0 引 言
在水库运行过程中，库岸边坡岩体长期浸泡于水体环境中，经历着复杂的水-岩相互作用，导致岩体力学性能发生持续的损伤劣化。花岗岩岩体因其矿物成分与致密结构，具有较高的强度，水-岩作用下劣化效应并不明显。然而岩体内部发育的裂隙面却成为水-岩相互作用的关键敏感区域，长期浸泡致使裂隙面发生损伤劣化。同时，库水位升降、降雨、地震作用等因素还可能导致岸坡的局部岩体沿着裂隙面发生多期次剪切滑移，呈现台阶式增长的变形特征
[1]。因此，库岸岩体裂隙面的性能受库水长期浸泡和剪切次序作用滑移的共同影响
[2-3]，探究长期浸泡与剪切次序作用条件下裂隙花岗岩的剪切劣化规律及机理，具有重要的理论价值与现实意义。
目前，关于水-岩作用下库区岩体物理力学性能劣化规律已开展了大量的研究。任松等
[4]、黄智刚等
[5]、Wang等
[6]、申林方等
[7]分别针对石膏岩、板岩、砂岩、灰岩等岩石进行了一系列长期浸泡水-岩作用试验，揭示了抗压强度、弹性模量和抗剪强度等参数的劣化规律。邓华锋等
[8]、Yin等
[9]结合微细观形貌特征、孔隙度、溶液离子浓度等测试，从微观层面解释了砂岩、石膏岩在水-岩作用下的损伤劣化机制。Yu等
[10]、耿殿栋等
[11]设计模拟了不同浸泡体系和时长下的物理力学试验，通过研究参数变化的趋势建立了岩体损伤本构模型。朱作祥等
[12]通过数值模拟的方法分析了长期浸泡下岩体失稳破坏的作用机理。上述研究显示，长期浸泡作用下岩体的损伤劣化显著，直接影响库岸边坡的变形与稳定
[13]。
岩体中的裂隙是水-岩相互作用最活跃的地带，同时也控制着整个岩体结构的稳定。王瑞红等
[14]通过模拟浸泡水压升降的过程，发现水压的升高增大了裂隙岩样的劣化效应。顾东明等
[15]发现结构面抗剪强度受粗糙度与法向应力的控制，并构建了结构面剪切强度劣化模型。Ogata等
[16]、Zhuang等
[17]、段玲玲等
[18]、窦子豪等
[19]、孙钱程等
[20]对含有裂隙的花岗岩、灰岩、砂岩等开展不同时长水-岩作用试验，分析了峰值抗剪强度、剪切刚度、渗透系数、黏聚力和内摩擦角等力学参数的劣化规律。综合以上研究发现，含裂隙的岩体对水-岩作用表现更为敏感，其力学性能劣化更为显著。
基于已有研究，在水库长期运行过程中，水-岩作用对各类岩石和裂隙面均存在显著的劣化效应，并导致库岸边坡发生多期次变形的叠加。然而，当前研究主要集中于水-岩作用对岩体本身的劣化分析，或剪切次序作用对裂隙面的劣化影响，较少系统开展长期浸泡和多期次剪切滑移叠加作用对裂隙面抗剪性能劣化的研究。基于此，本文结合水库运行过程中库岸边坡岩体的赋存环境，考虑长期浸泡与裂隙岩体的多期次剪切过程耦合效应，设计了长期浸泡作用下裂隙花岗岩的多期次剪切试验，并通过分析裂隙面形貌特征的演变与抗剪强度劣化规律，系统揭示了抗剪性能的劣化机制。
1 试验方法
1.1 花岗岩试件的制备
本试验以裂隙花岗岩为研究对象，试样取自三峡库区秭归县的典型岸坡，为具有天然裂隙面的原位花岗岩岩样。制样时将裂隙面置于试件中部，对端部不平整面进行切割、打磨，制成直径100 mm、高100 mm的裂隙试件。为减少其离散性，对裂隙面进行形貌特征扫描，选取粗糙度较为一致的试件进行剪切试验。同时制备尺寸为直径50 mm、高100 mm的标准圆柱试件，选取密度和波速相近的试件进行岩壁强度（单轴抗压强度）测试。X射线衍射（XRD）及薄片偏光显微镜分析表明，该花岗岩的主要矿物成分为黑云母、石英、钾长石和斜长石，岩体结构致密，裂隙面无充填。典型的裂隙花岗岩试件和标准圆柱试件如
图1所示。
1.2 试验模拟方案
为了较好地模拟库区消落带岩体的损伤劣化过程，根据现场库区水样中各离子浓度(
表1)，并控制pH=8.4、温度为20 ℃等条件，配制试验浸泡用水。根据已有研究
[21]，首先对初始饱水状态下的裂隙花岗岩试件进行抗剪性能测试，随后开展长期浸泡条件下水-岩作用试验。
为了探究裂隙花岗岩试件在长期浸泡以及剪切次序作用下的损伤劣化规律，考虑了1.0、1.5、2.0和2.5 MPa四种法向应力，每种法向应力条件下设置3个平行试件，进行多次剪切试验。参考库岸边坡水-岩作用试验方案
[22]，分别在初始饱水状态（0 d）和第10、30、50、110、170、230 d(对应库区实际运行时间)，采用YZW-1000型微机控制电动直剪仪（济南矿岩试验仪器有限公司），对不同浸泡时长下的裂隙花岗岩试件开展剪切试验。具体操作方案：①将浸泡后的饱水试件取出，固定于直剪仪上；②法向预加载，以0.05 kN/s的速率施加法向预应力至0.10 MPa；③法向加载，以0.10 kN/s的速率加载至法向荷载预定值；④切向预加载，以0.10 kN/s的速率施加切向预应力至0.10 kN；⑤切向加载，以0.24 mm/min的速率施加切向荷载，当剪切位移达到8.00~10.00 mm，或剪切应力值稳定时停止试验；⑥取下试件，扫描裂隙面后重新浸泡。
为定量分析长期浸泡与剪切次序作用下的裂隙面形貌特征，每次剪切试验后采用ST500型三维非接触式表面轮廓仪（Nanovea公司）进行形貌扫描，扫描精度最小为0.1 μm，以最小二乘面作为形貌基准面，扫描范围设为105 mm×105 mm，步长设为200 μm。为避免剪切过程中边缘岩块掉落干扰统计结果，固定圆心，截取直径为80 mm的区域进行分析。参考ISO 25178-2:2021表面结构参数标准，从扫描结果中选取以下参数进行统计分析：Sz（表面的最大高度，单位为mm）反映裂隙面的最大垂直距离；Sq（均方根高度，单位为mm）反映裂隙面相对于平均高度的离散程度；Sdq（均方根梯度）反映裂隙面幅值、波长与倾斜程度；Sdr（展开表面面积占比，单位为%）反映裂隙面相对于二维投影面积的增量。同时，绘制裂隙面形貌参数归一化曲线。
为分析长期浸泡作用下岩壁内部结构和抗压强度的劣化规律，同步开展1组单轴压缩试验，每组试验结果取3个试件的平均值。试验前测量试件的纵波波速，随后通过位移控制的方式以0.005 mm/s的速率施加轴向荷载，直至试件破坏，并绘制长期浸泡作用下岩壁强度与纵波波速的关系曲线。
2 结果与讨论
2.1 抗剪性能劣化规律
绘制不同法向应力下裂隙花岗岩试件随浸泡时长的剪切应力-剪切位移曲线，如
图2所示。根据已有研究
[23]，在统计裂隙面抗剪强度时，若剪切应力-剪切位移曲线中存在峰值，取峰值强度作为抗剪强度；若无峰值，则取稳定阶段的强度值。据此，绘制裂隙花岗岩试件不同浸泡时长下的抗剪强度劣化曲线，如
图3所示。
1）不同浸泡时长下，裂隙花岗岩试件的剪切应力-剪切位移曲线形态基本一致。在初始弹性阶段（剪切位移约0~1 mm），剪切应力随剪切位移的增大呈线性增长；越过屈服点（剪切位移达到1 mm左右）后，应力增长显著放缓，曲线进入屈服平台（剪切位移1~2 mm左右），之后快速进入塑性阶段；在塑性阶段（约2 mm后），曲线表现出小幅波动并伴随轻微的应变硬化现象。整体可分为弹性阶段、屈服阶段与塑性阶段。
2）不同法向应力下，裂隙花岗岩试件的剪切应力-剪切位移曲线随着浸泡时长的增加逐渐向下偏移，峰值抗剪强度均呈下降趋势，整体表现为先快后慢的劣化特征。同时，裂隙花岗岩试件弹性阶段和塑性阶段的曲线斜率随着浸泡时长的增加逐渐变小，屈服点对应的剪切位移从初始状态1 mm左右逐渐右移至2 mm左右，剪切位移持续增大，说明长期浸泡及剪切次序作用显著削弱了裂隙花岗岩的抗剪性能。
结合
图3可以看出：相对于初始状态，0~50 d的裂隙花岗岩试件抗剪强度劣化速率最快，1.0~2.5 MPa法向应力条件下第50 d降幅分别为24.88%、24.30%、23.68%、25.26%；第110 d降幅分别为26.49%、27.07%、27.60%、26.93%；第230 d降幅分别为27.12%、27.60%、27.62%、27.52%；第110 d降幅分别占230 d降幅的97.68%、98.08%、99.93%、97.86%，110 d后抗剪强度的劣化趋势逐渐稳定。
根据莫尔-库仑强度准则，结合不同法向应力下的抗剪性能试验结果，绘制不同浸泡时长下黏聚力和内摩擦角的劣化规律曲线，如
图4所示。可以发现：裂隙面的黏聚力和内摩擦角劣化趋势总体一致，均呈先快后慢的下降趋势，具有明显的非均匀性，能够用指数函数较好地拟合。相对于初始状态，0~50 d劣化速率最快，第50 d黏聚力和内摩擦角分别降低23.07%、14.87%；第110 d分别降低25.60%、17.39%，占230 d降幅的95.34%、95.39%；第230 d黏聚力和内摩擦角分别降低26.85%、18.23%。且通过对比可知，各时期黏聚力的劣化幅度均明显大于内摩擦角。文献[
23]对裂隙岩体的重复剪切试验显示，经过5次剪切，裂隙岩体抗剪强度逐渐下降并趋于稳定，其中，黏聚力和内摩擦角分别降低19.47%和14.80%。比较而言，本文叠加水-岩作用影响后，黏聚力和内摩擦角分别降低了26.85%和18.23%，劣化幅度更为明显，表明水-岩作用导致裂隙面和岩壁的力学性能产生了累积损伤效应。
2.2 裂隙面形貌特征劣化规律
图5为统计后绘制的裂隙面各形貌参数归一化曲线。可以看出：
1）随着浸泡时长的增加，不同法向应力下裂隙面各形貌参数Sz、Sq、Sdq、Sdr下降曲线形态相近，总体呈先快后慢的下降趋势：0~50 d下降速率最快，50 d后下降速率显著降低，并在110 d后趋于稳定。各形貌参数的下降规律与前文裂隙面抗剪强度参数的劣化规律相吻合，说明抗剪性能的劣化与其形貌参数的变化规律密切相关。
2）相对于初始状态，不同法向应力下，第50 d形貌参数Sz、Sq、Sdq、Sdr的下降幅度分别为4.29%~5.41%、1.25%~1.71%、2.86%~3.55%、2.54% ~3.41%；第110 d各形貌参数的下降幅度范围分别为4.66%~5.79%、1.45%~1.89%、3.22%~3.79%、2.81%~3.64%；第230 d各形貌参数的下降幅度范围分别为4.95%~5.88%、1.59%~1.93%、3.42%~3.87%、3.09%~3.65%，第110 d时的劣化幅度分别占230 d降幅的94.14%~98.47%、91.20%~97.93%、94.15%~97.93%、90.94%~99.73%。比较而言，随着法向应力增大，各形貌参数的下降幅度也随之增大，这主要是因为较高的法向应力增强了裂隙面间的切齿与摩擦作用，从而导致裂隙面的起伏程度显著降低。
绘制不同法向应力下，各形貌参数的归一化值与抗剪强度的关系曲线，见
图6。可以发现：裂隙面各形貌参数与抗剪强度具有很好的线性相关关系，形貌特征越复杂，抗剪强度越大。说明在长期浸泡与剪切次序作用下，裂隙面各形貌参数的降低是导致抗剪强度劣化的主要原因之一。
2.3 岩壁强度与纵波波速劣化规律
根据不同浸泡时长下的试验结果，绘制长期浸泡作用下岩壁强度与纵波波速的关系曲线，见
图7。可知，岩壁强度与纵波波速随着浸泡时长的增加逐渐降低，且劣化速率呈逐渐减缓的趋势。相对于初始状态，第50 d时岩壁强度与纵波波速的累计降幅分别为11.22%和6.22%；第110 d时累计降幅分别为12.79%和7.33%；第230 d累计降幅分别为13.66%和8.18%。0~50 d劣化速率最快，岩壁强度与纵波波速劣化幅度分别占230 d降幅的82.14%和76.04%；第110 d岩壁强度与纵波波速劣化幅度分别占230 d降幅的93.63%和89.61%，110 d后岩壁强度与纵波波速劣化趋于平缓。
裂隙花岗岩试件岩壁强度与纵波波速随着浸泡时长的增加呈现同步下降的趋势，这是因为库水的侵入促进了岩壁内部微裂纹和孔隙的发育，从而损伤了岩壁结构，降低了其有效应力。
综合上述裂隙面抗剪强度与形貌参数的劣化规律可知，裂隙面形貌参数的降低与岩壁强度的劣化，是导致裂隙花岗岩抗剪性能降低的两个主要因素。
2.4 裂隙花岗岩抗剪性能劣化机制
在长期浸泡与剪切次序共同作用下，裂隙花岗岩抗剪性能的劣化主要受岩壁的物理力学性能以及裂隙面形貌特征等影响。基于裂隙面形貌特征变化曲线（
图5）、裂隙面抗剪强度（
图3）和岩壁强度劣化曲线（
图7），其劣化机制主要可归纳为以下三个方面：
1）在长期浸泡过程中，水分子不断渗入岩壁与矿物颗粒发生溶解、溶蚀反应，同时持续润滑、软化矿物骨架。试验用花岗岩以长石类矿物为主，另含有部分石英和黑云母。其中石英相对稳定，黑云母在水作用下易发生膨胀，长石是极易与水反应的矿物，化学稳定性较差，易水解生成高岭石等次生矿物
[24]。在水-岩作用下，矿物颗粒趋于圆滑，稳定的联结结构逐渐被次生、软弱的黏土矿物所取代，伴随膨胀应力的作用，微裂纹不断扩展、贯通，导致岩体内部结构弱化。其中，黏聚力主要受矿物颗粒之间联结力的影响，劣化速率较快，而内摩擦角主要受矿物颗粒嵌固程度和颗粒本身强度的影响，劣化速率相对较慢
[25]。这也说明叠加水-岩作用的影响后，抗剪性能的劣化幅度会更为显著。
2）在剪切作用下，裂隙面两侧紧密咬合的凸起发生切齿和摩擦，同时岩壁在一定深度范围内发生损伤。随着多期次剪切滑移的叠加，裂隙面两侧表面趋于平滑，有效接触面积逐渐减小，表现为裂隙面各形貌参数的不断降低。与此同时，剪切次序作用使裂隙面岩壁产生更多的裂隙和破碎带，加剧了岩壁的剪切变形，综合导致宏观抗剪性能的不断劣化。
3）对比岩壁强度的劣化规律可以发现，裂隙面的抗剪性能劣化更为显著，说明裂隙花岗岩的损伤劣化受到水-岩作用与剪切次序作用的相互影响：剪切次序作用为水-岩作用提供了新的反应接触面，而水-岩作用又会导致裂隙面岩壁软化以及裂隙发育。二者共同作用，使裂隙花岗岩抗剪性能持续劣化。
综合上述分析可知：0~50 d裂隙面两侧岩壁内部密实度较高，表面起伏明显，岩壁强度和形貌特征劣化最快，抗剪强度参数迅速下降；第50 d~110 d岩壁内部裂纹与孔隙逐步发育，裂隙面切齿和摩擦作用减弱，劣化速率减缓；第110 d后岩壁强度和裂隙面形貌特征趋于稳定，抗剪强度参数进入平稳劣化阶段。
3 结 论
本文针对库岸边坡多期次剪切滑移变形特征，设计了裂隙花岗岩的长期浸泡与剪切次序共同作用试验研究，分析了裂隙花岗岩抗剪性能劣化规律及劣化机制，主要结论如下：
1）与以往单纯的重复剪切和水-岩作用试验相比，在长期浸泡与剪切次序作用下，裂隙花岗岩的抗剪性能劣化趋势更为显著。其中，随着浸泡时长的增加，裂隙花岗岩的抗剪强度参数总体表现为先快后慢的劣化规律，0~50 d内劣化速率最快，第50~110 d劣化速率减缓，第110 d后趋于稳定。
2）在长期浸泡与剪切次序作用下，裂隙面形貌参数、岩壁强度的劣化特征与裂隙面抗剪强度的劣化相一致。说明形貌参数、岩壁强度的劣化与裂隙面抗剪性能的劣化联系紧密，能够有效反映抗剪性能的劣化规律。因此，在实际工程中，可根据岩体裂隙面形貌特征、岩壁强度等多指标的长期监测，对其力学性能进行评价，进而为库岸边坡稳定分析提供依据。
3）劣化机制分析表明，长期浸泡导致裂隙花岗岩岩壁持续产生水-岩作用损伤；剪切过程中的切齿和摩擦作用导致裂隙面各形貌参数逐渐降低，同时也造成一定深度岩壁的损伤；此外，在长期浸泡与剪切次序作用下，水-岩作用损伤和剪切作用损伤互相叠加，促进损伤效应的累积。在这三方面作用下，共同导致了裂隙花岗岩抗剪性能的劣化。
国家自然科学基金(U22A20600)
湖北省自然科学基金创新群体项目(2025AFA015)
京公网安备11010202008535号
PDF
(2970KB)
