, 高天阳2, 李津津2, 杨强31. 清华大学 土木工程系, 北京 100084;
2. 清华大学 机械工程系, 北京 100084;
3. 清华大学 水利水电工程系, 北京 100084
收稿日期：2021-01-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51779123, 51739006)
作者简介：窦子豪(1994-), 男, 博士研究生
通讯作者：赵志宏, 副教授, E-mail: zhzhao@tsinghua.edu.cn
摘要：为研究水岩作用对花岗岩裂隙剪切力学特性的影响，分别对干燥和不同浸水时长条件下的花岗岩裂隙试样进行了室内直剪试验。结果表明：峰值抗剪强度、剪切刚度随浸水时长的增长而减小；峰值剪位移随浸水时长的增长而增大；剪胀效应随浸水时长的增长而减弱；剪切损伤体积随浸水时长的增长而增大。采用三维蓝光扫描仪获得了裂隙面剪切前后的形貌特征，分析了剪切损伤体积随浸水时长的演化规律，提出了考虑浸水时长条件下的粗糙裂隙剪切体积模型。此外，还分别进行了干燥、浸水12个月两种工况下的花岗岩纳米压痕试验。相比干燥试样，浸泡12个月后试样的最大压入深度和塑性变形都明显增大，长时间浸水后花岗岩试样纳米硬度和Young's模量明显降低，即裂隙凸起体更容易破坏。
关键词：水岩作用花岗岩裂隙直剪试验纳米压痕
Evolution law of water-rock interaction on the shear behavior of granite fractures
DOU Zihao1, ZHAO Zhihong1
, GAO Tianyang2, LI Jinjin2, YANG Qiang31. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: To study the influence of water-rock interaction on the shear behavior of granite fractures, direct shear tests were conducted on Beishan granite fracture samples that were dry or immersed in water for different durations. The immersion affected the shear properties of granite fractures in terms of decreasing peak strength, shear stiffness and dilation, and increasing peak shear displacement. The three-dimensional morphologies of fracture surfaces before and after shear were recorded using a three-dimensional blue light scanner, and the volume changes of sheared-off asperities were calculated. With increased immersion duration, the volume of the sheared-off asperities increased significantly, and an empirical expression is proposed to describe this relation. Moreover, a nanoindentation test was conducted on the granite surfaces under dry and immersed for 12 months conditions. The maximum indentation depth and plastic deformation of the immersed granite samples were significantly larger than those of the dry samples. The nanohardness and Young's modulus of the granite samples decreased significantly after the long-duration immersions, which indicated that the fracture asperities were damaged more easily after the immersions.
Key words: water-rock interactiongranite fracturesdirect shear testnanoindentation
水岩作用效应包括物理作用、化学作用、力学作用3种形式。物理作用主要指润滑、软化、泥化等；化学作用主要指溶解、水化、水解等；力学作用则是指静水或超静水压力[1]。基于有效应力原理考虑水岩作用的力学效应可较好地满足工程应用，且相应的理论模型和模拟工具也已成熟[2-3]。
水对裂隙岩体的物理、化学作用通常相伴发生且非常复杂，可对裂隙岩体的力学性质产生显著影响，并具有明显的时效性。国内外****针对花岗岩水岩物理、化学作用已开展了大量的试验研究。早在20世纪40年代，Kessler等[4]就已发现浸水试样的单轴抗压强度比干燥试样下降了12%。Lajtai等[5]发现饱水处理后Lac du Bonnet花岗岩的短期强度和断裂韧度相比干燥状态的弱化程度不超过5%。Masuda[6]研究了饱水花岗岩抗压强度对不同加载速率的响应规律。孙钧等[7]发现三峡库区花岗岩在干燥状态下的劈裂抗拉强度为9.1 MPa，而在饱水状态下降至8.8 MPa。陈四利等[8]研究了花岗岩水岩作用的化学效应，发现造岩矿物与水中的H+和OH-离子发生化学反应，使原矿物被分解破坏。
但是，关于水岩物理、化学作用对岩石裂隙力学性质影响的研究还很少。鲁祖德等[9-10]开展了自然与饱水条件下大尺度裂隙的现场直剪试验和室内直剪试验，发现饱水裂隙的剪切刚度和内摩擦角均有明显降低。Pellet等[11]通过室内直剪试验研究了饱水条件下黏土岩裂隙抗剪强度的劣化规律。Zhao等[12]研究了水岩作用对规则砂岩裂隙力学性质的影响规律，并分析了水岩作用降低裂隙力学性质的原因。尽管已有研究发现浸水时长对岩石的力学性质有显著影响[13]，但针对浸水时长对岩石裂隙力学性质影响的系统研究尚未见报道。
本文开展了浸水时长为1、3、6、12个月等工况下的室内直剪试验，研究了不同浸水时长对花岗岩裂隙力学行为的影响规律，获得了剪切损伤体积随浸水时长的演化规律，并提出了考虑水岩物理化学作用的粗糙裂隙剪切损伤体积计算公式。在花岗岩表面开展了干燥和浸水时长12个月这2种工况下的纳米压痕试验，研究了水岩相互作用的细观作用机理。
1 试验方法1.1 试样制备本文选用甘肃北山花岗岩，其主要矿物成分体积百分比约为：斜长石35%，石英30%，碱性长石25%，黑云母6%，白云母4%。矿物颗粒尺寸约为0.1~0.2 mm[16]。将北山花岗岩加工成边长为50 mm的立方体试样，沿着立方体试样中轴面劈开形成粗糙度相近的人工粗糙裂隙(见图 1)。本次试验共制备了20个裂隙试样，均来自于同一完整岩块，以减小试验结果的离散性。首先在60 ℃条件下对试样进行烘干处理24 h。对浸泡样品进行抽真空处理后，置于密闭的存储罐中，在10 Pa的真空压强下分别浸泡在去离子水(pH 7)中1、3、6、12个月[13, 17]，每种浸水工况下共有4个裂隙试样，另外4个干燥裂隙试样作为对照组。
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| 图 1 北山花岗岩裂隙岩样 |
| 图选项 |
本文采用无量纲参数Z2描述裂隙面粗糙度，Z2可表示如下[18]：
| $Z_{2}=\frac{1}{n} \sum\limits_{n}\left[\frac{1}{L} \sum \frac{\left(z_{i-1}-z_{i}\right)^{2}}{x_{i-1}-x_{i}}\right]^{\frac{1}{2}} .$ | (1) |
1.2 试验设备采用YZW-50全自动微机控制电动直剪仪(见图 2a)开展直剪试验，该直剪仪包含2个正交垂直的伺服加载装置，可精确控制加载力和加载位移[16]。直剪过程中，可自动记录切向力、法向力、法向位移和切向位移等数据。采用自主设计的直剪水箱在浸水条件下进行直剪试验(见图 2b)。
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| 图 2 试验设备 |
| 图选项 |
采用500万像素的双摄像头高精度蓝光扫描仪天远OKIO-5M(见图 2c)对裂隙表面形貌进行扫描，平均采样点距为0.04~0.08 mm，测量精度可达0.03 mm。
1.3 试验流程试验具体步骤如下：
(1) 采用蓝光扫描仪对裂隙面进行扫描，获得初始裂隙表面形态数据。
(2) 采用去离子水对花岗岩裂隙试样进行浸泡处理。
(3) 直剪过程中，法向应力保持恒定5 MPa，按0.5 mm/min的剪切速率进行直剪试验。
(4) 直剪试验后再次采用蓝光扫描仪对裂隙面进行扫描，每次扫描前将参考点贴在裂隙样品的侧面作为参考面，并从不同方向进行多次测量。基于参考点，所有扫描得到的裂隙面都将自动转换到同一个公共坐标系。运用线性坐标变换将剪切前后的粗糙面放置在同一坐标系下，采用MATLAB和Geomagic软件对比分析直剪前后的裂隙面形态数据，可计算得到剪切体积和裂隙表面直剪损伤特征[18]。
2 试验结果2.1 花岗岩裂隙直剪力学行为图 3a和3b分别为代表性裂隙试样的剪应力-剪位移曲线和剪胀-剪位移曲线。浸水时长对花岗岩裂隙力学特性的影响显著。干燥试样的峰值剪切强度为11.6 MPa，浸水1、3、6、12个月时分别降低了4.5%、10.6%、16.4%和21.9%(见图 4a)。干燥试样的峰值剪位移为0.46 mm，浸水1、3、6、12个月时分别为0.47、0.48、0.54和0.53 mm (见图 4b)。干燥试样的剪切刚度为21.5 GPa/m，浸水1、3、6、12个月时分别降低了5.7%、6.6%、29.4%和27.9%(见图 4c)。干燥试样的峰值剪胀为0.042 mm，浸水1、3、6、12个月时分别为0.038、0.035、0.034和0.031 mm(见图 4d)。
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| 图 3 花岗岩裂隙直剪试验曲线 |
| 图选项 |
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| 图 4 花岗岩裂隙力学特性随浸水时长演化规律 |
| 图选项 |
2.2 花岗岩裂隙直剪损伤特征剪切前每组裂隙面的粗糙度大小较为相近。干燥试样剪切损伤体积平均值为140 mm3，浸水1、3、6和12个月后，平均剪切损伤体积分别增加了4.2%、14.2%、18.9%和39.5%(见图 5)。剪切前后花岗岩裂隙表面形态变化特征如图 6所示。可以看出，随着浸水时长的增加，浸水损伤逐渐增大，与图 5剪切损伤体积的试验结果相符合。
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| 图 5 花岗岩裂隙直剪损伤特征随浸水时长演化规律 |
| 图选项 |
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| 图 6 剪切前后花岗岩裂隙表面形态变化特征 |
| 图选项 |
Zhao等[18]推导了基于经典摩擦理论的粗糙裂隙剪切体积模型，能够很好地预测剪切过程中剪切损伤体积：
| $\frac{\mathrm{d} V_{\mathrm{loss}}}{\mathrm{d} u_{\mathrm{s}}}=K_{\mathrm{s}}\left(\frac{\sigma_{\mathrm{n}}}{\mathrm{JCS}}\right)^{a} \frac{V_{0}-V_{\mathrm{loss}}}{L_{\mathrm{f}}} Z_{2} , $ | (2) |
| $M=\frac{V_{\text {loss }}}{V_{0}}=1-\exp \left[-K_{\mathrm{s}}\left(\frac{\sigma_{\mathrm{n}}}{\mathrm{JCS}}\right)^{a} \frac{u_{\mathrm{s}}}{L_{\mathrm{f}}} Z_{2}\right] .$ | (3) |
由于文[18]模型没有考虑浸水时长的影响，本文提出水岩作用因子α的概念，用于描述水岩物理化学作用对JCS劣化程度：
| $M=\frac{V_{\text {loss }}}{V_{0}}=1-\exp \left[-K_{\mathrm{s}}\left(\frac{\sigma_{\mathrm{n}}}{\alpha \mathrm{JCS}}\right)^{a} \frac{u_{\mathrm{s}}}{L_{\mathrm{f}}} Z_{2}\right] .$ | (4) |
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| 图 7 α试验数据与拟合结果 |
| 图选项 |
表 1 剪切损伤体积试验平均值和计算值
| 浸水时长 | 试验平均值 | 计算值 | 计算误差 | |||
| 月 | mm3 | mm3 | % | |||
| 0 | 140.2 | 139.0 | -0.9 | |||
| 1 | 146.2 | 141.9 | -2.9 | |||
| 3 | 160.1 | 160.2 | 0.06 | |||
| 6 | 166.7 | 162.2 | -2.6 | |||
| 12 | 195.6 | 197.5 | 1.0 |
表选项
3 讨论3.1 纳米压痕试验技术原理和试验过程本次使用的试验仪器为清华大学摩擦学国家重点实验室的NanoTest多功能纳米力学测试仪(见图 8a)。纳米压痕测试仪器通过高分辨率的制动器和传感器，采用电磁或静电驱动控制和检测压头在材料表面的压入和退出，并提供高分辨率的连续荷载与位移的测量[20-21]。试验时金刚石压头在控制的荷载作用下垂直压入样品表面，试样表面开始发生弹性变形，随着荷载的增大，产生塑性变形甚至断裂，此时获得该测试点的荷载-位移曲线如图 8b所示，其中P为施加的竖向载荷，Pmax表示最大载荷，hmax表示整个加载过程中的压入深度，hf表示完全卸载后的最终位移。
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| 图 8 纳米压痕试验 |
| 图选项 |
3.2 纳米压痕结果干燥和浸水12个月花岗岩试样的纳米压痕曲线如图 9所示。对于干燥花岗岩进行了3次试验，结果相近，浸水12个月花岗岩进行了1次试验。加载过程中的Pmax设定为20 mN。在纳米压痕试验中记录了hmax和hf。结果表明，在浸水12个月的花岗岩表面hf和hmax均比干燥表面的小，说明浸泡可以使花岗岩表面更柔软，更容易破碎。
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| 图 9 纳米压痕试验结果 |
| 图选项 |
为了更明显地显示花岗岩表面的变化，计算了花岗岩纳米硬度和Young's模量。
在纳米压痕试验中，计算纳米硬度最常用的方法由Oliver等[22]提出：
| $H=\frac{P_{\max }}{24.5 h_{\mathrm{c}}^{2}} .$ | (5) |
| $h_{\mathrm{c}}=h_{\max }-\omega \frac{P_{\max }}{S} .$ | (6) |
花岗岩试件的Young's模量约等于折减模量Er[23]：
| $E_{\mathrm{r}}=\frac{1}{\beta} \frac{\sqrt{\pi}}{2} \frac{S}{\sqrt{24.5 h_{\mathrm{c}}^{2}}} .$ | (7) |
根据式(4)和(7)计算出，干燥和浸泡12个月的花岗岩纳米硬度分别为1.496和0.900 GPa，Young's模量分别为122.418和93.064 GPa。浸泡12个月后，花岗岩纳米硬度和Young's模量分别减小了39.8%和24.0%。
3.3 浸水机理简析水岩物理润滑作用会显著降低裂隙面的摩擦因数；同时纳米压痕试验结果表明，浸泡12个月后花岗岩纳米硬度和Young's模量均出现较大比例减小，这表明花岗岩变得更加柔软，因此剪切过程中的粗糙裂隙面浸水后凸起体强度会降低，从而使峰值剪切强度降低。两者共同作用导致粗糙裂隙面抗剪强度显著降低。
4 结论本文通过对干燥和浸水花岗岩裂隙的直剪试验，研究了水岩作用对岩石裂隙力学性能和形态特征的影响。浸水会使花岗岩裂隙力学性质的抗剪强度、剪切刚度和剪胀值降低，峰值剪位移增大，剪切损伤体积明显增大。本文引入了水岩作用因子，推导了考虑浸水时长条件下的粗糙裂隙剪切体积模型，可以很好预测浸水条件下的剪切损伤体积。进行了干燥和浸水时长12个月的花岗岩纳米压痕试验，结果显示：相比干燥试样，浸水12个月试样的最大压入深度和塑性变形都明显增大，纳米硬度和弹性模量均明显降低，表明花岗岩裂隙长时间浸水后更容易发生破坏。
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