水–岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型_黄叶宁.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220523；修回日期：修回日期：20220901 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(U22A20600，51979218)；中国水利水电科学研究院水利部水工程建设与安全重点实验室开放研究基金项目(202001)Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.U22A20600 and 51979218)and Open Research Fund of Key Laboratory of Construction and Safety of Water Engineering of the Ministry of Water Resources，China Institute of Water Resources and Hydropower Research(Grant No.202001)作者简介：作者简介：黄叶宁(1993)，女，2016 年毕业于三峡大学水利水电工程专业，现为博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail：。通讯作者：邓华锋(1979)，男，博士，现任教授。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0529 水岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型水岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型 黄叶宁1，邓华锋1，2，李建林1，冯云杰1，王文东1，齐 豫1(1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002；2.中国水利水电科学研究院 水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100038)摘要：摘要：在库水位周期性升降变化作用下，库岸边坡消落带节理岩体长期处于浸泡风干循环作用状态，为研究消落带节理岩体的损伤劣化特性，选取三峡库区库岸边坡消落带典型节理岩体为研究对象，进行考虑水压力升降变化和浸泡风干循环过程的水岩作用试验，系统分析节理岩体的剪切力学性能和微细观结构损伤演化规律。结果表明：(1)水岩作用下节理岩体抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势，总体可以分为 3 个阶段，其中前 6 个水岩作用周期导致节理面的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的 90%左右，水岩作用 10 期后，节理面抗剪强度总劣化度为 30%左右。(2)水岩作用下节理面微细观结构损伤劣化显著，逐渐由密实状态转变为疏松多孔状态，节理面平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率等形貌参数呈先陡后缓的劣化趋势，宏观上表现为节理面粗糙度系数 JRC 和岩壁强度降低，节理面上、下盘吻合度降低，进而导致了水岩作用下节理岩体剪切性能特性逐渐劣化。(3)基于 Clough-Duncan 双曲线模型，建立考虑水岩作用损伤的节理岩体剪切本构模型，验证分析表明，该模型可较好反映水岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律。相关研究方法和结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供理论依据。关键词：关键词：岩石力学；水岩作用；节理岩体；剪切特性；本构模型 中图分类号：中图分类号：TU 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03054513 Shear mechanical properties and constitutive model of jointed rock mass under water-rock interaction HUANG Yening1，DENG Huafeng1，2，LI Jianlin1，FENG Yunjie1，WANG Wendong1，QI Yu1(1.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area，Ministry of Education，Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002，China；2.Key Laboratory of Construction and Safety of Water Engineering of the Ministry of Water Resources，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)Abstract：Under the action of the periodic rise and fall of the reservoir water level，the jointed rock mass in the hydro-fluctuation belt of a bank slope has been in a state of soaking-air-drying cycle for a long time.In order to study the damage and deterioration characteristics of the jointed rock mass in the hydro-fluctuation belt，the typical jointed rock mass of a bank slope in the Three Gorges Reservoir area was selected as the research object.In this paper，a water-rock interaction test considering the water pressure fluctuation and soaking-air-drying cycle process is carried out，and the shear mechanical properties and the microstructure damage evolution law of the jointed rock 546 岩石力学与工程学报 2023 年 mass are systematically analyzed.The results show that：(1)the shear strength of jointed rock mass under water-rock interaction shows a deterioration trend from steep to slow，which can be divided into three stages.Among them，the degradation range of the shear strength parameters of joint surface caused by the first six water-rock interaction cycles accounts for about 90%of the total degradation range，and the total degradation degree of the shear strength of joint surfaces is about 30%after 10 water-rock interaction cycles.(2)The microstructure damage of the joint surface is significantly deteriorated under water-rock interaction.It gradually changes from a dense state to a loose and porous state.The three morphological parameters of the joint surface，such as the average fluctuation angle，the average relative fluctuation amplitude and the area expansion rate，show a trend of first steep and then slow deterioration.Macroscopically，the roughness coefficient JRC of the joint surface and the strength of the rock wall are reduced，and the coincidence degree of the upper and lower walls of the joint surface is reduced，which leads to the gradual deterioration of the shear properties of jointed rock mass under water-rock interaction.(3)Based on the Clough-Duncan hyperbolic model，a shear constitutive model of jointed rock mass considering the damage of water-rock interaction is established.The verification analysis shows that the model can better reflect the deterioration law of shear mechanical properties of jointed rock mass under water-rock interaction.The relevant research methods and conclusions can provide a theoretical basis for the long-term deformation and stability analysis of reservoir bank slope.Key words：rock mechanics；water-rock interaction；jointed rock mass；shear properties；constitutive model 1 引 言 引 言 为解决防洪、发电、供水、灌溉等问题，我国修建了数量众多的大型水库。水库蓄水后，为满足防洪发电等要求，库水位往往需要在一定范围内周期性升降，从而在两岸形成消落带。消落带成为地表水和地下水极为活跃的区域，在库水大幅度涨落条件下，消落带部分岩土体处于周期性干湿交替的状态。节理、裂隙的存在极大的影响了岩体结构的应力场和渗流场1。在库水周期性升降过程中，水分子沿节理、裂隙入渗和出渗，与节理岩体发生一系列物理、化学作用，逐渐改变岩体的微观结构和矿物成分，促进原有节理、裂隙的扩展、发育和新生节理、裂隙的产生，进而导致库岸边坡消落带岩体物理力学特性劣化，直接影响库岸边坡的变形和稳定。三峡库区典型岸坡消落带照片如图 1 所示，三峡工程 175 m蓄水运行十余年来，175 m高程水位线已成为节理裂隙发育的分界线，说明消落带岩体的损伤劣化与库水位周期性升降变化密切相关。消落带是岸坡变形稳定的敏感地带，黄波林等2也提出消落带岩体的劣化很可能将三峡库区地质灾害带入新的发展阶段。近年来，水岩作用导致的消落带岩体物理力学特性劣化逐渐受到相关领域学者的关注，并针对岸坡消落带开展了较多的水岩作用研究，其中消 图 1 典型库岸边坡消落带岩体损伤劣化图 Fig.1 Damage and deterioration map of rock mass in typical reservoir bank slope hydro-fluctuation belt 落带岩体赋存的库水环境是水岩作用试验模拟的重点。刘新荣等3提出采用饱水风干的干湿循环过程模拟库岸边坡消落带的水岩作用，发现砂岩的抗剪强度随着干湿循环作用次数的增加而降低，在此基础上，姜永东等4-18先后对页岩、板岩、大理岩、泥岩、灰岩、玄武岩、砂岩、花岗岩等进行了一系列干湿循环作用试验，结果表明，干湿循环作用对岩石造成了不可逆的渐进性损伤。在干湿循环水岩作用试验基础上，为了进一步模拟库水位升降过程中的水压力变化过程，李建林教授团队先后研制了YRK1 岩石溶解试验仪、YRK2 岩石浸泡风干试验仪等水岩作用试验仪器，实现了库水压力升降变化、浸泡风干循环作用过程的模拟，并开展了一系列水岩作用试验，获得了库区典型砂岩的物理力学特性损伤劣化第 42 卷 第 3 期 黄叶宁等：水岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型 547 规律19，发现与干湿循环试验相比，在水压力升降变化和干湿循环耦合作用下，岩石的物理力学特性劣化趋势更为显著。岩体中节理裂隙形成的水岩自由接触面是地球化学反应的主要发生场所，在水岩作用损伤劣化中起控制作用。在各类岩石水岩作用研究基础上，有的学者也逐渐关注节理岩体的水岩作用，韩铁林20进行了节理岩体干湿循环试验，建立了干湿循环作用下单裂隙试样的损伤演化方程；Z.H.Zhao等21分析了水岩作用对于确定裂隙岩质边坡整体稳定性的影响；王瑞红等22进行了裂隙砂岩加压浸泡试验，发现裂隙岩体对水软化作用更加敏感；邓华锋等23进行了节理岩体干湿循环作用试验，分析得到了节理面在干湿循环作用下的劣化规律。F.Wang等24-26研究发现水岩作用对节理面的形貌特征及力学特性有明显劣化效应，比较而言，水岩作用下岩体结构面的劣化趋势更为显著。综合目前研究现状来看，消落带节理岩体的水岩作用研究发展较快，试验方法方面从干湿循环逐级发展到考虑水压力升降变化和干湿循环耦合作用的水岩作用试验；试验对象方面，从各类完整的岩块，逐渐发展到含有结构面的岩体。总体而言，水岩作用试验中还很少考虑节理的影响，相关考虑水压力升降变化过程的节理岩体水岩作用试验还很少涉及。基于此，本文重点考虑岸坡消落带节理岩体的赋存环境条件，进行模拟水压力升降变化和浸泡风干循环过程的水岩作用试验，分析节理岩体的剪切力学特性劣化效应及机制，并分析建立考虑水岩作用损伤的节理岩体剪切本构模型。2 试验方案试验方案 2.1 试样制备与设备试样制备与设备 试验选取三峡库区典型岸坡砂岩为研究对象，根据水岩作用试验过程中节理岩样剪切试验和节理面微观形貌扫描的要求，制备成 100 mm100 mm100 mm 的标准立方体试样。再沿层理弱面将岩样从中间劈裂，制备成单节理岩样，如图 2 所示。选取劈裂面平整的节理岩样作为备选样，采用ST500 三维非接触式表面轮廓仪(见图 3)对节理面进行扫描，该设备采用白光轴向色像差技术，可对节理面进行无损快速、重复性高、分辨率高的三维表面形貌扫描。获取节理面平均起伏角、平均相对 (a)示意图 (b)典型试样 图 2 单节理试样 Fig.2 Single jointed sample 图 3 ST500 三维非接触式表面轮廓仪 Fig.3 ST500 three-dimensional non-contact surface profiler 起伏幅度、面积扩展率 3 个参数，计算节理面粗糙度系数，从备选样中选取单节理粗糙度近似一致的90 个节理岩样作为试验试样。采用 YZW1000 型微机控制电动直剪仪对节理试样进行直剪试验，考虑 1.0，1.5，2.0，2.5 MPa 等4 种法向应力，每种法向应力下剪切 3 个试样。采用 Prisma E 环境扫描电子显微镜(见图 4)对水岩作用不同周期的节理面进行 SEM 测试，分析岩样的微观结构特征。图 4 Prisma E 环境扫描电子显微镜 Fig.4 Prisma E environmental scanning electron microscope 2.2 水岩作用试验方案水岩作用试验方案 参考以往研究经验19，每个水岩作用周期分为 4 个阶段：浸泡水压力增大阶段、水压力恒定阶段、水压力减小阶段及风干阶段，参考三峡库区水位在 145175 m 范围变动，设置浸泡水压力在 00.3 MPa 范围升降。风干结束之后进行下一周期的水岩作用试验，设计进行 10 个周期的水岩作 548 岩石力学与工程学报 2023 年 用试验，在初始状态和第1，2，4，6，8，10 个水岩作用周期分别进行节理面三维扫描试验、节理岩样剪切试验和扫描电镜分析，具体试验流程如图 5所示。图 5 节理岩体水岩作用试验流程图 Fig.5 Flow chart of water-rock interaction test of jointed rock mass 3 水岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律水岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律 为了分析水岩作用对节理岩体剪切力学特性的影响规律，绘制不同水岩作用周期下节理岩体典型剪切应力剪切位移曲线如图 6 所示。由图可知，不同水岩作用周期节理岩体的剪切应力剪切位移曲线形态基本一致，随着水岩作用周期增加，剪切应力剪切位移曲线整体下移，曲线斜率逐渐减小，抗剪强度逐渐降低，说明水岩作用下节理岩体的剪切力学特性劣化效应明显。对不同水岩作用周期节理岩体的抗剪强度值进行统计，绘制抗剪强度劣化规律曲线，如图7 所示。(a)法向应力 1.0 MPa (b)法向应力 1.5 MPa (c)法向应力 2.0 MPa (d)法向应力 2.5 MPa 图 6 水岩作用下典型节理岩体剪切应力剪切位移曲线 Fig.6 Shear stress-shear displacement curves of typical jointed rock mass under water-rock interaction 由图 7 可知，随着水岩作用周期的增加，节理岩体的抗剪强度逐渐降低，总体呈先陡后缓的劣化趋势，可以用指数函数较好的拟合。根据不同水岩作用周期导致的节理面抗剪强度劣化幅度大小，可将水岩作用分为 3 个阶段：水岩作用前期(12 期)，节理面抗剪强度劣化较快，曲线斜率较陡，4 种法向应力下节理面抗剪强度劣化值占总劣化值的 56.17%62.63%；水岩作用中期(26期)，节理面抗剪强度劣化较之前 2 期变慢，曲线斜率变缓，4 种法向应力下节理面抗剪强度劣化值占 00.3 MPa 1.00.80.60.40.20.0剪切应力/MPa剪切位移/mm0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0初始状态1期2期4期6期8期10期剪切位移/mm0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.01.21.00.80.60.40.20.0剪切应力/MPa初始状态1期2期4期6期8期10期剪切应力/MPa剪切位移/mm0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.01.81.51.20.90.60.30.0初始状态1期2期4期6期8期10期剪切位移/mm0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0剪切应力/MPa1.81.51.20.90.60.30.010期8期6期4期2期1期初始状态第 42 卷 第 3 期 黄叶宁等：水岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型 549 水岩作用周期(N)图 7 不同水岩作用周期节理岩体抗剪强度劣化规律曲线 Fig.7 Deterioration law curves of shear strength of jointed rock mass under different water-rock interaction cycles 总劣化值的 27.93%33.19%；水岩作用后期(610 期)，节理面抗剪强度逐渐趋于稳定，曲线趋于水平，4 种法向应力下节理面抗剪强度劣化值占总劣化值的 9.45%12.29%。为了定量分析水岩作用不同周期对节理面抗剪强度的影响，定义一个总劣化度参数：00100%NND-=(1)式中：ND为前 N 个水岩作用周期内节理面的抗剪强度劣化值占初始状态抗剪强度的百分比。0，N分别为水岩作用初始状态和第 N 期的抗剪强度。为了定量分析水岩作用对节理岩体剪切特性的劣化效应占比，定义一个相对劣化幅度：0010100%NNS-=-(2)式中：NS为前 N 个水岩作用周期抗剪强度劣化值占总劣化值的百分比。绘制水岩作用下节理岩体抗剪强度总劣化度及相对劣化幅度曲线如图 8 所示。水岩作用周期(N)图 8 水岩作用下单节理岩体抗剪强度劣化参数 Fig.8 Deterioration parameters of shear strength of single jointed rock mass under water-rock interaction 从图 8 可以看出：(1)随着水岩作用周期的增加，抗剪强度总劣化度ND表现出先陡后缓的上升趋势，水岩作用 2 期后，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa四种法向应力下节理面抗剪强度总劣化度分别为 14.93%，16.54%，18.83%，18.83%；水岩作用 6 期后，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa四种法向应力下节理面抗剪强度总劣化度分别为 23.76%，25.41%，27.22%，27.78%；水岩作用 10 期后，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa四种法向应力下节理面抗剪强度总劣化度分别为 26.58%，28.39%，30.06%，31.67%。比较而言，同一水岩作用周期，抗剪强度总劣化度ND随着法向应力的增大而增加。(2)由相对劣化幅度NS曲线可知，水岩作用2 期后，节理岩体的抗剪强度劣化幅度占总劣化幅度的 55%左右；前 6 个水岩作用周期导致的节理岩体的抗剪强度劣化趋势尤为明显，占总劣化幅度的 90%左右，说明水岩作用对节理面抗剪强度劣化有较为明显的非均匀性和累积效应。4 水岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化机制分析 水岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化机制分析 节理岩体抗剪性能的劣化，主要是由于水岩作用导致岩壁强度降低和节理面形貌特征劣化引起的。为了分析水岩作用下岩壁的强度劣化规律，同期进行了岩样的单轴压缩试验，采用单轴压缩强度的变化表征岩壁强度的变化规律，不同水岩作用周期岩样的单轴抗压强度劣化曲线如图 9 所示。水岩作用周期(N)图 9 水岩作用下岩石单轴抗压强度劣化曲线 Fig.9 Deterioration curve of rock uniaxial compressive strength under water-rock interaction 10 个水岩作用周期后单轴抗压强度的总劣化度为 39.75%，劣化趋势与节理岩体抗剪强度总体 1.0 MPa 1.5 MPa 2.0 MPa 2.5 MPa0 2 4 6 8 101.81.61.41.21.00.80.6抗剪强度/MPa水岩作用后期水岩作用中期水岩作用前期=1.17+.0 550 67N()2R =0.99()2R =0.99()2R =0.99()2R =0.99=1.1+.3 0 490 65N=0 83 0 34 0 68.+.N=0 64 0 24 0 69.+.N 1.0 MPa 1.5 MPa 2.0 MPa 2.5 MPa100806040200相对劣化幅度/%50403020100总劣化度/%1.0 MPa 1.5 MPa 2.0 MPa 2.5 MPa1 2 4 5 8 100246 8 10605550454035单轴抗压强度/MPa50403020100()2R =0.99y=35.16+.22 110 63N单轴抗压强度总劣化度/%单轴抗压强度单轴抗压强度总劣化度 550 岩石力学与工程学报 2023 年 一致，可以用指数函数较好的拟合。相关水岩作用下岩石抗压强度劣化在以往研究中已经分析的比较系统，这里不再赘述。这里重点分析水岩作用对节理面形貌特征的影响。不同水岩作用周期节理面的三维形貌扫描图如图 10 所示，岩样的表面三维视图能直接显示节理面整体的高低起伏变化情况。(a)初始状态 (b)水岩作用 1 期 (c)水岩作用 2 期 (d)水岩作用 4 期 (e)水岩作用 6 期 (f)水岩作用 8 期 (g)水岩作用 10 期 图 10 不同水岩作用周期下节理面三维形貌图 Fig.10 Three-dimensional morphology of jointed surface under different water-rock interaction cycles 为了定量分析节理面三维形貌的变化，考虑到岩样结构面三维形貌的复杂性，参考齐 豫等27的研究经验，采用节理面平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率来表征节理面的粗糙特性，这 3个参数分别反映了节理面整体的坡度特征、高度特征及次级细微粗糙结构，能较好评估节理面的粗糙性特征。绘制水岩作用下节理面形貌参数变化曲线和总劣化度柱状图如图 11 所示。综合图 10，11 可知，随着水岩作用周期的增加，节理面的高度分布和起伏程度有明显变化，典型的，岩样的表面最大高度随水岩作用周期的增长而逐渐减小，初始状态节理面最大高度为 5.47 mm，水岩作用 2 期、6 期、10 期后节理面最大高度分别降为 4.99，4.68 和 4.57 mm。5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.00 20 40 60 800 20 40 60 805.4650 x/mmy/mmz/mmz/mm5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.00 20 40 60 800 20 40 60 805.1910z/mmz/mmx/mmy/mm4.54.03.53.02.52.01.51.00.50.00 20 40 60 800 20 40 60 804.9920y/mmx/mmz/mmz/mm4.54.03.53.02.52.01.51.00.50.00 20 40 60 0 20 40 60 4.7790 x/mmy/mmz/mmz/mm4.54.03.53.02.52.01.51.00.50.00 20 40 60 0 20 40 60 4.6770z/mmx/mmy/mmz/mm4.54.03.53.02.52.01.51.00.50.00 20 40 60 0 20 40 60 4.6070z/mmz/mmx/mmy/mm4.54.03.53.02.52.01.51.00.50.00 20 40 60 0 20 40 60 4.5730z/mmz/mmy/mmx/mm第 42 卷 第 3 期 黄叶宁等：水岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型 551 水岩作用周期(N)图 11 水岩作用下节理面形貌参数变化曲线和总劣化度图 Fig.11 Variation curves and total deterioration degree of jointed surface morphological parameters under water-rock interaction 初始状态下，节理面整体起伏高度、倾斜状态明显，凹凸有致，棱角清晰，表面细微精细结构也极其丰富，节理面平均起伏角、平均起伏幅度、面积扩展率分别为 9.13，3.15 mm，3.24%；水岩作用 2 期后，平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率的劣化度为 5.62%，9.92%和 12.46%，下降幅度较大，占总劣化幅度的 60%左右；水岩作用6 期后，平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率分别下降了 9.10%，14.58%和 19.91%，占总劣化幅度的 90%左右；水岩作用 10 期后，平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率分别下降了9.90%，16.12%和 22.43%。参考以往经验27，根据节理面的微观形貌参数计算对应的粗糙度系数 JRC：sss6.4232.329(100)0.1872.676tanJRCAR=+-(3)式中：sA为面积扩展率(%)，s为节理面的平均起伏角()，sR为平均相对起伏幅度(mm)。计算并绘制水岩作用下节理面粗糙度系数JRC 的变化曲线如图 12 所示。从图中可以看出，随着水岩作用周期的增加，节理面粗糙度系数 JRC逐渐降低，10 个水岩作用周期后的总劣化度为12.01%，总体呈现与节理岩体抗剪强度一致的劣化规律。前述分析说明岩壁强度劣化和节理面粗糙度降低导致了节理面抗剪性能劣化，其根本原因是水岩作用导致节理面微细观结构损伤所致。因此，进一步采用环境扫描电子显微镜对不同水岩周期下的节理面进行检测分析，典型的 SEM 照片如图 13所示，放大倍数为 200 倍。水岩作用周期(N)图 12 水岩作用下节理面粗糙度变化曲线和总劣化度 Fig.12 Variation curve and total deterioration degree of jointed surface roughness coefficient under water-rock interaction 从图 13 可以看出，水岩作用下节理面的微观结构特征变化规律显著。(1)在初始状态下，节理面整体结构密实，节理 (a)初始状态 (b)水岩作用 1 期 (c)水岩作用 2 期 ()2R =0.99=+.8.19 0.930 69Ns=.+.2 64 0.490 66N()28R =0.9Rs=.+.2 50 0.730 71NAs()2R =0.99总劣化度/%3528211470平均起伏角总劣化度平均相对起伏幅度总劣化度面积扩展率总劣化度平均起伏角平均相对起伏幅度面积扩展率面积扩展率/%3.53.02.52.01.53.23.02.82.62.4平均相对起伏幅度/mm0 2 4 6 8 10平均起伏角/()9.29.08.88.68.48.2()2R =0.99y=.+.11 38 1.570 71N0 2 4 6 8 1013.012.512.011.511.020151050粗糙度系数JRC粗糙度系数总劣化度/%粗糙度系数JRC粗糙度系数总劣化度钙质胶结物溶解、溶蚀 局部孔隙、裂隙发育 局部裂隙、孔隙贯通 552 岩石力学与工程学报 2023 年 (d)水岩作用 4 期 (e)水岩作用 6 期 (f)水岩作用 8 期 (g)水岩作用 10 期 图 13 不同水岩作用周期典型节理面 SEM 扫描照片 Fig.13 SEM scanning photos of typical jointed surfaces in different water-rock interaction cycles 面内部只有少量不发达的原生孔隙，无明显可见裂纹。(2)在水岩作用前期(12 期)，由于水岩作用周期中水分子入渗和出渗，矿物颗粒间钙质胶结物、各类长石发生溶解、溶蚀作用，导致节理面原有的孔隙、裂隙逐渐发育，并伴随新的孔隙、裂隙产生，矿物颗粒间胶结作用减弱，矿物颗粒间的连接趋于松散。(3)在水岩作用中期(26 期)，逐渐发育的孔隙、裂隙增大了水岩的接触面积，为水岩作用提供了更大的反应通道，导致矿物颗粒更易溶解，颗粒间的孔隙、裂隙继续发育并部分贯通，有少量的矿物颗粒脱落。(4)在水岩作用后期(610 期)，由于水岩作用累计损伤效应，颗粒间孔隙、裂隙逐渐汇集贯通，可见大量的矿物颗粒脱落，节理面整体结构呈疏松多孔状。为了定量分析水岩作用过程中岩样的孔隙结构发展规律，在不同水岩作用周期通过核磁共振测试岩样的孔隙率，得到岩样孔隙率随水岩作用周期的变化规律曲线如图 14 所示。水岩作用周期(N)图 14 水岩作用下岩样孔隙率变化曲线 Fig.14 Porosity change curve of rock samples under water-rock interaction 随着水岩作用周期的增长，岩样孔隙率呈现先陡后缓的增长趋势，10 个水岩作用周期后的岩样孔隙率的总增长率为 35.55%，增长趋势可以用指数函数较好的拟合。试验测得岩样孔隙率的增长趋势与从扫描电镜图中观察到的节理面微观孔隙结构变化特征相吻合，从定量的角度较好地表示了水岩作用过程中岩样宏观孔隙结构的发育过程。为了更好地分析水岩作用过程中节理岩体的劣化机制，取不同水岩作用周期后的浸泡溶液，对溶液中离子浓度进行分析。试验所用砂岩由石英、长石、岩屑、云母等组成，其中，石英性能比较稳定，长石矿物含量较多，易发生溶解、溶蚀作用。在水岩作用过程中，检测得出 Ca2+，Na+和 K+离子的浓度变化较为明显，绘制这 3 种离子浓度变化规律曲线如图 15 所示。由图可知，不同水岩作用周期下，浸泡溶液中 3 种离子浓度的变化规律基本一致，都随着水岩作用时间的增长呈现先陡后缓()2R =0.99y=.4.121.080 69N0 2 4 6 8 104.54.03.53.02.52.0孔隙率/%5040302010孔隙率总增长率/%孔隙率孔隙率总增长率结构逐渐松散 矿物颗粒分解 大量矿物颗粒脱落 裂隙贯通 疏松多孔状 第 42 卷 第 3 期 黄叶宁等：水岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型 553 水岩作用周期(N)图 15 水岩作用下溶液离子浓度变化规律曲线 Fig.15 Variation curves of solution ion concentration under water-rock interaction 的增长趋势，10 个水岩作用周期后 Ca2+，Na+和K+的离子浓度分别增加了 17.70%，36.63%和35.10%，其增长趋势可用指数函数较好的拟合。溶液中 Ca2+，Na+和 K+离子浓度的增长主要是由于岩样中的钙长石、钠长石和钾长石与水溶液发生了水岩化学作用，各类长石在水溶液中的具体化学反应方程式28如下：2+22822254Ca(Al Si O)+3H OCa+2OHAl(Si O)(OH)=+(钙长石)(4)+382442Na(AlSi O)+11H O2Na+2OH4H SiO+=+2254Al(Si O)(OH)(钠长石)(5)+382442K(AlSi O)+11H OK+2OH4H SiO+=+2254Al(Si O)(OH)(钾长石)(6)综上分析可知，在单个水岩作用周期，节理面经历了有压浸泡和风干 2 个阶段，在有压浸泡过程中，水分子大量入渗，长石类矿物发生溶解、溶蚀和水岩化学作用，导致矿物颗粒间的连接逐渐减弱、孔隙裂隙逐渐发育，节理面凸起区域逐渐减少，凹陷区域逐渐扩展；在风干阶段，水分子渗出使得部分次生矿物及溶解的小颗粒随水溶液被迁移出；在周期性的浸泡风干循环作用下，矿物颗粒重复经历溶解、破碎、迁移过程，持续为水岩作用提供新的反应空间，颗粒间孔隙、裂隙逐渐增大并贯通，使得节理面微观结构逐渐由密实状态转变为疏松多孔状态；节理面整体凹凸高度降低、起伏坡度减小，节理面由棱角分明、线条清晰的凹凸状逐渐趋于光滑平缓，节理面粗糙度降低，这也导致节理面上、下盘由初始吻合状态逐渐演化为不吻合状态。总体而言，水岩作用导致节理面微细观结构逐渐损伤劣化，对应节理面粗糙度系数 JRC 和岩壁强度降低，节理面上、下盘的吻合程度降低，进而导致了节理岩体剪切性能特性逐渐劣化。5 水岩作用下节理岩体剪切本构模型 水岩作用下节理岩体剪切本构模型 从图 6 可以看出，水岩作用不同周期不同法向应力作用下节理岩体剪切应力剪切位移曲线形态类似，剪切应力剪切位移曲线呈现出明显的非线性关系，总体呈现双曲线形状，根据以往的研究经验，选取Clough-Duncan双曲线模型来进行模拟分析29，该模型形式较为简单，参数较少，各参数意义较明确，且易通过试验取得，能较好地描述岩土材料的剪切应力与剪切位移的变化关系。5.