水巖作用對巖石剪切行為影響的研究現(xiàn)狀

葉鑫娜

摘 要：巖土工程結(jié)構(gòu)在水-巖相互作用下的安全性和穩(wěn)定性日益成為人們關(guān)注的重要問題。水對巖石強(qiáng)度和其他物理性質(zhì)的影響對于理解本質(zhì)上的變形、破壞等進(jìn)程很重要。水巖作用下巖土工程的安全性和穩(wěn)定性日益成為人們關(guān)注的焦點。

關(guān)鍵詞：水巖作用;剪切特性;機(jī)理分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.192

1 水環(huán)境影響下巖石力學(xué)性能試驗研究

在隧道、采礦和開挖等實際工程中，巖石變形和破壞通常涉及到水。僅水的存在就可能使砂巖的極限強(qiáng)度降低33%。水的存在導(dǎo)致破壞應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感性增大，圍壓越高，破壞應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感性越大;在較低圍壓范圍內(nèi)，濕試塊中應(yīng)變速率對破壞強(qiáng)度的影響比干試塊更明顯，因為水和硅酸鹽反應(yīng)破壞了硅-氧鍵，流體對硅酸鹽巖石的物理性質(zhì)產(chǎn)生意義深遠(yuǎn)的化學(xué)影響應(yīng)變速率的減小增加這一影響并導(dǎo)致強(qiáng)度的減小。應(yīng)力腐蝕機(jī)制輔助下的亞臨界裂紋擴(kuò)展可能對這種隨時間變化的巖石強(qiáng)度起重要作用[1]。

Erguler和Ulusay研究了含水量對巖石力學(xué)參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含水量的增加，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度都有所降低。相似地，Yao HY通過對紅砂巖進(jìn)行干濕交替環(huán)境下的單、三軸試驗進(jìn)行研究。研究表明，相對于沒有經(jīng)過干濕交替作用的干燥試件，經(jīng)過不同次數(shù)的干燥-飽水交替作用后，砂巖的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)數(shù)值均有所減小[2]。E. Z. LAJTAI等人通過多種實驗技術(shù)：抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性的短期標(biāo)準(zhǔn)試驗，臂長試驗，測量蠕變、靜態(tài)疲勞和緩慢裂紋速度的時間依賴性試驗。測試環(huán)境中的水分會導(dǎo)致更大的變形和裂紋擴(kuò)展，從而降低最終（長期）強(qiáng)度[3]。

2 巖石化學(xué)成分機(jī)理分析研究

考慮到水對巖石的作用是一種復(fù)雜的應(yīng)力腐蝕過程，水對巖石產(chǎn)生物理力學(xué)作用之外，還有化學(xué)作用，因而學(xué)者們開展了一系列考慮水巖化損傷作用的試驗研究。結(jié)果表明，砂巖的抗滑摩性主要受孔隙流體離子強(qiáng)度的控制，其次受pH值的控制相同離子濃度的化學(xué)溶液的效果取決于其酸堿度（pH值）[4]。隨著H+濃度的升高和腐蝕時間的延長，化學(xué)反應(yīng)的作用越來越廣泛，使得巖石試樣更加柔軟、韌性更強(qiáng)[3]。在裂紋擴(kuò)展方面，濕巖體的斷裂韌性低于干燥條件下的斷裂韌性，且在潮濕條件下，裂解速度更快。導(dǎo)致變質(zhì)的物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)會增加應(yīng)力腐蝕[5]。熱、應(yīng)力或化學(xué)環(huán)境的良性變化可能會對運輸特性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響某些礦物的自由面型溶蝕作用，通過加深裂縫壁上已有的通道，使裂縫的滲透性增加一個數(shù)量級，使其流體力學(xué)行為發(fā)生變化[6]。

另一方面，巖石的組成對水的危害作用有顯著的影響。對水越敏感的成分，如粘土和淤泥，水的變質(zhì)作用就越大。如果巖石中含有一定數(shù)量的粘土或泥沙，飽和不僅會改變巖石的粘結(jié)力，而且還會改變巖石的基本摩擦角[5]。另一項研究也發(fā)現(xiàn)，巖石在水溶液中活化開裂的表現(xiàn)形式和程度取決于巖石的微觀結(jié)構(gòu)、礦物組成以及溶液的化學(xué)性質(zhì)。

3 干濕循環(huán)對巖石力學(xué)性能影響的研究

近年來，許多研究者采用單軸、三軸試驗對水巖作用對巖石物理力學(xué)特性的影響進(jìn)行試驗，并取得了較為豐富的成果。結(jié)果表明，巖石材料經(jīng)循環(huán)干燥濕潤后，其物理力學(xué)性能均有不同程度的惡化。一些學(xué)者研究了循環(huán)濕潤干燥對巖石斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明，循環(huán)潤濕干燥對砂巖由脆性破壞向韌性破壞轉(zhuǎn)變的破壞特征有明顯的影響[7]。循環(huán)濕潤干燥對裂縫擴(kuò)展半徑有影響，隨著濕潤干燥循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫擴(kuò)展半徑逐漸減小[8]。

另一方面，巖石的組成對水的變質(zhì)作用有重要的影響。它所含的粘土和淤泥等對水敏感的成分越多，水的變質(zhì)作用就越大。它所含的粘土和淤泥等對水敏感的成分越多，水的變質(zhì)作用就越大。對于以石英和長石為主的完整巖石，其水效應(yīng)僅反映在粘結(jié)強(qiáng)度的降低上?；灸Σ两菐缀醪皇苡绊憽．?dāng)巖石中含有一定量的粘土或淤泥時，飽和不僅會改變巖石的粘結(jié)強(qiáng)度，而且還會改變巖石的基本摩擦角。另一項研究中也指出，巖石在水溶液中活化開裂的表現(xiàn)形式和程度取決于巖石的微觀結(jié)構(gòu)、礦物組成以及溶液的化學(xué)性質(zhì)[8]。

4 展望

綜上所述，現(xiàn)有的有關(guān)于水巖作用的影響主要考慮的是其對巖石的與抗壓強(qiáng)度與彈性模量等方面的影響，但是水巖作用對巖體剪切特性所產(chǎn)生的影響到目前為止進(jìn)行的研究十分少見。巖石材料的剪切特性基本參數(shù)是巖石分類、巖石結(jié)構(gòu)設(shè)計和巖石相關(guān)問題分析中的一個重要力學(xué)參數(shù)，具有一定的工程意義。因此，開展水-巖相互作用對巖體剪切特性的影響效應(yīng)研究，對受水巖相互作用影響的巖體工程的穩(wěn)定性分析和預(yù)測具有重要的理論意義與應(yīng)用價值。

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