岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展

发布时间：2016-10-19 09:46

  本文关键词：水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展，由笔耕文化传播整理发布。

第14卷第5期1999年10月地球科学进展

ADVANCEINEARTHSCIENCESVol.14　No.5Oct.,1999

学科发展与研究

水—岩化学作用对岩体变形破坏

力学效应研究进展

??

汤连生????,王思敬??

(??中国科学院地质研究所工程地质力学开放实验室,北京　100029)

(??中山大学地球科学系,广东　广州　510275)

摘　要:水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应的研究涉及力学和化学两方面,也即为地球化学与岩体力学两个研究领域的交叉。针对水化学作用对岩体力学性质的影响机理,较系统地总结了该研究领域中的现状和研究新进展,分析了其研究方法,指出了今后的研究方向和主要研究内容,并认为此方面的研究将在工程地质学中占重要地位。

关　键　词:岩体;水-岩相互作用;水-岩化学作用;渗透作用;变形破坏;力学效应中图分类号:P64　文献标识码:A　文章编号:1001-8166(1999)05-0433-07　　水—岩反应,一般是指水溶液与岩石(体)之间的相互作用,对于岩石力学,则是指水溶液与岩石(体)在岩石固相线下的温度、压力范围内进行的所有化学反应和物理化学作用。在本文中,尤其是强调其中的水化学作用。水—岩化学作用不仅导致化学元素在岩石与水之间重新分配,而且导致岩石细微观结构的改变,这两者的变化都将导致岩石力学性质的改变。全面而深入地认识岩石力学问题的各个侧面:力学方面(应力、应变、强度、力学性质指标及断裂力学等)、物理方面(结构和构造、温度、物理性质指标、物理损伤等)、化学方面(介质成分、液体成分、化学反应、化学损伤等),需要岩石力学从力学、物理学和化学三个角度并综合运用力学、物理学和化学的成就来开展研究。这是一种全面的研究,对研究工程岩体问题、地质灾害机理及防治提供了新的多种思路和途径。这也标志着人们对岩石变形破坏过程的认识将更加深刻。水—岩反应强调的正是其中的化学反应和物理化学作用。

〔1,2〕

水—岩化学作用对岩石(体)的力学效应,是相

当复杂的,是一个广阔的研究领域,其未知的问题很多。在国内外,此领域的研究都刚刚起步。本文对此领域研究进展的阐述及提出的一些问题,其主要目的是开拓工程地质学及环境地质灾害学的理论、方法的研究思路。

1　研究意义

水—岩化学作用在自然界广泛存在。地壳中大量存在的铝硅酸盐、碳酸盐岩石在H2O和CO2、H2S等作用下,发生着水化学作用。受力岩体的变形破坏过程,诸如边坡、坝基、围岩等众多岩体稳定性问题,常常有水的参与。水是诱发各种地质灾害最活跃的因素,也是地质灾害演化过程中各种地质作用信息的载体。岩质边坡、坝基、围岩等破坏现象,其发生过程是短暂的,但在其历史发展中其孕育过程是漫长的,其作用机理是复杂的,水—岩化学作用在此过程中起着决定性作用。

〔3〕

??国家自然科学基金项目“受力岩体渗透、水化学综合作用导致破坏的机理”(编号:59779019)和广东省自然科学基金项目“渗透、水化学

综合作用对岩体变形破坏的力学效应研究”(编号:970127)资助。

第一作者简介:汤连生,男,1963年7月生,副教授,现在中山大学地球科学系从事工程地质、岩土力学教学与科研工作。

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岩石(体)具有的结构特征,可归纳为:??微观的位错、晶内缺陷、晶粒间的微孔或微裂纹等;??细观的节理、劈理、缝合线和裂隙等;??宏观的层理、裂隙、断层等;??巨观的造山带、断裂带或剪切带;??结构面的充填物,如方解石、绿泥石及粘土矿物;??结构面中的水溶液及其对流、扩散和沉淀作用等。在宏观上,水—岩化学作用的岩体力学效应,还要考虑地质环境特征——水文地质及自然灾害的分区性的制约。渗透、水化学综合作用对岩体变形破坏的作用

3〕特点是〔:??岩石(体)的结构,如节理裂隙及裂纹分

〔3～5〕

合作用:应力场、温度场和由岩体矿物成分与地下水

化学成分所决定的化学场之间的相互作用要受到岩体介质场的制约;同时,后者又会受到前者的作用而变化。这种多重耦合的相互作用是动态的演化及逐渐变异和协调的过程。因此,岩体力学应当是研究此耦合作用过程的机理及其力学效应。化学场在整个系统中是一个很重要的子系统,地球化学作用对岩体的力学效应既有负(害)效应,也有正(益)效应。化学向岩体力学的渗透,将丰富岩体力学的研究内容,

2〕

使岩体力学的研究与应用更加贴近实际〔。

布区,尤其是裂隙尖端的塑性区,是水—岩化学作

用、渗透作用的活跃带;??岩体渗透、水化学综合作用加剧了受力岩体裂隙相互作用及裂隙聚集效应,使得岩体强度降低及其破坏条件更易满足,而裂隙的聚集、扩展又为水化学作用和渗透提供了更有利的环境。这就是自然界宏观裂隙(以渗透作用为主)与细微观裂隙(以水—岩化学作用为主)天然地配合在一起,

导致受力岩体不稳定的问题。

2　研究现状

长期以来,在工程地质学领域对水—岩动力学体系的研究主要在于:??岩体渗流场与形变场、应力场的耦合作用;??水的物理作用对受力岩体的力学效应。另一个重要的事实是:水—岩化学作用及渗透、水化学综合作用对岩体变形、破坏的力学效应具有重要的意义,而此方面的研究未受到足够重视。

早在60年代就有学者注意到水对岩石的作用不仅是从有效应力原理方面简单考虑的水对受力岩石的力学效应,而且是一种复杂的应力腐蚀过程。至今为止,众多学者在此方面进行了不同侧面的研究,其主要特点是以实验为基本手段分析了水化学作用对材料的强度腐蚀、裂隙扩展等的作用机理,或对地震、滑坡与地下水性质、化学作用之间的关系进行了宏观分析,或在方法理论上进行了一定探讨。其中强度腐蚀的化学作用过程的机理研究已涉及到的

2〕有〔:??水的pH值的作用;??全等溶解作用;??非全等溶解作用(水解作用);??离子交换作用;??温度

的影响;??压力的影响。其机理很复杂,对其有各种解释,其中也有以能量的观点来解释水化学作用导

6,7〕

致岩石力学性质改变的机理〔。

　　图1　作为力学作用对象的岩体中各种场之间的耦合

2〕

关系图(据汤连生等〔的修改)Fig.1　Couplingrelationamongvariousfieldinrocksasobjectofmechanicsaction(afterTangLiansheng,

2〕

etal〔,1999)

2.1　水化学作用对材料强度腐蚀的作用机理

2.1.1　水的pH值的作用

〔8〕

Wiederhorn等早在1973年就研究了pH值

〔9〕

对玻璃裂隙扩展的影响。Atkinson等等则通过试

验研究了HCl、NaOH溶液对石英的裂隙扩展速率、应力强度因子和应力强度系数的影响。结果得出,环境中OH-浓度的增加会加速裂隙的扩展,流体化学成分对裂隙扩展速率和应力腐蚀速率具控制作用,应力强度因子KI与远场应力、特征裂隙长度等之间存在着定量关系。2.1.2　水解作用

现实岩体都是历史岩体的发展,岩体的变形破坏实质上是在岩体成分、结构和环境三要素控制下

其结构的变形破坏过程。其中岩体赋存的地质环境是很重要的一方面,其主要因素包括介质场、应力

第5期　　　　　　　　　汤连生等:水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展　　　　　　　435　造成的矿物集合体的风化作用。例如,对于二氧化硅,在裂隙尖端的变形Si-O键比未变形的要更容易与环境因素发生作用,因为变形会引起原子层重叠的减少,从而降低了裂隙扩展的障碍。变形键与环境因素之间的作用使键出现弱化现象,然后在低应力下比起未变形键更容易发生破坏。二氧化硅玻璃和石英在水环境下的一般弱化表达式为

〔11,12〕

〔10〕

其pH值会迅速提高,一旦pH>9,二氧化硅晶络就

20〕

会与溶液起化学反应〔。这些离子的交换作用对于临界断裂扩展具有重要作用,其作用强度取决于裂隙尖端处溶液与外界环境扩散交换的难易程度。两相物质之间的作用模式将由外界环境与裂隙尖端处溶液物质及裂隙尖端附近固体介质的化

8,22〕

学性质之间的相互作用所控制〔。〔13,21〕

:

H-O-H+〔≡Si-O-Si≡〕=

≡Si-OH??HO-Si≡=2〔≡Si-OH〕强Si-O键的水解作用使更弱的氢键氢氧团与硅原子相联。许多学者通过玻璃的试验,假定上式方程

13〕

是二氧化硅矿物的应力腐蚀作用的关键所在〔。

二氧化硅在基本环境中经受的腐蚀作用的根

14〕据〔是:

2.1.5　水温的影响

砂岩、灰岩等在不同温度(如20℃、40℃、60

℃)的试验表明,不同水温环境下岩石的断裂韧度不

13,23～25〕

一样,一般断裂韧度随温度增高而增大〔。对

于水温的影响机制,应与水、岩的化学成分及其化学作用和水溶液渗透过程一起考虑进行实验研究。2.1.6　压力的影响

压力对裂隙扩展的影响很难估计,认为这主要是因为很难分辨压力对临界应力腐蚀断裂扩展所具

26〕

有的4个方面的作用〔:??固体断裂扩展的应力张量;??裂隙中流体的力学特性;??微裂隙的扩展过程和微裂隙的影响带;??裂隙液体与裂隙尖端固体介质之间的化学作用(化学势和作用强度)。如果应力腐蚀作用或环境因素的化学势动力学和裂隙尖端处反应物受压力的影响,则可看到压力对断裂速率的影响。压力影响裂隙塑性区和裂隙尖端过程带的水化学作用,可运用细观损伤力学或考虑损伤的断裂

27〕

力学〔进行研究。

≡Si-O-Si≡+OH-=Si-O-+≡Si-OHMichalske等把Si-O-Si键的应力腐蚀解释为

由离子水和分子水两者共同造成的,玻璃的应力腐蚀作用可解释为水与Si-O键分子之间的相互作用造成的。但是,离子水还是分子水是硅酸盐玻璃临界断裂的关键因素仍存在争论。例如,Freiman认为水分子中的氢核和电子促进了裂隙尖端Si-9〕

O-Si键的水解作用,而Atkinson等〔发现改变氢

〔15〕

〔10〕

氧根离子的活度也能明显地改变水环境中的石英的裂隙扩展速率;即使在试验的整个过程中分子的活度基本上维持常数,氢氧根离子浓度的提高也可导致裂隙扩展速率的提高。由此可看出,环境的化学活性可能是控制化学作用对断裂扩展的影响的关键因素。然而,地壳岩石常是多相集合体而不是常用于实验室测试的理想单矿物材料,长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石等矿物比起石英也复杂得多,要研究确定每种岩石或矿物的强度腐蚀中哪些是其关键因素是一项艰巨而重要的工作。2.1.3　溶解作用

水化学溶解作用对岩石裂隙扩展作用的影响因素16～19〕

较多〔,如环境湿度、温度及压力等。例如,地下水中SiO2含量的高低取决于水温及围岩中硅酸富集与矿物破碎程度。又如地震孕育发生过程中,应力积累加大,地温升高、矿物破碎或CO2受压力作用而在水中溶解度增大等原因都会促使铝硅酸加速分解。2.1.4　离子交换作用

离子交换作用对改变裂隙尖端溶液的化学性质起着重要作用。对于水—玻璃系统,氢离子与碱离子的交换甚至在室温条件就会迅速进行,在裂隙尖端2.1.7　水—岩化学作用的岩石宏观力学效应为了研究自然界中水—岩反应对岩石的宏观力

学效应,采取在常温常压及不同循环流速条件下,对在不同化学性质的水化学溶液作用下花岗岩、砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度实验,取得了这些岩石的单轴抗压强度随水溶液性质及循环速率的第一阶

5〕

段的定量结果〔。已取得的初步结果表明,水对受力

岩石的力学效应是与水—岩化学作用密切相关的,岩石强度软化与水—岩化学反应强度成正比。影响水—岩化学作用的岩石力学效应的主要因素有:水溶液循环速率、岩石的矿物成分、岩石的结构或均匀性和水溶液的化学性质。作者对水—岩化学作用的断裂力学效应方面的试验正在进行。

2.2　地震、滑坡、围岩稳定性与水化学作用的宏观

关系分析

地震、滑坡与地下水化学作用有着密切联系。化学作用参与裂纹、裂隙扩展已被引作单一和复合地

26〕震的重要前兆〔。已有资料显示,地震前后地下水

,

　　　　　　　　　　　　　　　　　地球科学进展　　　　　　　　　　　　　　　　第14卷436

半年多就出现异常,也有临震前1个多月才出现的

28〕

临震异常,震后异常可持续一定时间〔。例如,日本神户1995年7.2级地震,发现从地震之前的1994年8月到1995年1月17日至地震,地下水中Cl和SO2-4离子浓度呈逐渐增长趋势,地震之后水样

29〕

显示了很高的Cl-和SO2-4离子浓度〔。地下水的

-

平衡。近10年,水—岩反应实验研究发展迅速,其重

要进展有两个方面:??开放流动体系的水溶液—岩石反应动力学实验;??水溶液—岩石界面地球化学及表面特性的实验研究,其研究成果证实了自然界面在化学上的定向性和不均匀性及矿物表面和整体之间在化学和物理上的差异性。

在水—岩反应的岩石力学效应的研究过程中,要重视超临界水的作用,因为它具有独特的溶解性质,在室温流体中难溶的化合物在超临界环境下会变得易溶,而一些在室温下易溶的化合物在超临界环境下变得难溶。而在工程地质地球化学条件的分析中,要重视某些岩石在形成过程中的力学—化学耦合作用及其对后期的水—岩反应的力学效应。一些研究指出,岩石、矿床和构造中许多重要的复杂现象如变质层理、缝合线构造、矿物晶体中的位错构造、板劈理、破劈理以及水力断裂是由于力学—化学耦合引起矿物局部在分配或溶解过程的局域化或化学损伤而形成的

〔36〕〔35〕

这种变化,或者是由于区域构造应力场的变化所致,或者是由于地震前后岩石中微裂隙的形成使透水性

发生变化而造成的。甚至地下水化学组分异常变化

30〕

与中小地震还存在着对应关系〔。利用地震水文地

球化学前兆特征及水化学监测预报地震的研究已取得了一定的进展。但已有的研究仅着重于水化学成分的宏观变化与滑坡、地震宏观规律关系。要清楚化学作用对地震影响的微观机制,首先要研究水—化学作用对岩体力学的影响机理。在此方面,颜玉定通过饱水时间对岩石的各种动态参数影响的实验,探讨了地震与地下水的关系。结果表明,岩石饱水导致了纵、横波速度和动态弹性模量降低并存在差异性。因而认为水—岩水化学作用,使某些成分溶解,破坏和削弱了岩石分子或颗粒的紧密联系,使岩石的内摩擦发生变化,导致地震波的衰减。这种机制已得到普遍承认。岩石的内摩擦不仅引起地震波的衰减,还影响波速比值和弹性模量。长期以来都认为化学环境在摩擦变形方面具有相当重要的作

32〕用〔。断层的非稳定滑动(粘滑)是浅源地震的一种〔31〕

。

2.4　理论方法的研究

2.4.1　损伤力学

岩体内部往往存在着大量弥散分布的细观缺

37〕陷〔,在外部因素,如温度、水化学等作用下,损伤

将逐渐演化。岩体的破坏往往就是由于损伤的集中化及扩展,最终形成宏观的缺陷(如裂纹、裂隙)。在宏观裂纹形成以后,水—岩化学作用愈加强烈,其细观的损伤仍在不断演化,并推动宏观缺陷的发展,而宏观裂纹在扩展过程中所扫过的附近区域,是水—岩化学作用强烈的区域,也是细观损伤高度集中的区域。岩石遇水后强度降低,水造成损伤是重要的原因,有时它比力学因素造成的损伤更为严重。如何合理地考虑裂隙尖端水化学作用的力学效应,是运用损伤力学理论、思想方法进行水—岩化学作用对岩体的力学效应定量研究的关键。损伤力学在此方面研究的拓展值得重视。2.4.2　工程地质地球化学

以上研究主要侧重于材料(矿物)或地球化学本身等方面的研究,而水化学对地质工程方面的岩体变形破坏影响方面的研究不足、目的性不强,主要反映在以下几方面的不足:??宏观与微观的结合;??室内试验与工程实践的结合;??实际环境的水化学作用类型、特征及野外典型地段的研究。因此,对于上述问题必须要系统地加以研究,并建立新的研究领域或学科,以期大家共同重视,使工程岩土体不稳定〔38〕

可能的机制,在影响断层摩擦滑动性状的诸多因素中,含水矿物组成的断层泥也是一种特殊而重要的

因素。摩擦行为的变化还与脱水过程及相应的断层

33〕

物质的变化密切相关〔。地下水的赋存和运移是对

滑坡、围岩等岩体稳定性产生影响的主要自然因素之一。据统计,90%以上的岩质边坡破坏与地下水作用有关。我国大多数滑坡都是以降雨下渗引起地下水状态变化为直接诱导因素。例如,长江中上游地区两岸斜坡的破坏及大瑶山隧道塌方的实际资料,可看出在岩体破坏中水起了相当重要的作用。

34〕

2.3　水—岩反应实验研究〔

水—岩反应实验研究在70年代以后发展较快,到80年代初开始出现开放系统、流动条件下的水—岩反应实验,在此之前其实验都是在封闭体系和静态条件下完成的,例如颇有影响的研究者斯坦福大学的Dickson和Bischoff等。已有的实验发现玻璃的溶解率随流速的提高而增高,且流速有利于平衡矿物组合的形成,甚至通过控制流速可增加反应速率,

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