jié)砂巖剪切砂化、應(yīng)力擾動離散以及沙丘成拱等。有關(guān)顆粒介質(zhì)在不同材料特性和外界驅(qū)動條件下的固液相變過程及其力學(xué)行為是目前顆粒材料研究的一個熱點問題［12-13］。季順迎等［27］采用三維離散元方法對非均勻顆粒材料的類固液相變過程，特別是其相變過渡區(qū)內(nèi)的基本行為特征進行數(shù)值模擬，得出具有普適性的顆粒材料運動規(guī)律，通過分析顆粒材料在相變過程中宏觀應(yīng)力、配位數(shù)、接觸時間、顆粒群單元和有效摩擦系數(shù)等參量的變化，較全面地揭示顆粒材料在相變過程中的基本行為特征。季順迎［12］還采用三維離散元方法對不同切變速率和密集度下顆粒介質(zhì)的動力學(xué)行為進行了數(shù)值模擬，確定了顆粒材料在類固液相變過程中接觸時間數(shù)和配位數(shù)的參數(shù)特性和演化過程，并結(jié)合宏觀應(yīng)力的分布特性，進一步確定了顆粒介質(zhì)在液態(tài)和固態(tài)相互轉(zhuǎn)化中的動力學(xué)機理。

基于弱膠結(jié)類巖石微細(xì)觀顆粒和膠結(jié)物質(zhì)的組成特點，除微細(xì)觀的單顆粒尺度和宏觀巖石尺度外，細(xì)觀尺度的力鏈?zhǔn)穷w粒接觸力傳遞的路徑，是存在于巖土內(nèi)的相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體［28-31］。孫其誠等［30］建立了初步的理論研究框架，提出了力鏈網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜動力學(xué)響應(yīng)決定土體復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系的基本設(shè)想。但是對于膠結(jié)類巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)顆粒力鏈理論的研究來講，由于顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用致使膠結(jié)砂巖在外荷載作用下表現(xiàn)出宏觀力學(xué)特性與普通的無粘性砂巖顆粒的力學(xué)性質(zhì)完全不同。因此，從理論分析、物理試驗和顆粒離散元模擬進行研究時必須考慮膠結(jié)物質(zhì)提供的膠結(jié)作用，顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)對砂巖的力學(xué)性質(zhì)有重要的影響，不同粒徑的顆粒間，膠結(jié)物質(zhì)的厚度、膠結(jié)物質(zhì)的成分對膠結(jié)性能有較大的影響。因此，研究分析細(xì)觀因素的變化對膠結(jié)砂巖的宏觀力學(xué)特性的影響，以及受力過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征，對建立弱膠結(jié)類巖石的細(xì)觀物理量與宏觀物理統(tǒng)一關(guān)系具有重要意義［32］，逐漸充實巖土力學(xué)多尺度理論體系，以期取得準(zhǔn)確有效的研究成果。

5 弱膠結(jié)類巖石模型理論分析

弱膠結(jié)砂巖內(nèi)部存在的顆粒界面、膠結(jié)物質(zhì)、微裂紋和孔隙等不連續(xù)缺陷導(dǎo)致其為特殊的各向異性非均質(zhì)材料。傳統(tǒng)研究巖石破壞多建立在均勻、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型上，對弱膠結(jié)砂巖的破裂演化過程及破壞機制難以適用［14］。膠結(jié)類巖石由大量的顆粒和膠結(jié)物質(zhì)組成，形成了非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時造成了性能方面的離散特性。顆粒和膠結(jié)物質(zhì)形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得其性能更難以用經(jīng)典的理論模型去預(yù)測。基于巖石細(xì)觀力學(xué)的發(fā)展和研究巖石細(xì)觀設(shè)備的應(yīng)用，很多科學(xué)家利用一些非線性理論，如耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同論、分形理論、混沌理論、滲流理論、災(zāi)變理論及重正化群理論來研究［3］，新觀點、新理論以及新方法已經(jīng)不同程度地滲入到巖土力學(xué)研究領(lǐng)域。新理論模型在建立過程中應(yīng)遵循的基本原則：應(yīng)能反映膠結(jié)類巖石的顆粒與膠結(jié)物質(zhì)相互作用的力學(xué)效應(yīng)，建立的模型能反映和體現(xiàn)顆粒形態(tài)的影響、顆粒之間作用力的影響以及顆粒和膠結(jié)物質(zhì)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)特性的影響。因此，膠結(jié)類巖石的結(jié)構(gòu)模型體系主要分為：顆粒和膠結(jié)物質(zhì)的實體、顆粒與膠結(jié)物質(zhì)之間的作用規(guī)則以及其狀態(tài)參數(shù)。其中狀態(tài)參數(shù)是描述其細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征的重要內(nèi)容，也是進行其臨界狀態(tài)識別分析的基礎(chǔ)。

分形理論的形成是控制條件的特異性造成的，是在特定條件下，系統(tǒng)有序演化的結(jié)果，是系統(tǒng)的自組織的一種臨界狀態(tài)。謝和平院士［33］提出了采用分形理論描述了孔隙的表面和體積分形，對于不同的巖石存在不同的分形維。同時，分形維是材料破碎過程中的斷裂阻力的一種度量，分形維越小，說明材料越脆。弱膠結(jié)砂巖內(nèi)部粘土膠結(jié)礦物的強度低，為不抗壓不抗拉的擾動敏感的群體顆粒，無論是細(xì)觀膠結(jié)礦物粘粒的破壞，還是到宏觀明顯裂紋的產(chǎn)生，從細(xì)觀結(jié)構(gòu)尺度到宏觀尺度沒有唯一的特征尺度。從宏觀尺度上分析，必然存在某一穩(wěn)定臨界值用以描述的膠結(jié)顆粒群體行為［9-10］，因此，采用重整化群的方法加以描述。周翠英等［9］通過對典型紅層軟巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析，概化出紅層軟巖的骨架構(gòu)件和膠結(jié)物構(gòu)件，建立紅層軟巖的重整化群模型的基本單元，將基本單元進行組合，建立出紅層軟巖的重整化群模型。根據(jù)重整化變換規(guī)則，推導(dǎo)計算出其逾滲閾值。宋朝陽等［3］采用重整化群的方法建立了弱膠結(jié)砂巖重整化群模型，證明了弱膠結(jié)砂巖在受力加載時細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過程中類相變狀態(tài)的存在，并從機理上解釋了弱膠結(jié)砂巖在加載過程中聲發(fā)射高低頻轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。

6 弱膠結(jié)類巖石受力過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化

根據(jù)已有研究對膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的定量分析、細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對宏觀力學(xué)強度的影響分析以及膠結(jié)類巖石的模型理論的分析，弱膠結(jié)類巖石在受力加載初始壓密階段，骨架結(jié)構(gòu)可近似為連續(xù)性固體材料，其變形過程主要以線彈性變形為主，而孔隙部分主要以非線性變形為主，且孔隙部分的壓密有助于增強巖石宏觀變形力學(xué)特性，主要是顆粒之間的膠結(jié)作用可抵抗外部作用。隨著受力的繼續(xù)加載，孔隙壓密階段結(jié)束，骨架結(jié)構(gòu)的顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)二者共同承擔(dān)了總的荷載，隨著應(yīng)變的增大當(dāng)外部作用大于顆粒與膠結(jié)物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的屈服強度，其構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)遵循最小能量原則，率先發(fā)生破壞的為膠結(jié)物質(zhì)，導(dǎo)致膠結(jié)作用喪失，主要依靠顆粒之間的摩擦作用來抵抗外部作用［12］。

弱膠結(jié)類巖石在受力條件下細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過程中顆粒接觸特征分為4個階段：Ⅰ連續(xù)階段、Ⅱ連續(xù)到離散過渡階段、Ⅲ持續(xù)接觸階段、Ⅳ顆粒流動階段。弱膠結(jié)類巖石破壞過程中宏細(xì)觀構(gòu)造參數(shù)變化曲線，如圖8所示。

Ⅰ連續(xù)階段，砂巖內(nèi)部顆粒以持續(xù)接觸為主，因為在此階段內(nèi)砂巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)被壓密，其強度的增加一定程度上是由于靜摩擦力的增大，此時顆粒表現(xiàn)為準(zhǔn)靜態(tài)特點［12］。此時，若荷載消除，其彈性應(yīng)變恢復(fù)，少量的塑性應(yīng)變不可恢復(fù)，顆粒之間依然保持連續(xù)狀態(tài)。

Ⅱ連續(xù)到離散過渡階段，隨著受力加載的繼續(xù)增加，此階段內(nèi)細(xì)觀結(jié)構(gòu)受到的外力超過最大靜摩擦力，由于顆粒間膠結(jié)物質(zhì)強度較低而發(fā)生破壞，局部剪切帶內(nèi)顆粒由連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散狀態(tài)，但在作用荷載下依然保持持續(xù)接觸狀態(tài)。

Ⅲ持續(xù)接觸階段，此階段內(nèi)顆粒之間的配位數(shù)開始明顯下降，顆粒間的半持續(xù)接觸狀態(tài)開始增加，大量顆粒發(fā)生切向運動，且顆粒由靜摩擦狀態(tài)發(fā)展到動摩擦狀態(tài)，顆粒單元動能開始增加，顆粒之間出現(xiàn)明顯的微裂縫和細(xì)觀破裂，顆粒間為動摩擦狀態(tài)［13］，其動摩擦力不增大，運動速度增大，應(yīng)變增大，至此階段砂巖顆粒介質(zhì)表現(xiàn)為固體力學(xué)行為。

Ⅳ顆粒流動階段，此階段內(nèi)顆粒之間配位數(shù)急劇降低，顆粒單元動能增加，說明砂巖內(nèi)部顆粒發(fā)生了滑移、錯動和滾動形式，局部剪切帶內(nèi)顆粒間接觸狀態(tài)以瞬時接觸和無接觸為主，砂巖顆粒表現(xiàn)出一定的流體力學(xué)行為。

弱膠結(jié)類巖石內(nèi)部顆粒的4個接觸階段從顆粒接觸的角度描述了弱膠結(jié)類巖石破壞過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化過程，顆粒從準(zhǔn)靜態(tài)向流動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，即在Ⅳ階段內(nèi)砂巖內(nèi)部顆粒在剪切帶內(nèi)發(fā)生了剪切快速流動過程。

在實際工程應(yīng)用中，必須以細(xì)觀結(jié)構(gòu)理論分析為指導(dǎo)，輔以聲發(fā)射、紅外輻射和電阻率等宏觀測試技術(shù)，建立弱膠結(jié)類巖石臨界強度特征識別方法系統(tǒng)，以期為研究弱膠結(jié)巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)機制與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)性奠定基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

弱膠結(jié)類巖石主要顆粒和膠結(jié)物質(zhì)由壓實或膠結(jié)作用而成，具有多尺度性、多相性以及復(fù)雜性等特點，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的顆粒和膠結(jié)物質(zhì)的物理特性、膠結(jié)特性以及顆粒和膠結(jié)物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對其宏觀力學(xué)性能有重要的影響。

（1）以發(fā)展實驗測試研究技術(shù)為重點，能夠?qū)崿F(xiàn)對膠結(jié)類巖石顆粒的三維形態(tài)、顆粒連接的結(jié)構(gòu)形態(tài)以及顆粒和膠結(jié)物質(zhì)組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠和準(zhǔn)確的測量，建立其細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)大數(shù)據(jù)庫，能夠為弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）采用數(shù)值計算來研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變量對宏觀力學(xué)性質(zhì)的研究時，其模型建立時必須遵循的原則為：反映膠結(jié)類巖石的顆粒與膠結(jié)物質(zhì)相互作用的力學(xué)效應(yīng)、能反映和體現(xiàn)顆粒形態(tài)的影響、顆粒之間作用力的影響以及顆粒和膠結(jié)物質(zhì)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)特性的影響。

（3）弱膠結(jié)類巖石在受力條件下細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過程中顆粒接觸特征可分為Ⅰ顆粒連續(xù)階段、Ⅱ顆粒連續(xù)到離散過渡階段、Ⅲ顆粒持續(xù)接觸階段、Ⅳ顆粒流動階段4個主要階段。

（4）尋求以測試技術(shù)手段為基礎(chǔ)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過程中臨界特征提取與判別方法，以期為研究弱膠結(jié)類巖石細(xì)觀構(gòu)造的定量參數(shù)與宏觀力學(xué)行為的關(guān)聯(lián)性奠定基礎(chǔ)。