水诱导的砂岩-泥岩界面抗剪强度劣化：实验与理论研究方法

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Water-induced shear strength deterioration of sandstone-mudstone interface: Experimental and theoretical approach

砂岩-泥岩界面在干湿循环下的剪切强度退化及其本构模型研究。通过宏观剪切试验和微观结构分析发现，摩擦角随循环次数呈负指数下降，剪切刚度随正应力线性增加，水致泥岩墙体收缩膨胀加剧微结构破坏，导致界面力学性能降低。基于圣维南模型和统计损伤力学，建立了考虑正应力和水损伤的剪切本构模型，验证了其预测精度。

　　在西南地区，砂岩与泥岩互层的岩体广泛分布于水库区域。由于水库水位周期性波动，砂岩与泥岩之间的界面的力学性能往往会逐渐劣化，从而影响边坡岩体的稳定性。为了深入研究这种影响，本文通过直接剪切试验、矿物成分分析以及微观结构观察，探讨了砂岩-泥岩界面在周期性干湿循环作用下的宏观剪切性能和微观劣化机制。研究结果表明，随着干湿循环次数的增加，砂岩-泥岩界面的峰值剪切强度和摩擦角均呈现出负指数下降趋势，而剪切刚度则随着正应力的增加而线性增强。在微观层面，试验发现正应力的增加和矿物因水作用而软化会增强界面的磨损效应，且大部分被刮擦的矿物颗粒主要来源于泥岩壁。这表明，砂岩-泥岩界面的剪切阻力因水导致的泥岩壁收缩和膨胀而显著降低。基于剪切应力的变化趋势，本文结合圣维南模型与统计损伤力学原理，建立了一个适用于砂岩-泥岩界面的剪切损伤本构模型，并通过试验结果验证了该模型的预测能力。

### 引言

近年来，西南地区建设并投入运行了许多大型水电站。这些区域的边坡岩体稳定性对于水库及其附属结构的安全至关重要。在这些水库区域中，识别出了多种软硬互层的岩体类型，其中砂岩与泥岩互层的岩体尤为常见。由于这些层状岩体往往沿着软硬岩体之间的界面发生滑动，因此对整体岩体稳定性产生了显著影响，并成为水库区域岩体灾害的主要原因之一。工程实践和已有研究已经表明，砂岩-泥岩互层岩体倾向于在砂岩-泥岩界面发生剪切不稳定。一旦处于周期性水位波动条件下，砂岩-泥岩界面会经历多次干湿循环，从而对岩体的稳定性产生更为负面的影响。因此，有必要深入研究砂岩-泥岩界面在干湿循环作用下的剪切行为，以提供理论依据，评估边坡在长期运行过程中的稳定性。

许多研究人员已经对岩体界面的剪切特性进行了广泛研究。例如，Barton和Choubey（1977）系统地研究了岩体界面在关键因素（如节理粗糙度和正应力）影响下的剪切行为，并提出了广泛应用于岩土工程领域的JRC-JCS剪切强度模型。Mirzaghorbanali等人（2014）研究了剪切速率对岩体界面在循环加载和CNS（常水压）条件下的剪切性能的影响。Mehrishal等人（2017）基于岩体表面粗糙度的基本概念，精确评估了岩体界面的凸起互锁、扩张和基本摩擦特性。Zhang等人（2016）通过理论与实验研究了不同粗糙度岩体界面的剪切性能，并提出了新的岩体界面峰值剪切强度判据。此外，还有一些研究关注水对岩体界面的劣化特性，例如Mehrishal等人（2016）研究了干燥和湿润条件下岩体不连续面的剪切性能差异及机制。Kim等人（2019）在三轴压缩室中研究了多物理条件（热-水-机械）下岩体断裂面的剪切性能。Dou等人（2021）指出，浸水导致的花岗岩断裂强度损失主要是由于吸附水层的形成以及凸起机械特性的下降。Tang等人（2021）将水引起的岩体界面弱化机制分为三类：岩体材料强度的退化、表面摩擦性能的变化以及断裂几何特征的改变。Gao等人（2023）通过实验室试验和理论模型系统地描述了砂岩界面在多次干湿循环作用下的剪切蠕变行为。结果表明，随着干湿循环次数的增加，界面表面会形成多孔和破碎的微观结构，从而加剧变形并降低长期强度。上述研究主要关注于由相同岩体组成的界面，有助于理解岩体界面的剪切性能和水引起的劣化机制。

然而，由于西南地区边坡岩体主要由不同岩性壁面组成，因此对不同岩性壁面在水岩作用下的剪切特性研究逐渐受到关注。例如，Wu等人（2020）研究了中国滑坡易发层中三种典型天然岩体界面的剪切行为，这些界面由不同岩性壁面组成。Dou等人（2023）研究了干湿循环作用下岩石与花岗岩残积土接触面的剪切行为。这些研究为理解不同岩性壁面在水岩作用后的剪切行为提供了重要参考。尽管如此，目前针对干湿循环对砂岩-泥岩界面剪切力学性能退化影响的研究仍较为有限，这限制了我们对这类岩体界面在周期性水库水位波动下的剪切力学行为的理解。

### 试样制备与实验过程

为了研究砂岩和泥岩的基本物理和力学性能，本文按照ASTM标准制备了砂岩和泥岩试样，并进行了XRD测试、巴西劈裂试验以及单轴和三轴压缩试验。此外，还制备了一系列砂岩-泥岩界面试样，并在不同循环次数下进行了干湿循环处理。通过剪切试验，研究了砂岩-泥岩界面在干湿循环条件下的剪切退化行为。同时，使用超景深扫描测试对剪切试验后的界面岩壁进行了微观分析，以揭示其微观劣化机制。

在试样制备方面，从西南地区水库区域的边坡中采集了典型的砂岩和泥岩块体。为了满足直接剪切试验的尺寸要求，将砂岩和泥岩块体加工成尺寸为100 mm × 100 mm × 50 mm的矩形块体。这些试样按照ASTM建议的规格进行了加工，以确保其尺寸符合试验需求。砂岩和泥岩块体被组合成一对砂岩-泥岩界面试样。此外，按照ASTM标准制备了标准圆柱形岩体试样（直径50 mm，高度100 mm），用于确定其基本力学性能。另外，按照ASTM D3967–16（2016）建议，制造了符合巴西劈裂试验要求的圆盘试样（直径50 mm，厚度25 mm）。

为了减少试验结果的离散性，所有制备的试样在进行剪切试验前都进行了基础测试。去除因加工不均或存在原始孔洞、裂缝的试样后，对每个试样的密度和纵波速度进行了检测。选择了密度和纵波速度相近的试样用于后续的剪切试验。最终，共获得了24对砂岩-泥岩试样用于直接剪切试验，4个砂岩圆柱试样和4个泥岩圆柱试样用于单轴和三轴压缩试验，4个砂岩圆盘试样和4个泥岩圆盘试样用于巴西劈裂试验。所有试样均处于自然状态。

在干湿循环处理方面，由于高温可能对泥岩中常见的粘土矿物造成损害，因此采用了较为温和的60 °C至80 °C范围内的温度设置。使用电热烘箱，在60 °C下通过热空气干燥试样24小时以完成一次干燥处理。该方法已被许多研究采用。对于湿润处理，本文采用了一种自研的双室饱和设备，通过真空饱和过程使试样完全吸水。具体来说，将砂岩-泥岩界面试样完全浸入蒸馏水中，并维持在-0.1 MPa的压力下24小时，以确保试样完全饱和。完成一次干燥-湿润循环后，记录为完成一次干湿循环。

在压缩试验中，为了确定砂岩和泥岩的抗压强度特性，使用了由南昌大学和千坤星公司联合开发的三轴试验系统。该系统配备了轴向压缩执行器、三轴压力室和围压执行器，能够施加高达600 kN的正应力并维持高达20 MPa的围压。根据传统的三轴试验方法，确定了适当的初始围压，并在本研究中设置了四种不同的围压值。对于砂岩试样，围压分别为0.0 MPa、2.0 MPa、4.0 MPa和9.0 MPa；对于泥岩试样，围压分别为0.0 MPa、2.0 MPa、5.0 MPa和7.0 MPa。试验中，首先将围压和轴向压力同时以0.05 MPa/s的速度施加至目标围压，随后保持围压不变，轴向压力以0.5 MPa/s的速度逐步增加直至试样破坏，这一过程遵循ASTM D7012-14（2014）的建议。

在巴西劈裂试验中，按照标准化程序进行。试验前，将试样置于承载板中心，并调整球形座以确保均匀应力施加。由于砂岩和泥岩均为软岩，具有较低的抗拉强度，因此按照ASTM D3967-16（2016）建议的试验程序，以0.05 MPa/s的速度加载，使试样在1-10分钟内发生破坏。试验过程中，持续记录压力值直至试样被劈裂。

所有砂岩-泥岩界面试样的剪切试验均在YZW50电液伺服剪切试验系统上进行。该系统包括伺服控制系统、垂直液压缸和水平液压缸。通过循环液压油系统提供正应力和剪切应力，其加载能力在正方向达到500 kN，在切向方向达到300 kN。由于本研究主要关注受上覆岩体重力作用的浅层岩体，其界面承受的正应力相对较低，因此试验中设置的恒定正应力分别为0.5 MPa、0.8 MPa、1.4 MPa和2.0 MPa。砂岩-泥岩界面在0、1、3、6和10次干湿循环后，以0.5 mm/min至10 mm位移的速度进行剪切试验，试验遵循ASTM D5607-08（2008）标准。

为了研究砂岩-泥岩界面在干湿循环和加载作用下的微观结构及退化特征，使用了VHX-7000超景深显微镜对剪切试验后的砂岩-泥岩界面进行扫描。该设备能够提供高分辨率的微观图像，有助于揭示界面在干湿循环和加载作用下的微观变化。

### 试样的物理与力学性能

#### 3.1 矿物组成

砂岩和泥岩的矿物组成如图9所示。两种岩体均含有石英、斜长石、伊利石和绿泥石等矿物。砂岩的粘土矿物重量百分比为18%，主要由伊利石（10.8%）和绿泥石（7.2%）组成，还含有少量钾长石和方解石。而泥岩的粘土矿物重量百分比高达35.3%，主要由伊利石（21.4%）、蒙脱石（10.2%）和绿泥石（3.7%）组成。值得注意的是，泥岩中的粘土矿物含量显著高于砂岩。蒙脱石是一种关键的粘土矿物，它在与水相互作用时容易发生膨胀和收缩。因此，泥岩在干湿循环作用下，其粘土矿物含量很可能会对砂岩-泥岩界面的剪切退化产生重要影响。

#### 3.2 物理与力学性能

在自然状态下，岩体试样的基本物理性能通过天平称重和游标卡尺测量获得。砂岩的单位重量为22.3 kN/m3，含水量为2.08%，孔隙率为5.57%；而泥岩的单位重量为25.04 kN/m3，含水量为0.86%，孔隙率为1.11%。图10展示了在不同围压下砂岩和泥岩的应力-应变曲线。可以看出，随着围压的增加，砂岩和泥岩的三轴压缩强度显著提高。

图11展示了基于库仑破坏准则的应力-应变关系分析结果。得出的库仑破坏线的拟合相关系数（R2）均超过0.9，这验证了本研究中得出的凝聚力和内摩擦角值的准确性。图12展示了砂岩和泥岩试样在巴西劈裂试验后的典型破坏模式。所有试样均表现出沿两个支撑体定义的平面劈裂，这证实了试验结果的有效性。

表1和表2分别列出了天然状态下泥岩和砂岩的压缩试验和巴西劈裂试验结果。结果显示，泥岩的单轴抗压强度、凝聚力和抗拉强度均高于砂岩。此外，泥岩的孔隙率远低于砂岩。总结来看，泥岩颗粒之间的胶结程度可能高于砂岩颗粒。

### 砂岩-泥岩界面的劣化行为

为了揭示砂岩-泥岩界面在周期性干湿循环作用下的退化特性，对界面的剪切性能行为和微观结构扫描结果进行了分析。图13展示了不同干湿循环次数后的砂岩-泥岩界面剪切应力-剪切位移曲线。值得注意的是，所有接受剪切试验的试样均处于湿润状态。如图13所示，剪切应力在剪切位移增加时呈近似线性增长，随后保持相对稳定，且峰值后的应力下降并不明显。总体来看，剪切应力的演变表明，砂岩-泥岩界面的力学响应在剪切过程中表现出理想的弹塑性行为。

通过比较曲线，可以明显看出，在一定干湿循环条件下，剪切刚度（K?）和峰值剪切强度（τ?）随着正应力的增加而显著增强。进一步研究不同干湿循环次数下砂岩-泥岩界面的剪切强度特性，图14展示了正应力与峰值剪切强度之间的关系。图14显示，正应力与峰值剪切强度之间的线性拟合相关系数（R2）高达0.996，这表明即使在不同的干湿循环处理下，峰值剪切强度仍然与正应力保持高度线性关系。此外，在相同的正应力条件下，随着干湿循环次数的增加，峰值剪切强度逐渐下降。因此，干湿循环对砂岩-泥岩界面的剪切强度具有显著影响。

图15展示了摩擦角与干湿循环次数之间的关系。可以看出，摩擦角随着干湿循环次数的增加呈现出非线性下降趋势。通过回归分析，得出摩擦角与干湿循环次数之间的负指数函数关系，其拟合相关系数（R2）高达0.98。值得注意的是，摩擦角在1次和3次干湿循环后急剧下降，而在6次和10次干湿循环后，这种弱化效应逐渐减弱。这表明，随着干湿循环次数的增加，砂岩-泥岩界面的退化效应逐渐减弱，最终达到稳定状态。

### 界面本构模型

为了建立一个能够描述砂岩-泥岩界面在干湿循环作用下的剪切损伤本构模型，本文结合了圣维南模型和统计损伤力学原理。圣维南模型能够有效描述理想弹塑性材料的应力-应变关系。在该模型中，当施加的应力低于塑性成分的屈服应力时，仅弹性元件发生变形；而当应力达到或超过塑性元件的屈服应力时，仅塑性元件发生变形。根据图13的剪切应力-剪切位移曲线，可以得出砂岩-泥岩界面在剪切过程中表现出理想的弹塑性行为。因此，基于圣维南模型和统计损伤力学理论，建立了一个考虑干湿循环影响的剪切损伤本构模型。

该模型考虑了干湿循环引起的损伤和正应力对剪切行为的影响。通过将弹性元件和塑性元件的特性结合，得出了模型的表达式。通过将模型与统计损伤理论相结合，进一步得出了摩擦角的退化模型。模型的参数通过回归分析确定，并与试验结果进行对比验证。

### 模型验证

为了验证模型参数，使用了10次干湿循环后的不同正应力（0.5 MPa、0.8 MPa、1.4 MPa和2.0 MPa）下的剪切试验结果。根据试验数据，得到了摩擦角φ=21.5°，并确定了模型参数l=0.53和m=0.27。为了使预测曲线与试验结果良好对应，将预测曲线的最大剪切位移设定为10 mm，并将预测结果展示在图23中。

通过将试验曲线与预测曲线进行对比，可以发现曲线趋势基本一致，且模型在一定范围内的剪切变形具有良好的适用性。此外，本研究的成果为类似的实验室试验提供了试验条件的设置参考，并且提出的砂岩-泥岩界面剪切损伤演化模型能够更好地预测不同正应力和干湿循环次数下的剪切应力-剪切位移曲线。因此，该模型为评估水库边坡的稳定性提供了理论基础。

### 结论

本文通过实验和理论研究，探讨了砂岩-泥岩界面在干湿循环作用下的剪切性能。从宏观和微观角度解释了水对砂岩-泥岩界面剪切性能的劣化机制。结合圣维南模型和统计损伤力学理论，建立了一个考虑干湿循环影响的砂岩-泥岩界面剪切损伤本构模型。主要结论如下：

1. 在不同的干湿循环处理下，砂岩-泥岩界面的剪切应力-剪切位移关系表现出理想弹塑性行为。随着干湿循环次数的增加，界面的剪切强度逐渐下降。值得注意的是，随着干湿循环次数的增加，剪切强度的退化趋势逐渐减缓，这表明砂岩-泥岩界面的劣化效应随着干湿循环次数的增加而逐渐减弱。

2. 砂岩-泥岩界面的凝聚力较小，可以忽略不计，而摩擦角随着干湿循环次数的增加而下降。得出了一种摩擦角与干湿循环次数之间的负指数函数关系。值得注意的是，摩擦角在1次和3次干湿循环后急剧下降，而在6次和10次干湿循环后，这种弱化效应逐渐减弱。

3. 在干湿循环作用下，砂岩-泥岩界面的剪切刚度随着正应力的增加而增强。在相同的干湿循环处理下，正应力的增加增强了砂岩-泥岩界面的接触，从而在剪切过程中增强了泥岩与砂岩岩壁之间的磨损效应，提高了峰值剪切强度。

4. 由于干湿循环引起的粘土矿物的不均匀膨胀和收缩，导致岩壁的不同软化程度。剪切后的砂岩-泥岩界面的微观结构分析和宏观力学行为表明，岩壁的软化增强了界面接触，从而增强了岩壁之间的磨损效应。然而，干湿循环引起的岩壁软化显著降低了砂岩-泥岩界面的抗剪力学性能。

5. 基于圣维南模型和统计损伤力学理论，建立了一个考虑干湿循环作用的砂岩-泥岩界面剪切损伤本构模型。该模型考虑了水引起的损伤和施加的正应力对界面剪切行为的重要影响。通过试验结果验证，该模型的预测能力良好。