李桂臣,李菁華,孫元田,孫長倫,許嘉徽,榮浩宇,楊 森,沃小芳,盧忠誠

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

泥質(zhì)巖是分布最廣泛的巖石，約占全球沉積巖的50%。根據(jù)沉積巖分類研究，泥質(zhì)巖定義為泥級(jí)礦物含量(<0.005 mm)大于50%的沉積巖，主要包括泥巖、頁巖、板巖、泥板巖等，并在一般情況下簡稱為泥巖。在水電、橋隧、道路、采礦等工程中，泥巖是一類常見施工對(duì)象。泥巖承載穩(wěn)定性差，遇水力學(xué)性能劣化顯著；巖土工程與地下巖石工程中往往由于局部泥巖承載失效，而引起工程的整體災(zāi)變。

陳宗基院士在20世紀(jì)80年代便指出，膨脹性泥巖在隧洞中是一個(gè)嚴(yán)重的問題，需要深入開展災(zāi)變機(jī)理研究。數(shù)十年來，針對(duì)泥巖工程體長期蠕變誘發(fā)工程失穩(wěn)問題，學(xué)者們基于應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系方面展開深入研究。其中，引入含應(yīng)力閾值的黏塑性元件改造經(jīng)典蠕變本構(gòu)模型，廣泛應(yīng)用于泥巖加速流變行為特性研究方面。但是，長期工程實(shí)踐中學(xué)者逐漸發(fā)現(xiàn)，承載泥巖的強(qiáng)塑性剪切破壞行為與礦物組分密切相關(guān)，而不同工程中泥巖層礦物組分往往差異較大。因此，部分學(xué)者提出將泥巖視作彈塑性泥性成分與線彈性/彈塑性碎屑礦物構(gòu)成的非均質(zhì)材料，并通過納/微米壓痕儀器等設(shè)備分析泥巖礦物組分的細(xì)觀力學(xué)特性。借助于顆粒流數(shù)值計(jì)算方法，部分學(xué)者側(cè)重從顆粒膠結(jié)角度考慮泥巖細(xì)觀特性，開展泥巖礦物顆粒間接觸力及膠結(jié)狀況研究工作。另一方面，何滿潮院士等指出，煤系泥巖巷道的復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制，關(guān)鍵因素是泥質(zhì)成分中的黏土礦物特征。特別在泥巖災(zāi)害防治技術(shù)中，黏土礦物的物理化學(xué)特性是注漿改性技術(shù)、電化學(xué)改性技術(shù)的研發(fā)基礎(chǔ)。因此，近些年來土壤領(lǐng)域與選礦領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)測定與模擬方法被逐漸引入，開展黏土礦物晶胞模型具化與宏觀測定試驗(yàn)工作，探究工程環(huán)境下黏土礦物的物理化學(xué)性質(zhì)。

泥巖的泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%，碎屑間以泥質(zhì)膠結(jié)為主。當(dāng)蒙脫石、高嶺土和伊利石等黏土礦物作為主要泥質(zhì)成分時(shí)，富水環(huán)境的泥巖工程體往往具有較高的災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究表明，黏土礦物晶胞在水化學(xué)溶液中發(fā)生強(qiáng)烈的水分子吸附行為，促使晶胞在層疊方向上顯著膨脹；同時(shí)，黏土顆粒整體帶有固定負(fù)電荷；水溶液中黏土顆粒表面往往形成擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu)，誘發(fā)黏土礦物顆粒相互遠(yuǎn)離；在晶胞結(jié)構(gòu)及顆粒物理性質(zhì)雙重因素下，黏土礦物遇水后顯著泥化膨脹。相比于微細(xì)觀黏土礦物水化特性，泥巖宏觀水化特性研究成果比較豐富和全面。相關(guān)研究基于不同含水率試件的經(jīng)典力學(xué)試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了水對(duì)泥巖經(jīng)典力學(xué)參數(shù)的劣化特性。部分學(xué)者聚焦泥巖吸水膨脹宏觀特征，構(gòu)建半經(jīng)驗(yàn)型吸水膨脹本構(gòu)模型及吸水膨脹過程的蠕變本構(gòu)模型；并用于工程尺度泥巖流-固耦合控制方程中。部分團(tuán)隊(duì)為獲取更真實(shí)的泥巖熱-流-固耦合特性，還開展了注水、注熱現(xiàn)場工程試驗(yàn)，真實(shí)記錄工程尺度下泥巖地質(zhì)體的熱-流-固耦合行為。

綜上可見，泥巖工程體長期蠕變致災(zāi)、富水環(huán)境孕災(zāi)的機(jī)理及防治研究，尺度從現(xiàn)場工程(km)到微小晶胞(nm)不等，并各自形成了獨(dú)特的研究體系與方法。鑒于目前仍缺乏泥巖多尺度研究的系統(tǒng)回顧與描述，筆者在前人研究成果基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場工程的研究對(duì)象與聚焦因素，界定泥巖研究的多尺度概念，闡明不同尺度下泥巖的研究模型和物理力學(xué)、物理化學(xué)特性，展望泥巖多尺度特性的研究方法與潛在應(yīng)用。

1 泥巖多尺度特性概念界定

王思敬院士在巖石工程地質(zhì)力學(xué)原理講座中指出，學(xué)科問題的深化研究應(yīng)當(dāng)綜合多個(gè)尺度。在泥巖特性研究過程中，國內(nèi)外學(xué)者形成了多種尺度劃分標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)國際化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn)，泥巖流動(dòng)特性研究通常將孔裂隙結(jié)構(gòu)劃分為大孔(>50 nm)、中孔(2～ 50 nm)和微孔(<2 nm)，分別描述宏觀層流(紊流)、細(xì)觀擴(kuò)散和微觀吸附。在黏土微觀結(jié)構(gòu)研究中，依據(jù)不同結(jié)構(gòu)層次的基本單元，定義晶胞、礦物顆粒及顆粒團(tuán)聚體3個(gè)研究層面。DELAGE基于結(jié)構(gòu)層次性將黏土孔隙劃分為晶層間孔、微孔(顆粒間)及大孔(團(tuán)聚體間)。王光謙和孫其誠基于顆粒-巖體的關(guān)聯(lián)機(jī)理定義尺度概念，將顆粒和巖體分別視為微觀與宏觀對(duì)象，將顆粒間的力鏈結(jié)構(gòu)視為細(xì)觀對(duì)象。在飽水黏土壓縮特性研究中，況聯(lián)飛等根據(jù)水分子的賦存機(jī)理劃分研究尺度；提出在晶胞、顆粒及團(tuán)聚體3個(gè)微觀結(jié)構(gòu)層面上，分別研究晶層間結(jié)合水、顆粒板間微觀結(jié)構(gòu)力、團(tuán)聚體間自由水。損傷力學(xué)根據(jù)結(jié)構(gòu)單元尺寸，將損傷劃分為晶胞結(jié)構(gòu)微觀損傷、微裂紋細(xì)觀損傷和宏觀裂紋宏觀損傷。

學(xué)者們根據(jù)研究對(duì)象與目的，分別給出了相應(yīng)的研究尺度劃分標(biāo)準(zhǔn)。在巖土工程與地下巖石工程中，泥巖變形力學(xué)機(jī)制與水巖相互作用是重點(diǎn)研究對(duì)象。在變形力學(xué)機(jī)制方面，一般認(rèn)為泥巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，具有強(qiáng)度低、流變明顯等特點(diǎn)；相關(guān)研究多聚焦承載泥巖的流變特征與礦物組分間相互作用，屬于力學(xué)響應(yīng)和顆粒膠結(jié)層次。在水巖相互作用方面，不僅涉及水對(duì)礦物顆粒連結(jié)強(qiáng)度的弱化，還涉及黏土礦物與水的物理化學(xué)反應(yīng)；相關(guān)研究聚焦顆粒間接觸力和晶胞的物理化學(xué)特性，屬于顆粒膠結(jié)和晶胞性質(zhì)研究。

因此，工程背景下的泥巖研究尺度定義，可以從宏觀-巖體、細(xì)觀-顆粒、微觀-晶胞3個(gè)層面展開，具體如圖1所示。宏觀定義為毫米(mm)尺度以上的泥巖，主要包括孔裂隙(>1 mm)和巖體基質(zhì)；宏觀最小結(jié)構(gòu)代表單元(macro-SREV)要求能夠反映力學(xué)強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變特性。細(xì)觀定義為孔裂隙(<1 mm)與礦物材料；細(xì)觀最小結(jié)構(gòu)單元(meso-SREV)為不同礦物材料形成的聚合體。微觀定義為不同礦物組分的晶胞單元；微觀最小結(jié)構(gòu)單元(micro-SREV)為晶胞及超晶胞結(jié)構(gòu)體(< 10 nm)。3個(gè)層面分別聚焦力學(xué)響應(yīng)特性、顆粒膠結(jié)特性和晶胞物理化學(xué)特性。

圖1 泥巖多尺度概念模型[28]Fig.1 Conceptual model of multiscale structure in mudstone[28]

2 泥巖多尺度行為特性及模型構(gòu)建

2.1 泥巖宏觀物理力學(xué)特性

泥巖力學(xué)性能普遍較差，在工程巖體中屬于軟弱巖體。表1列舉了部分泥巖與硬巖的基本力學(xué)參數(shù)。由表1可見，相比于砂巖和花崗巖，泥巖具有高泊松比、低力學(xué)強(qiáng)度特征。相關(guān)研究認(rèn)為這與泥巖礦物組分特征有關(guān)。在工程實(shí)踐過程中，筆者測定了多個(gè)礦區(qū)的泥巖組分。表2匯總了筆者與其他學(xué)者的泥巖組分測定結(jié)果。由表2可知，高嶺土、蒙脫石、伊利石等黏土礦物通常是泥巖主要成分。在ARMAND等的一系列實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)泥巖的楊氏模量隨黏土含量增高而降低。筆者通過制備泥巖物理相似模擬試樣，定量研究巖體力學(xué)性質(zhì)與礦物含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著黏土礦物含量升高，試件單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量弱化，塑性能力增強(qiáng)，發(fā)生更強(qiáng)烈的變形。

另一方面，工程中泥巖具有顯著流變特性。準(zhǔn)確反映巖石力學(xué)響應(yīng)特性的本構(gòu)模型，一直是巖體流變特性研究的重點(diǎn)。目前，巖體流變本構(gòu)主要基于組合元件、經(jīng)驗(yàn)公式、內(nèi)時(shí)理論及損傷理論模型開展研究。內(nèi)時(shí)理論模型基于熱力學(xué)約束條件，考慮應(yīng)力加載歷史對(duì)塑性變形的影響，推導(dǎo)嚴(yán)格的理論本構(gòu)模型。組合元件方法一般基于Burgers模型和Bingham模型(圖2，圖中，為應(yīng)力；為應(yīng)變；為彈性系數(shù)；為屈服極限應(yīng)力；為黏性系數(shù)；下標(biāo)(=1，2)代表分量或不同組件)，進(jìn)一步引入設(shè)置閾值的黏塑性元件與非線性牛頓體元件，具有形式簡單、易于構(gòu)建等優(yōu)點(diǎn)。損傷本構(gòu)模型研究中，一般在本構(gòu)模型基礎(chǔ)上引入損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)，來描述巖體變形過程中的強(qiáng)度劣化。在力學(xué)響應(yīng)方面，經(jīng)典強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則足以描述泥巖的破壞。但是，在水化學(xué)環(huán)境中，泥巖具有遇水崩解、泥化、承載性能劣化等特性。因此，工程中泥巖的破壞機(jī)理，往往還需要綜合考察物理化學(xué)因素。

表1 典型泥巖和硬巖基本力學(xué)參數(shù)

表2 部分礦區(qū)煤系泥巖礦物組分

圖2 巖石材料經(jīng)典蠕變本構(gòu)模型Fig.2 Classical creep constitutive model of rock

2.2 泥巖細(xì)觀物理力學(xué)特性

根據(jù)研究思路與研究手段的不同，巖體材料細(xì)觀尺度研究聚焦為2類：① 顆粒膠結(jié)；② 復(fù)合材料。顆粒膠結(jié)研究將巖體處理為復(fù)雜顆粒體系，研究顆粒間膠結(jié)問題。復(fù)合材料研究將巖體視為不同礦物材料的聚合體，研究不同礦物間應(yīng)力-應(yīng)變協(xié)同關(guān)系。

..泥巖顆粒膠結(jié)模型

近些年來，學(xué)者們逐漸將宏觀巖土材料處理為礦物顆粒聚合體。沈珠江院士最早提出用于土體的顆粒-膠結(jié)物二元介質(zhì)模型。但不同于土體，泥巖是黏土礦物和碎屑礦物組成的非均質(zhì)體。根據(jù)成巖特征與礦物組分特性，泥巖可處理為黏土顆粒、碎屑礦物顆粒及顆粒間孔隙；不同礦物顆粒間通過膠結(jié)作用相互黏合。相關(guān)研究根據(jù)膠結(jié)對(duì)象將膠結(jié)類型簡化為3類，分別為碎屑顆粒間膠結(jié)(膠結(jié)Ⅰ)、黏土顆粒間膠結(jié)(膠結(jié)Ⅱ)、黏土顆粒與碎屑顆粒間膠結(jié)(膠結(jié)Ⅲ)。結(jié)合礦物組分特性對(duì)膠結(jié)特征的影響，可建立如圖3所示泥巖細(xì)觀顆粒膠結(jié)模型。如圖3所示，隨著黏土礦物含量提高，泥巖主要膠結(jié)類型發(fā)生轉(zhuǎn)變。圖3(d)對(duì)應(yīng)泥巖以黏土顆粒膠結(jié)為主(膠結(jié)Ⅲ和膠結(jié)Ⅱ)，碎屑顆粒膠結(jié)類型較少(膠結(jié)Ⅰ)；此時(shí)黏土顆粒與黏土顆粒的膠結(jié)特性(膠結(jié)Ⅱ)，是泥巖的力學(xué)強(qiáng)度差與遇水弱化特性的主控因素。其中，顆粒膠結(jié)力定義為顆粒接觸位置的力與面積之比，具體通過式(1)描述。

(1)

式中，為顆粒間作用力，N；為顆粒接觸面投影圓半徑，m。

當(dāng)顆粒接觸點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到顆粒膠結(jié)極限強(qiáng)度[]，顆粒聚合體發(fā)生破壞。假定單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力均勻施加在顆粒體上，則對(duì)于局部單一膠結(jié)類型區(qū)域的膠結(jié)體強(qiáng)度[]可由式(2)表示。在單軸壓縮過程中，當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)超過主要膠結(jié)體強(qiáng)度[]時(shí)，巖體發(fā)生宏觀破壞。

(2)

式中，膠結(jié)體應(yīng)力；為參與膠結(jié)顆粒的最小半徑，m。

圖3 泥巖顆粒膠結(jié)模型[8]Fig.3 Particle cementation model of mudstone[8]

..顆粒模型下泥巖細(xì)觀接觸特性

顆粒接觸模型是顆粒膠結(jié)模型理論分析與數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)。其中，接觸黏結(jié)模型和平行黏結(jié)模型是較為經(jīng)典的力學(xué)模型；近些年來蔣明鏡團(tuán)隊(duì)發(fā)展的三維完整膠結(jié)接觸模型，綜合考慮法向、切向、彎轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)因素，是目前較為全面反映力學(xué)響應(yīng)的模型。在巖土領(lǐng)域土顆粒研究中，微觀結(jié)構(gòu)測試、顆粒間接觸試驗(yàn)、單顆粒破碎試驗(yàn)、顆粒接觸力檢測常用于測定與建立半經(jīng)驗(yàn)半理論膠結(jié)模型。但是，巖石材料具有顆粒尺度小、顆粒固結(jié)程度高的特點(diǎn)，導(dǎo)致松散土體的接觸力測試方法適應(yīng)性較差，限制了巖石材料膠結(jié)特性的試驗(yàn)校正。

具體研究工作中，學(xué)者們普遍借助離散單元法(DEM)開展機(jī)理探討與數(shù)值分析。顆粒接觸力和顆粒膠結(jié)情況是細(xì)觀特性的關(guān)鍵指標(biāo)?；谄叫叙そY(jié)模型描述泥巖力學(xué)響應(yīng)特性時(shí)，平行黏結(jié)剛度對(duì)顆粒間黏結(jié)受力狀態(tài)有重要影響作用，泥巖變形能力與剛度比系數(shù)(顆粒剛度比/平行黏結(jié)剛度比)正相關(guān)。因此，在承載破壞過程中，泥巖內(nèi)部法向與切向接觸力分布范圍基本不變，表現(xiàn)出較弱的軸向應(yīng)變敏感性。但是，在黏土礦物體積占比超過40%后，巖體承載過程主要發(fā)生黏土顆粒間膠結(jié)斷裂，而碎屑顆粒間膠結(jié)基本不發(fā)生斷裂，具體如圖4所示；黏土對(duì)風(fēng)化/水化作用具有強(qiáng)敏感性，因此風(fēng)化/水化將會(huì)顯著改變局部切向接觸力的分布形式與大小。

黏土分類研究中一般認(rèn)為黏土粒徑上限為2 μm。掃描電鏡圖像(μm)顯示，微米尺度上巖體的顆粒與顆粒仍保持緊密接觸。目前離散元方法研究中，顆粒尺寸通常在微米以上，相較而言仍屬于粗粒模型。同時(shí)，土力學(xué)研究認(rèn)為黏土顆粒間通過范德華力等分子間作用力(nm)連結(jié)，但目前離散元方法中還較難考慮范德華力。因此，精細(xì)化建模研究仍有較大的發(fā)展空間。

圖4 PFC模擬結(jié)果[8]Fig.4 Results in PFC[8]

2.2.3 泥巖復(fù)合材料模型

近些年來，借助掃描電鏡(SEM)(圖5(a))、能譜儀(EDS)(圖5(b))、原子力顯微鏡(AFM)(圖5(c))和X-ray層析成像掃描儀(CT)等先進(jìn)儀器，發(fā)現(xiàn)巖體礦物具有可測的空間分布結(jié)構(gòu)。因此，學(xué)者進(jìn)而將細(xì)觀尺度巖體視為可應(yīng)用彈塑性理論的礦物材料復(fù)合體。YU等基于XRD礦物分析結(jié)果和孔隙率推算值，構(gòu)建出考慮孔隙率的三維礦物材料復(fù)合模型。時(shí)賢等根據(jù)微米尺度礦物強(qiáng)度，將復(fù)雜組分簡化為高強(qiáng)度、中強(qiáng)度和低強(qiáng)度3類，建立頁巖細(xì)觀三相復(fù)合模型，并基于Mori-Tanaka方法分析宏細(xì)觀力學(xué)特性。韓強(qiáng)等在10～10m尺度上建立了多孔黏土夾雜非黏土礦物復(fù)合材料模型，通過顆粒堆疊模型描述多孔黏土相，基于D-P準(zhǔn)則均勻化理論描述非黏土相夾雜材料的強(qiáng)度特性。筆者考慮黏土礦物、非黏土礦物和孔裂隙，建立泥巖兩相復(fù)合材料模型，并基于平行、豎直兩相材料模型(Voigt and Reuss模型)描述宏細(xì)觀力學(xué)特性。根據(jù)表3可以看到，復(fù)雜三維礦物材料復(fù)合模型準(zhǔn)確度較高，但空間構(gòu)造復(fù)雜(圖5(d))，適合有限元數(shù)值分析。其他模型形式簡單且誤差尚可接受，有潛力用于細(xì)觀物理本構(gòu)的分析研究。

表3 不同模型計(jì)算準(zhǔn)確度

圖5 泥巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征方法[28,44-45,48]Fig.5 Characterization method of mesoscopic properties of mudstone[28,44-45,48]

..復(fù)合材料模型下泥巖細(xì)觀力學(xué)特性

通過定義復(fù)合材料模型的細(xì)觀彈性模量、蠕變、屈服強(qiáng)度等力學(xué)概念，可以將彈塑性理論引入到細(xì)觀力學(xué)特性研究中。目前，微米/納米壓痕設(shè)備廣泛應(yīng)用于巖石細(xì)觀力學(xué)參量表征。在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)壓入載荷-壓入深度(-)測試曲線，可反演得到接觸剛度、壓入硬度和壓入折合彈性模量；基于不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可反算測定材料的細(xì)觀彈性模量、斷裂韌性。泥巖作為碎屑物與膠結(jié)體構(gòu)成的礦物集合體，具有顯著的多相材料復(fù)合特性，導(dǎo)致測定的細(xì)觀彈性模量數(shù)據(jù)具有明顯的離散性。圖6(a)為基于納米壓痕數(shù)據(jù)繪制的彈性模量分布云圖。由圖6(a)可見，彈性模量數(shù)據(jù)集具有連續(xù)分布特點(diǎn)，導(dǎo)致礦物組分可區(qū)分度低，難以判斷具體礦物的彈性模量。針對(duì)泥巖細(xì)觀力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性，學(xué)者們提出采用混合高斯模型，對(duì)細(xì)觀彈性模量分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖6(b))，如式(3)兩相混合高斯模型。部分學(xué)者還定義了三相混合高斯模型，以支撐泥巖三相復(fù)合材料模型的構(gòu)建。但是，混合高斯模型只能用于描述非均質(zhì)性，而無法解決具體礦物細(xì)觀參數(shù)的辨識(shí)難題。

圖6 泥巖細(xì)觀彈性模量納米壓痕測試[50,53]Fig.6 Mesoscopic elastic modulus of mudstone in Nephogram test[50,53]

(3)

式中，(meso)為泥巖細(xì)觀彈性模量概率分布密度函數(shù)；meso為泥巖表面點(diǎn)細(xì)觀彈性模量測定值，GPa；，，為擬合參數(shù)，為相，=1,2。

基于納米壓痕測試數(shù)據(jù)，學(xué)者們結(jié)合泥巖復(fù)合材料模型進(jìn)一步討論了強(qiáng)度特征。根據(jù)玻氏壓頭與立方體壓頭的試件硬度測試值之比，可反算泥質(zhì)復(fù)合材料的內(nèi)摩擦角和黏聚力，進(jìn)而可借助M-C破壞準(zhǔn)則描述強(qiáng)度特征。韓強(qiáng)等通過有限元反算法獲取內(nèi)摩擦因數(shù)α和黏聚力，進(jìn)而借助D-P準(zhǔn)則表征強(qiáng)度。復(fù)合材料模型下細(xì)觀與宏觀的力學(xué)行為具有相似性。單相礦物在納米壓痕作用下呈現(xiàn)出流變特性。納米壓痕蠕變?cè)囼?yàn)通常持續(xù)2～3 min，遠(yuǎn)小于宏觀蠕變?cè)囼?yàn)的時(shí)間尺度，但研究表明Burgers模型與Kelvin模型在細(xì)觀尺度上仍能很好地描述細(xì)觀流變特性與彈性后效現(xiàn)象；并發(fā)現(xiàn)細(xì)觀蠕變特性與有機(jī)質(zhì)、黏土等軟弱組分有密切關(guān)系。

將非連續(xù)問題轉(zhuǎn)化為連續(xù)問題，是復(fù)合材料模型的基本思想。目前相關(guān)分析多依據(jù)Eshelby夾雜理論，將不連續(xù)孔裂隙與應(yīng)力-應(yīng)變場均勻化。但是，泥巖復(fù)合材料模型表征與分析依賴于宏觀連續(xù)介質(zhì)理論模型。同時(shí)，相關(guān)分析往往聚焦整體力學(xué)響應(yīng)，或偏重于用宏觀理論解釋細(xì)觀行為，而缺乏由細(xì)觀特性到宏觀力學(xué)特性的探索。

2.3 泥巖微觀礦物與物理化學(xué)特性

礦物物理化學(xué)特性依賴于元素構(gòu)成及晶胞結(jié)構(gòu)。目前，在晶胞結(jié)構(gòu)分析方面具有成熟的X射線衍射峰分析方法，晶胞物理化學(xué)性質(zhì)研究方面還缺乏直觀的實(shí)驗(yàn)手段，相關(guān)研究多借助數(shù)值計(jì)算。根據(jù)泥巖主要物理化學(xué)性質(zhì)與力學(xué)特性，此處以蒙脫石、伊利石和高嶺土為代表，介紹泥巖礦物的微觀模型及其物理化學(xué)特性。

..礦物微觀模型

空間群、晶系、元素、大小與形狀參數(shù)，是礦物晶胞結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)。晶胞結(jié)構(gòu)是最小基本重復(fù)單元，基于晶胞結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建出超晶胞結(jié)構(gòu)和晶胞表面模型，進(jìn)而揭示更多物理化學(xué)性質(zhì)。圖7為蒙脫石超晶胞結(jié)構(gòu)、伊利石晶胞結(jié)構(gòu)和高嶺土晶胞表面模型。

圖7 黏土礦物微觀性質(zhì)分析模型Fig.7 Analytical model to microscopic property of clay mineral

由圖7可見，鋁氧四面體(Al片)與硅氧八面體(Si片)是3類黏土礦物的基本單元，并按照一定的排列規(guī)律層疊堆積。其中，Al-Si層疊結(jié)構(gòu)是高嶺土的基本晶層結(jié)構(gòu)，晶層間通過氫鍵強(qiáng)連結(jié)，分子/離子難以進(jìn)入層間；因此，高嶺土研究多集中在晶胞表面性質(zhì)。Si-Al-Si層疊結(jié)構(gòu)是蒙脫石和伊利石的基本晶層結(jié)構(gòu)；但伊利石的晶層間通過K離子形成強(qiáng)連結(jié)，分子/離子同樣不易進(jìn)入層間；而蒙脫石的晶層間形成O-O弱連結(jié)力，分子/離子極易出入晶層間空隙，使得蒙脫石具有較強(qiáng)的吸水特性與離子交換特性。同時(shí)，在伊蒙混層顯著的泥巖微觀特性研究中，往往需要通過組合排列伊利石與蒙脫石晶層，構(gòu)建伊利石-蒙脫石混層超晶胞模型，進(jìn)而分析伊-蒙混層黏土礦物物理化學(xué)性質(zhì)。在礦物成藏相關(guān)研究中，通常構(gòu)建非周期性大體系研究蒙脫石顆粒團(tuán)聚、沉積、交錯(cuò)行為，對(duì)泥化泥巖治理技術(shù)基礎(chǔ)研究方面有潛在的參考價(jià)值。

..微觀物理化學(xué)特性

晶層間、晶胞表面和晶胞端面具有較高的自由能，是物理化學(xué)反應(yīng)的主要場所。晶層間分子/離子擴(kuò)散研究通常基于超晶胞模型開展。在金屬離子置換蒙脫石晶層間Na的模擬研究中，發(fā)現(xiàn)Ba具有較高的置換量但置換速度慢，K置換量低但置換速度快。蒙脫石晶胞層間離子交換實(shí)驗(yàn)表明，不同陽離子具有不同的水化膨脹效應(yīng)；K水化膨脹效應(yīng)最低，Ca離子水化膨脹效應(yīng)最大，且K環(huán)境會(huì)抑制鈉-蒙脫石的水化膨脹。同時(shí)，在金屬離子水溶液環(huán)境中，晶胞邊界端頭的絡(luò)合現(xiàn)象十分顯著。相關(guān)研究通?；陴ね恋V物晶胞模型進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算分析，為土壤重金屬污染與核廢料地下封存提供理論指導(dǎo)。在蒙脫石水化膨脹抑制材料研發(fā)工作中，通常建立晶胞表面模型研究晶胞表面油-水浸潤性，確立抑膨劑對(duì)黏土礦物表面親/疏水性的改性效果。

同時(shí)，微觀晶胞結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)行為特性，與宏觀力學(xué)性能有密切聯(lián)系；但前沿理論研究集中在金屬材料領(lǐng)域，而較少聚焦巖石礦物。自然界中石英晶胞通常以孿晶形式存在，晶胞結(jié)構(gòu)力學(xué)形變特性受到晶界與鍵長的影響；受載時(shí)晶界面容易誘發(fā)應(yīng)力集中與鍵斷裂，部分較長的鍵還將先于晶面產(chǎn)生斷裂。蒙脫石晶胞結(jié)構(gòu)具有顯著的橫觀各向異性，平行晶面方向(，)的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于垂直晶面方向()。但是，黏土礦物晶粒通常小于2 μm，晶胞的宏觀表征能力被弱化；因此無層理泥巖往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的均質(zhì)性特點(diǎn)。

3 泥巖水巖作用多尺度分析

泥巖遇水力學(xué)性能劣化現(xiàn)象尤為顯著，并伴隨黏土泥化膨脹、吸水崩解等物理行為。水分子在泥巖中主要有3種賦存形式：① 晶胞晶層間結(jié)合水；② 黏土顆粒間束縛水；③ 孔裂隙間自由水。水分子的多尺度賦存特性，要求水巖作用機(jī)理研究必須深入到多個(gè)尺度。根據(jù)前文多尺度研究定義，下文分別從微觀晶胞-水作用，細(xì)觀黏土顆粒-水作用以及宏觀水巖作用3個(gè)層次展開。

3.1 泥巖水巖作用微觀尺度分析

對(duì)于大部分泥巖礦物而言，晶胞-水作用以表面吸附為主。水分子表面吸附降低晶胞表面能，使得晶胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹。但是，多數(shù)礦物的吸附膨脹效應(yīng)比較微弱，對(duì)宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響較小。黏土礦物作為復(fù)合鋁-硅酸鹽晶體，晶胞結(jié)構(gòu)由硅片和鋁片交互疊層組成，具有顯著的層疊空間結(jié)構(gòu)特征。其中無水蒙脫石晶胞層間距為0.96 nm，晶層孔隙約0.428 nm，為晶層間結(jié)合水提供了可觀的空間。通過X-ray衍射、中子散射等測試技術(shù)，學(xué)者們定量分析了含水率與層間距的關(guān)系。當(dāng)含水率從9.8%增長到29.4%，鈉-蒙脫石晶胞層間距約從1.20 nm增加到1.58 nm。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，隨著水分子進(jìn)入蒙脫石晶層間，晶胞層疊方向顯著膨脹變形，并在晶層間形成明顯的水分子層(圖8)。當(dāng)晶層間形成1，2，3水分子層時(shí)，晶層間距為1.22～1.28，1.50～1.56，1.81～1.87 nm，對(duì)應(yīng)鋰-蒙脫石晶層間水分子數(shù)量分別為32，64，96個(gè)，鈉-蒙脫石晶層間水分子數(shù)量分別為24，64，112個(gè)，相當(dāng)于每千克蒙脫石含0.1，0.2，0.3 kg水。在況聯(lián)飛研究分析中，當(dāng)水與蒙脫石質(zhì)量比達(dá)到0.5時(shí)，Wyoming黏土和FEBEX黏土晶層間距分別達(dá)到2.00 nm與1.88 nm左右，相應(yīng)的模擬結(jié)果為2.15 nm(晶層間160水分子)，相當(dāng)于晶胞沿層疊方向膨脹95.8%～123.0%。

高嶺土和伊利石晶層間水分子較少，晶胞-水作用主要體現(xiàn)在表面吸附方面。在高嶺土遇水膨脹分析中發(fā)現(xiàn)，高嶺土晶層間強(qiáng)氫鍵連結(jié)阻礙水分子進(jìn)入層間，而晶胞表面的游離價(jià)原子和離子，為水分子提供了大量吸附位。相對(duì)而言，伊利石晶層間結(jié)合力較弱，但晶層間水分子主要圍繞K離子形成水化殼，而較難在晶層內(nèi)廣泛形成結(jié)合水。因此，黏土礦物水化膨脹程度依次呈現(xiàn)為蒙脫石>伊利石>高嶺土。

圖8 蒙脫石晶層間水分子[15]Fig.8 Adsorbed water in the interlayer space of Na-montmorillonite[15]

水分子與晶胞相互作用過程中，晶胞能量、成鍵形態(tài)、離子分布特性均會(huì)發(fā)生較大變化。在水分子進(jìn)入晶層間后，晶胞能量體系中范德華力下降最明顯，表明層間結(jié)合水分子劣化了晶層間連結(jié)力。當(dāng)蒙脫石處于金屬離子環(huán)境中時(shí)，晶層間水分子形態(tài)發(fā)生變化，水分子與金屬離子形成內(nèi)球吸附與外球吸附，抑制水化膨脹程度；因此，部分注漿改性材料中通常考慮加入金屬鹽強(qiáng)化改性效果。黃小娟等針對(duì)鉆井井壁穩(wěn)定性，提出并模擬分析了有機(jī)胺抑制蒙脫石水化機(jī)制，開辟了新的改性材料研發(fā)方向。同時(shí)，在HO等模擬研究中發(fā)現(xiàn)，水化過程中蒙脫石晶胞端面羥基形成的氫鍵會(huì)阻礙水分子進(jìn)入層間，為理解和控制蒙脫石晶胞-水作用提供了新的見解。

3.2 泥巖水巖作用細(xì)觀尺度分析

泥巖礦物組分間的膠結(jié)力主要由黏土礦物提供；如圖9所示，石英、長石等顆粒礦物嵌入在棉絮狀黏土礦物基底中。當(dāng)泥巖遇水后，一方面黏土礦物吸附水分子形成水化膜，原有黏土膠結(jié)變?yōu)樗z連結(jié)；這使得顆粒間連結(jié)力和摩擦力減弱，水分子呈現(xiàn)出潤滑作用。

圖9 泥巖表面形貌(SEM)[15]Fig.9 Surface morphology of mudstone(SEM)[15]

另一方面，黏土顆粒帶負(fù)電荷，水溶液陽離子富集在顆粒表面而形成滲透斥力；這使得黏土顆粒間距離趨于變大，水分子表現(xiàn)出楔入作用。因此，黏土顆粒-水巖作用可大致分為黏土膠結(jié)遇水弱化(潤滑作用)和黏土顆粒遇水膨脹(水楔作用)2部分。根據(jù)土力學(xué)飽水黏土顆粒擴(kuò)散雙電層理論，黏土膠結(jié)力可視為顆粒間引力與斥力。細(xì)觀尺度上黏土顆粒間一般主要考慮范德華力和靜電力。若忽略孔裂隙結(jié)構(gòu)與弱水巖作用的非黏土礦物(石英)，可建立如圖10所示蒙脫石顆粒水化模型。

圖10 蒙脫石顆粒水化模型[53]Fig.10 Hydration model of clay particles[53]

如圖10所示，模型中蒙脫石顆粒由蒙脫石超晶胞構(gòu)成；顆粒作用力由晶胞表面間、晶層離子間的分子間作用力構(gòu)成。顆粒作用力可近似為范德華力與靜電力之和，即

=+

(4)

式中，為顆粒間距離，m；,分別為范德華力和靜電力相關(guān)常數(shù)。

根據(jù)前文分析，蒙脫石顆粒中主要賦存有束縛水和晶層間結(jié)合水。其中，VILLAR等測定了不同含水率FEBEX膨潤土和Wyoming膨潤土的晶層間距；況聯(lián)飛模擬研究了不同晶層間水分子數(shù)量對(duì)應(yīng)晶層間距，模擬結(jié)果與測定結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，晶層間水分子數(shù)量與含水率間基本符合線性關(guān)系。同時(shí)，考慮顆粒間主要由水分子填充，則顆粒間水分子數(shù)量與顆粒間距離為線性關(guān)系。因此，顆粒間距離與含水率可近似為線性關(guān)系，則式(4)可變換含水率的表達(dá)式：

=+

(5)

式中，為顆粒膠結(jié)位置的含水率，%；，為常數(shù)，分別與范德華力和靜電力相關(guān)。

式(5)給出了蒙脫石膠結(jié)體含水率與顆粒膠結(jié)力的關(guān)系模型。但是，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)測試手段還無法有效測定巖體顆粒的接觸力，限制了式(5)的應(yīng)用與校核驗(yàn)證。目前，納米壓痕測試技術(shù)逐漸應(yīng)用于巖石力學(xué)研究。學(xué)者們基于該技術(shù)測定細(xì)觀礦物組分力學(xué)參數(shù)(1～50 μm)。因此，考慮將式(5)變換為蒙脫石膠結(jié)體強(qiáng)度與含水率的關(guān)系模型。一般認(rèn)為黏土膠結(jié)體密度隨含水率增加線性遞減，則顆粒半徑與含水率關(guān)系可通過式(6)進(jìn)行描述。

(6)

式中，()為含水率時(shí)蒙脫石膠結(jié)體顆粒半徑；為固結(jié)蒙脫石膠結(jié)體顆粒半徑；，為水化膨脹相關(guān)常數(shù)。

由式(5)和式(6)可見，隨著含水率增加，顆粒直徑增大，顆粒間相互作用力減小，反映出蒙脫石顆粒的吸水膨脹特性?；?.2.1節(jié)泥巖顆粒膠結(jié)模型考慮細(xì)觀蒙脫石膠結(jié)體，聯(lián)立式(2)，(5)，(6)，并將顆粒初始半徑作為常數(shù)代入，可得到蒙脫石膠結(jié)體強(qiáng)度為

(7)

式中，,為分子間作用力相關(guān)常數(shù)。

式(7)描述了蒙脫石膠結(jié)體強(qiáng)度與含水率的關(guān)系。目前，受制于實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備，巖石膠結(jié)強(qiáng)度測定及細(xì)觀力學(xué)參數(shù)遇水劣化特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，式(7)相關(guān)參數(shù)較難進(jìn)行擬合校驗(yàn)。近期XU等借助納米壓痕技術(shù)率先開展了含水泥巖試樣研究，孫長倫制備不同含水率蒙脫石固結(jié)試件的單軸試驗(yàn)研究，取得了一定的研究成果。但總體而言，細(xì)觀水巖作用實(shí)驗(yàn)方法還需要進(jìn)一步探索，以深刻地探究相關(guān)機(jī)理。

3.3 泥巖水巖作用宏觀尺度分析

在微細(xì)觀尺度上，泥巖水巖作用主要考慮物理化學(xué)效應(yīng)。在宏觀尺度上，不僅需要考慮遇水物理化學(xué)響應(yīng)特性，還需要考慮水壓力對(duì)力學(xué)響應(yīng)特性的影響。根據(jù)已有研究，泥巖宏觀水巖作用可大致分為以下幾方面：① 吸水膨脹；② 遇水泥化/崩解(圖11)；③ 溶蝕/潛蝕；④ 孔隙壓力；⑤ 滲流拖拽力；⑥ 強(qiáng)度劣化。

圖11 泥巖遇水劣化[15]Fig.11 Water-rock interaction of mudstone[15]

..吸水膨脹

(8)

式中，為泥巖吸水膨脹系數(shù)，與礦物組分有關(guān)；Δ為泥巖內(nèi)部含水率變化；為Kronecker記號(hào)。

在實(shí)際地質(zhì)環(huán)境和相關(guān)試驗(yàn)中，泥巖通常受到一定的內(nèi)部和外部約束。因此，一般在應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程中考慮膨脹效應(yīng)。

=2G+[λ-(3+2)Δ]

(9)

式中，為泥巖內(nèi)部應(yīng)力張量，MPa；為剪切模量，MPa；為泥巖內(nèi)部應(yīng)變張量；為拉梅常數(shù)。

基于泥巖無側(cè)限吸水膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果，GROB定義了如式(10)所示的一維無側(cè)限吸水膨脹本構(gòu)模型。相關(guān)學(xué)者基于金尼克條件進(jìn)一步得到三維膨脹本構(gòu)關(guān)系。考慮到泥巖膨脹量與浸水時(shí)間有關(guān)，劉曉麗等通過修正提出了考慮時(shí)間因素的三維非穩(wěn)定膨脹本構(gòu)模型，如式(11)所示。在以上2個(gè)經(jīng)典本構(gòu)模型基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)研究不斷提出修正公式，卻始終未形成統(tǒng)一的試驗(yàn)方法規(guī)范。相比實(shí)驗(yàn)測定的半經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)方程，相關(guān)學(xué)者在連續(xù)介質(zhì)理論與濕度場理論方面同樣做出很多努力，但目前工程實(shí)踐中仍主要參考半經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)模型。

(10)

(11)

式中，為極限膨脹體積應(yīng)變；為時(shí)間，s；為第一應(yīng)力不變量；為極限膨脹應(yīng)力狀態(tài)下第一應(yīng)力不變量；為參數(shù)；為泥巖軸向膨脹應(yīng)變；為泥巖體積膨脹應(yīng)變；為最大膨脹應(yīng)力；為膨脹應(yīng)力；為0.1 MPa膨脹應(yīng)力時(shí)的軸向膨脹應(yīng)變；為泊松比。

332 遇水泥化、潛蝕與強(qiáng)度劣化

根據(jù)擴(kuò)散雙電層理論，黏土礦物遇水后顆粒間形成水化膜；隨著水分子不斷嵌入黏土顆粒間，黏土礦物顆粒間隙增大，微結(jié)構(gòu)遭到破壞、連結(jié)力降低；宏觀上黏土膠結(jié)體泥化，形成細(xì)滑泥狀物。當(dāng)孔隙水具有流動(dòng)性，泥化黏土小顆粒被卷挾帶走，呈現(xiàn)潛蝕現(xiàn)象。在力學(xué)性質(zhì)角度上，泥巖遇水泥化后，內(nèi)部泥質(zhì)連結(jié)弱化為水膠連結(jié)，巖石黏聚力和內(nèi)摩擦角下降；潛蝕過程中泥巖連結(jié)力劣化，巖石強(qiáng)度降低并產(chǎn)生較大變形。在這方面，尹振宇等構(gòu)建了能夠描述土體緩慢潛蝕的數(shù)學(xué)物理模型，主要包括土-水四相物理模型、土粒質(zhì)量守恒與級(jí)配演化方程。

即便沒有明顯泥化與潛蝕，水環(huán)境仍會(huì)明顯劣化巖體力學(xué)性能。相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，泥巖單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、黏聚力隨含水率增加而降低，峰值應(yīng)變隨著含水率增加而增加，延性得到增強(qiáng)。部分學(xué)者通過定義損傷因子建立損傷本構(gòu)模型，并較好地?cái)M合重現(xiàn)了不同含水率泥巖體單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。這表明力學(xué)性能的劣化主要體現(xiàn)在水對(duì)物理結(jié)構(gòu)的侵蝕。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)不同含水率對(duì)泥巖彈塑性能量具有顯著影響；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示含水率越高，泥巖可接受的總能量越低，加載過程耗散能越高，破裂耗散能越低，聲發(fā)射事件率越低；這表明水環(huán)境改變了能量轉(zhuǎn)換形式和應(yīng)力-應(yīng)變行為。因而，宏觀水巖作用不僅需要關(guān)注力學(xué)參數(shù)，還需要關(guān)注應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。

..孔隙壓力與滲流拖拽力

根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力會(huì)降低巖石骨架有效應(yīng)力，如式(12)所示，巖石骨架抗剪能力下降。但是，在非飽和孔隙水狀態(tài)下，巖石骨架間產(chǎn)生空隙水壓力(負(fù))，使巖石骨架有效應(yīng)力增加。當(dāng)孔隙水在水力梯度作用下發(fā)生流動(dòng)，巖石骨架將受到滲流拖拽力(體力)，如式(13)所示。在巖體流固耦合研究中，孔隙壓力和滲流拖拽力是重要耦合因素；針對(duì)該問題學(xué)者們已經(jīng)開展大量研究，這里不進(jìn)行過多贅述。但需要指出的是，相比于其他類型巖石，泥巖微觀結(jié)構(gòu)容易被滲流拖拽力破壞；進(jìn)而誘發(fā)潛蝕作用，使泥巖力學(xué)性能持續(xù)劣化；這在數(shù)值模擬研究中應(yīng)當(dāng)給予足夠的關(guān)注。

=-

(12)

=

(13)

式中，為巖石骨架中的有效應(yīng)力，MPa；為施加在巖體上的總應(yīng)力，MPa；為孔隙流體壓力，MPa；為巖體中的滲流拖拽力，kN/m；為水力梯度；為水體容重，kN/m。

3.4 泥巖水巖作用多尺度體系

煤礦地下巷道圍巖控制系統(tǒng)中，通常包含有厚度不等的煤系泥巖。部分泥巖巷道未遇水前承載性能良好，但遇水后出現(xiàn)強(qiáng)塑性變形、承載性能快速劣化而造成失穩(wěn)；富蒙脫石或伊蒙混層圍巖還會(huì)明顯泥化膨脹，導(dǎo)致巷道斷面急劇縮小。在工程角度上，巷道失穩(wěn)災(zāi)變一般被概述為圍巖應(yīng)力重分布和圍巖結(jié)構(gòu)失效。但在災(zāi)變防控研究中，首先需要明確多尺度水巖作用機(jī)理。基于3.1～3.3節(jié)內(nèi)容，圖12構(gòu)建了泥巖多尺度水巖作用耦合系統(tǒng)，其中，為分子間作用力；為分子間距離；，，為分子性質(zhì)相關(guān)的參量；為通量；(,,,)為匯源項(xiàng)函數(shù)；為支護(hù)阻力；為應(yīng)力加卸載歷史相關(guān)變量；為彈性形變量；為塑性形變量；為阻止圍巖進(jìn)一步變形的最小力；()和()為支護(hù)阻力特性曲線和圍巖收斂變形特性曲線的具體函數(shù)表達(dá)式。為便于介紹與理解，這里依托巷道失穩(wěn)工程背景介紹相關(guān)內(nèi)容。

圖12 泥巖多尺度水巖作用耦合系統(tǒng)Fig.12 Multi-scale coupling system on water-rock interaction in argillaceous rock

當(dāng)?shù)貙铀ㄟ^發(fā)育裂隙接觸到泥巖時(shí)，水分子首先侵入黏土顆粒間，通過擴(kuò)散雙電層形成滲透斥力；一方面黏土產(chǎn)生膨脹趨勢，另一方面黏土顆粒膠結(jié)強(qiáng)度降低；在宏觀尺度上，一方面泥巖內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，另一方面黏聚力產(chǎn)生劣化。隨后，水分子通過水化作用在晶胞表面、晶胞晶層間形成弱結(jié)合；這個(gè)過程中晶胞能量降低，在層疊方向上產(chǎn)生顯著膨脹；同時(shí)，水化作用釋放的能量，會(huì)促動(dòng)層間陽離子運(yùn)動(dòng)遷移；在細(xì)觀尺度上，一方面顆粒直徑增大、顆粒水化膜增厚，另一方面層間陽離子遷出進(jìn)一步強(qiáng)化滲透斥力。因此，水分子作用下不僅黏土顆粒直徑增大，泥質(zhì)膠結(jié)也顯著劣化。此時(shí)，在圍巖應(yīng)力作用下，礦物顆粒間將發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)、滑移和翻轉(zhuǎn)，在宏觀尺度上呈現(xiàn)出遇水泥化、強(qiáng)塑性變形特征。

在圍巖應(yīng)力和水壓力作用下，泥巖持續(xù)塑性變形；在細(xì)觀尺度上，宏觀塑性能促使孔隙尖端發(fā)育擴(kuò)展，在礦物顆粒間形成發(fā)育裂隙網(wǎng)絡(luò)；在微觀尺度上，隨著顆粒膠結(jié)的斷裂，晶胞暴露面積增加。同時(shí)，宏觀變形能部分轉(zhuǎn)化為細(xì)觀顆粒變形能，對(duì)晶胞水化、吸附膨脹造成一定限制。但隨著地層水在裂隙網(wǎng)絡(luò)中滲流流動(dòng)，微細(xì)觀水巖作用區(qū)域擴(kuò)大，泥巖力學(xué)性能持續(xù)劣化。最終，泥巖承載性能失效，圍巖承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在圍巖應(yīng)力作用下造成巷道失穩(wěn)。

4 展 望

泥巖工程特性是多尺度物理力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)的綜合體現(xiàn)。前文系統(tǒng)回顧了泥巖及其典型礦物成分的宏觀力學(xué)特性、細(xì)觀物理力學(xué)特性與微觀物理化學(xué)特性，以及不同研究尺度對(duì)應(yīng)的物理模型。但整體來看，跨越宏-細(xì)-微觀的跨尺度模型/體系未得到建立，宏觀特性的微觀機(jī)理闡述尚不清晰，微細(xì)觀特性對(duì)宏觀災(zāi)變防治的指導(dǎo)不完善。本節(jié)主要針對(duì)跨尺度模型/體系的建立，及災(zāi)變防治技術(shù)研發(fā)體系的構(gòu)建，展望所面臨的挑戰(zhàn)。

4.1 泥巖多尺度特性的跨尺度關(guān)系

根據(jù)泥巖多尺度物理模型及特性的綜述可以看到，泥巖跨尺度模型/體系至少應(yīng)回答4方面內(nèi)容：① 變形特征跨尺度關(guān)系；② 強(qiáng)度特征跨尺度關(guān)系；③ 結(jié)構(gòu)特征跨尺度關(guān)系；④ 能量特征跨尺度關(guān)系。其中，宏-細(xì)觀變形特征(2.2.3節(jié))、宏-細(xì)觀強(qiáng)度特征(2.2.4節(jié))方面已經(jīng)初步建立了跨尺度關(guān)系，但跨越宏-細(xì)-微觀的關(guān)系尚未得到建立。韓強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與筆者團(tuán)隊(duì)均初步構(gòu)建了宏-細(xì)-微結(jié)構(gòu)特征跨尺度體系(圖1)，但在細(xì)觀尺度的定量化表征方面還需要進(jìn)一步完善。近年來周翠英團(tuán)隊(duì)在能量耗散角度上研究泥巖軟化破壞，構(gòu)想了能量體系的整體架構(gòu)。

但整體上來看，泥巖多尺度特性的跨尺度關(guān)系研究方興未艾。當(dāng)下限制跨尺度關(guān)系研究進(jìn)展的，不僅僅是理論模型與體系框架的不成熟，還有實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段方面的不足；特別是在細(xì)觀尺度上，顆粒模型精細(xì)化建模、膠結(jié)強(qiáng)度/接觸力測定分析、復(fù)合材料模型與顆粒接觸模型的內(nèi)在關(guān)系、不同尺度能量表征方法等方面，均需要深入探索。

4.2 泥巖熱-流-固-化多物理場耦合

在水電、道路、采礦工程中，水巖作用是誘發(fā)泥巖工程體災(zāi)變的重要因素。地表水體、自然降雨、巖層承壓水等致災(zāi)水源，在滲透勢能作用下侵入泥巖內(nèi)部，漸進(jìn)劣化泥巖物理結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。根據(jù)泥巖多尺度水巖作用綜述內(nèi)容可以看到，漸進(jìn)劣化過程中水巖作用主要包括4種形式：① 吸水誘發(fā)膨脹與泥化(化學(xué)作用)；② 膨脹誘發(fā)裂隙自愈(物理作用)；③ 泥化潛蝕誘發(fā)孔裂隙發(fā)育(物理作用)；④ 泥化潛蝕損傷巖石(物理作用)。在泥巖多物理場分析中，以上4種水巖作用表現(xiàn)形式是重要的物理場耦合過程。目前，半經(jīng)驗(yàn)吸水膨脹本構(gòu)與立方體滲透率公式能夠較好描述流-固耦合過程。尹振宇等和馬丹等在土/巖潛蝕、水砂/泥滲流方面的研究，能夠用于描述泥化泥巖的損傷與流動(dòng)特性。桑盛等在泥化泥巖裂隙自愈表征方面做出重要工作。

但是，泥巖多物理場耦合分析還局限于化學(xué)場的單向耦合研究。以上工作多關(guān)注化學(xué)場對(duì)應(yīng)力場、滲流場的影響，而較少反映出應(yīng)力場、滲流場對(duì)化學(xué)場(水化學(xué)環(huán)境和化學(xué)反應(yīng)方向)的影響；而相關(guān)研究指出應(yīng)力場與溫度場對(duì)黏土礦物水化狀態(tài)遷移有重要作用。同時(shí)，水巖作用研究工作多聚焦實(shí)驗(yàn)，考慮多物理場的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及研究還相對(duì)較少。整體上看，泥巖多物理場耦合偏重于實(shí)驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)控制方程，一定程度上代表著跨尺度機(jī)理的整合，相當(dāng)于唯象的泥巖多尺度特性的跨尺度關(guān)系模型。未來還需要全面揭示應(yīng)力場、溫度場、滲流場對(duì)化學(xué)場的影響，以及完善已有控制方程。

4.3 泥巖多尺度研究人工智能應(yīng)用

泥巖多尺度研究與跨尺度關(guān)系構(gòu)建工作并非一蹴而就。特別在核廢料地質(zhì)封存工程中，不僅僅涉及常規(guī)的泥巖多物理場耦合分析，還牽涉到黏土礦物通過絡(luò)合作用對(duì)核乏料鈾遷移的阻礙；煤礦地下水庫的濾水凈化環(huán)節(jié)，同樣牽涉到黏土礦物對(duì)重金屬Cu，Pb，Zn和Mn的化學(xué)吸附封存。但是，泥巖工程災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和核廢料封存選址都迫在眉睫，循序漸進(jìn)的理論分析與試驗(yàn)研究難解近渴。近10 a來，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)為代表的人工智能方法聞名遐邇，在高度復(fù)雜的非線性和非確定性系統(tǒng)中有著獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢。

在泥巖多尺度特性的跨尺度關(guān)系中，存在許多具有黑箱/灰箱過程特征的因果關(guān)系，如微觀彈性模量與細(xì)觀彈性模量、微觀強(qiáng)度與宏觀強(qiáng)度，必然與礦物組分與空間分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律有關(guān)。當(dāng)下宏、細(xì)、微觀試驗(yàn)手段與模擬方法比較完善。微觀晶胞尺度通過分子模擬、量子力學(xué)計(jì)算、XRD衍射分析與滴定試驗(yàn)，能夠較好地獲取分子鍵參量、晶胞變形參數(shù)(彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變曲線)、晶胞強(qiáng)度參數(shù)、晶層間距、層間擴(kuò)散能力和含水量；細(xì)觀尺度通過納米壓痕實(shí)驗(yàn)與離散元模擬方法，能夠獲取接觸/膠結(jié)強(qiáng)度、細(xì)觀變形參數(shù)、細(xì)觀強(qiáng)度參數(shù)和細(xì)觀蠕變特性。在具備輸入?yún)⒘亢洼敵鰠⒘康幕A(chǔ)上，人工智能方法有潛力給出不同尺度的非線性映射關(guān)系，不失為潛在的泥巖多尺度特性跨尺度關(guān)系表征方法。

4.4 基于多尺度研究泥巖災(zāi)變防控

早在20世紀(jì)，石油鉆井工程和礦物加工工程便開展了黏土抑膨劑的相關(guān)研究，提出系統(tǒng)的水化膨脹控制原則：① 削弱黏土顆粒電性；② 改變黏土顆粒潤濕性；③ 改變晶層間水化形態(tài)。根據(jù)上述原則研究人員相繼開發(fā)出無機(jī)鹽型抑膨劑和有機(jī)型抑膨劑。為便于在地層中充分流動(dòng)，抑膨劑多為水基溶液。但是，水電、道路、采礦工程一方面需要限制巖體內(nèi)部的流體流動(dòng)，另一方面多采用水泥基材料實(shí)現(xiàn)巖體改性。近些年，管學(xué)茂等基于工程需求，針對(duì)煤巖潤濕性與黏結(jié)強(qiáng)度問題，開發(fā)微納米有機(jī)水泥基改性材料。柴肇云等針對(duì)黏土顆粒電性特征，持續(xù)開展電化學(xué)改性技術(shù)基礎(chǔ)研究工作。

泥巖工程體遇水災(zāi)變問題的本質(zhì)，是黏土礦物在微觀和細(xì)觀上的水巖作用。如何有效抑制和控制黏土礦物的遇水分散、泥化、膨脹特性，是防控泥巖災(zāi)變?cè)猩募夹g(shù)關(guān)鍵。借鑒材料科學(xué)的新功能材料研究體系，泥巖災(zāi)變防控技術(shù)研發(fā)有必要秉持“跨尺度調(diào)控”理念。以宏觀環(huán)境—細(xì)觀形態(tài)—微觀結(jié)構(gòu)為主線，分析泥巖災(zāi)變的微、細(xì)觀主控因素；結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)，以微觀結(jié)構(gòu)—細(xì)觀功能—宏觀性能為主線，研發(fā)泥巖遇水災(zāi)變防治，及強(qiáng)化泥巖承載性能的材料與方法，并基于現(xiàn)場工程形成系統(tǒng)的泥巖災(zāi)變防治體系。

5 結(jié) 論

(1)泥巖工程體災(zāi)變機(jī)理研究可劃分為巖體蠕變特征、顆粒膠結(jié)特性、黏土水化機(jī)制3方面；通過界定宏觀-巖體、細(xì)觀-顆粒、微觀-晶胞3個(gè)層面，提出了適用泥巖工程體孕災(zāi)致災(zāi)分析的泥巖多尺度概念模型。

(2)高黏土礦物含量是泥巖力學(xué)強(qiáng)度低、塑性變形強(qiáng)的主要因素；泥巖非線性加速蠕變行為研究中，引入黏塑性元件和非線性牛頓體元件構(gòu)建本構(gòu)關(guān)系的方法實(shí)用性強(qiáng)，并能夠結(jié)合損傷、水化拓展到水巖作用分析方面。

(3)晶層堆疊結(jié)構(gòu)多樣式是不同黏土礦物水化能力和離子遷移能力差異的本質(zhì)；強(qiáng)晶層間結(jié)合力與弱水化陽離子，均不利于黏土礦物晶胞水化膨脹；結(jié)合鍵能/鍵距分析微觀損傷有助于理解巖體宏觀破壞，但黏土晶粒小尺度(<2 μm)特點(diǎn)導(dǎo)致晶胞結(jié)構(gòu)宏觀表征能力極弱。

(4)泥巖細(xì)觀-顆粒層面研究普遍采用顆粒接觸分析與復(fù)合材料分析，并利用顆粒流軟件和有限元軟件開展宏-細(xì)跨尺度研究。復(fù)合材料分析以納米壓痕測試為核心初步形成了完備的試驗(yàn)研究體系；亞細(xì)觀尺度的顆粒接觸分析，目前仍缺乏有效的試驗(yàn)測試手段。

(5)晶胞水化膨脹、黏土顆粒滲吸互斥膨脹、滲流沖蝕劣化是泥巖多尺度水巖作用的重要表現(xiàn)形式，并耦合表現(xiàn)出泥巖遇水劣化破壞行為；在泥巖巷道遇水災(zāi)變中，應(yīng)力場與滲流場激勵(lì)的泥巖多尺度水巖作用耦合行為，是圍巖劣化失穩(wěn)的關(guān)鍵誘因。

(6)研發(fā)泥巖細(xì)觀尺度的研究方法與儀器、建立嵌合多尺度水巖作用的多物理場耦合模型、運(yùn)用人工智能輔助分析跨尺度關(guān)系，是當(dāng)前主要研究方向和未來發(fā)展方向。