不同水饱和度下沉积岩的强度降低：基于表面能的实验和理论研究

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Strength reduction of sedimentary rocks at varying water saturations: An experimental and theoretical study based on surface energy

　　•断裂能模型预测低黏土岩石中含水饱和度引起的UCS损失。
•模型结合了孔径分布和矿物表面能。
•对不同含水饱和度下的砂岩、石灰岩和页岩进行了单轴试验。
•利用水、异丙醇和Soltrol-130进行的纳米压痕试验验证了表面能降低。
•断裂能变化主导了低黏土岩石中水致弱化。
引言
理解岩石材料的强度是岩石工程的基础，直接影响包括滑坡预测、矿井坍塌、水力压裂、断层复活和核废料安全储存在内的一系列地表和地下作业（Bahaaddini and Hosseinpour Moghadam, 2019; Noori et al., 2026）。已有充分证据表明，除岩石组构和岩性外，岩石强度还受孔隙、温度以及关键的水饱和度等因素影响（Lisabeth and Zhu, 2015; Meng et al., 2024）。岩石的形态学特性（如孔隙度、渗透率）和力学特性，尤其是那些与水反应的岩石，在干燥和饱和条件下可能存在显著差异（Chenevert, 1970; Li et al., 2020b; Pirzada et al., 2020; Zhang et al., 2013）。含水量的变化可导致地质材料力学行为的显著改变，并触发重大地质灾害，如降雨诱发的滑坡（Zheng et al., 2025）。因此，量化水饱和度对岩石力学性质的影响对于评估和减轻岩土工程风险至关重要（Ding et al., 2026）。
此外，已知水入渗会显著改变多孔地质材料的力学行为，这一效应支撑了大量旨在工程灾害缓解和资源回收的研究。相关学者对增强水入渗后岩石和煤的行为进行了深入研究，这项工作推动了煤与瓦斯突出等工程灾害的有效防治以及深部地下资源开采的发展（Ma et al., 2026; Zou et al., 2025; Zou et al., 2022）。Zou等（2022）证明水基纳米流体可以改变煤的表面润湿性，而Zou等（2025）和Ma等（2026）进一步表明流体入渗改变了煤的细观力学响应、裂缝演化和能量耗散。这些研究强化了本工作的核心前提：孔隙和表面尺度上的流体-矿物相互作用对多孔岩石的宏观力学行为具有一阶控制作用。本研究将该前提扩展到低黏土沉积岩（砂岩、石灰岩和碳质页岩），并提供了一个基于物理的、受表面能控制的框架来预测由此产生的强度降低。
已有大量研究致力于探究水对各种岩石类型力学性质的影响（Wong et al., 2016）。鉴于其在地质和岩土工程应用中的实际重要性，特别关注了单轴压缩特性，包括单轴抗压强度（UCS）、杨氏模量和泊松比（Chae et al., 2010）。对以往研究的回顾表明，由于组构和岩性的显著差异，不同岩石类型中水致弱化程度存在显著差异（Cai et al., 2019; Rhett and Lord, 2001; Wong et al., 2016），从石英岩中可忽略不计到富黏土页岩中UCS降低90%以上（Wong et al., 2015）。
已有研究表明，水饱和导致的岩石强度降低主要归因于五种关键机制：（i）断裂能降低，即微裂纹尖端水的存在降低了表面能并促进裂纹扩展（Griffith and Taylor, 1921; Rehbinder and Lichtman, 1957）；（ii）毛细张力，可诱发拉伸微裂纹和结构膨胀（Brignoli et al., 1995; Han, 2003; Hawkins and McConnell, 1992; Papamichos et al., 1997）；（iii）孔隙压力增加，根据Terzaghi原理降低有效应力（Obert et al., 1946; Wang et al., 2026）；（iv）摩擦降低，即颗粒接触处的水膜降低摩擦系数，促进滑动（Grgic et al., 2005）；（v）化学和腐蚀性劣化，包括矿物溶解和膨胀，降低黏聚力并改变岩石组构（Han, 2003; Mann and Fatt, 1960）。在特定岩石中，这些过程可能部分或全部同时作用，但程度不同（Ramos da Silva et al., 2008）。本研究聚焦于低黏土沉积岩：砂岩、石灰岩和碳质页岩，其中断裂能降低通常被认为是最主要机制。以下回顾这些岩石类型中各机制的证据。
Obert等（1946）最早观察到岩石饱和后抗压强度降低。随后Price（1960）比较了砂岩在烘干预、气干和饱和条件下的抗压强度，发现饱和样品的强度降低近45%。Burshtein（1969）表明含水量从0增加到4%可使低黏土砂岩的抗压强度降低50%，而对于富黏土砂岩，仅1.5%的含水量增加即可使强度降低三分之一。
最初，黏土和粉砂含量被认为是饱和砂岩强度降低的最主要影响因素。Mann和Fatt（1960）得出结论认为黏土矿物的存在是弱化的主要原因，报告了杨氏模量降低6-19%和UCS降低10-30%。Colback和Wiid（1965）及Wiid（1967）后来认为含石英岩石的抗压强度主要受石英表面能控制。Atkinson（1984）解释称水通过用弱氢键取代硅酸盐晶格中的强硅氧键来加速裂纹扩展。这一观点得到了Hawkins和McConnell（1992）以及后续许多研究者的支持（Erguler and Ulusay, 2009; Gamal et al., 2020; Jiménez-González et al., 2008; Karakul and Ulusay, 2013; Vásárhelyi and Ván, 2006; Wu and Tan, 2001）。
Baud等（2000）对四种孔隙度在11%至35%之间的砂岩进行了综合研究，并用断裂能降低因子λ量化了弱化程度，表明在水中脆性强度降低了λ1/2倍。摩擦系数降低（Baud et al., 2000; Hawkins, 2007; Li et al., 2020a; Zhao et al., 2016）和毛细张力释放（Han et al., 2002; Zhao et al., 2017; Zhou et al., 2016）也被认为是贡献因素；然而，大多数研究将断裂能降低识别为主要因素（Baud et al., 2000; Li et al., 2021; Zhao et al., 2016; Zhao et al., 2017）。Zhao等（2016）得出结论，对于黏土矿物含量低的砂岩，主要水致弱化机制是断裂能降低和摩擦系数降低。因此，断裂能变化可能是低黏土砂岩强度损失的主要机制。
石灰岩饱和后的强度降低已有数十年的研究历史（Rajabzadeh et al., 2012; Sachpazis, 2004; Vásárhelyi, 2005）。Romana和Vásárhelyi（2007）指出，饱和完整石灰岩的UCS可以是干燥石灰岩的0.8-0.9倍，而对于较软的石灰岩，该系数可低至0.3。与砂岩不同，石灰岩的强度降低常被归因于方解石溶解和黏土膨胀（Cherblanc et al., 2016）。然而，Cherblanc等（2016）表明黏土对许多石灰岩的强度影响并不显著。Parate（1973）提出饱和石灰岩的强度损失是由于黏聚强度降低，而黏聚强度又取决于矿物成分的自由表面能。Srinivasan等（2016）也强调表面能是石灰岩中矿物表面相对稳定性的主导指标。Kvamme等（2007）证明了断裂表面能与方解石溶解之间的强相关性，表明方解石的润湿表面过剩能低于干燥表面，意味着溶解可以通过表面能变化来很好地表征。Yu等（2020）证实石灰岩与水的化学反应及随之而来的矿物变化与断裂能密切相关。因此，断裂能降低似乎是石灰岩中普遍的强度降低现象。
水饱和度对页岩强度的影响已被广泛研究，因为页岩在沉积盆地中占很大比例，并导致许多地质力学失稳（Dusseault, 2004）。Colback和Wiid（1965）首次报道干燥页岩的UCS在水饱和后可降低约50%。Jumikis（1966）发现饱和Brunswick页岩的UCS比干燥状态下低一个数量级。Ghafoori（1995）观察到较小的含水量（0.5-4%）可使某些页岩的UCS变化高达90%。一些富黏土页岩在接触淡水时完全崩解（Roshan et al., 2015）。
页岩通常含有大量黏土矿物，这些矿物在接触水时表现出不同的行为。Chilingar和Knight（1960）讨论了不同压力条件下水对不同黏土类型的影响。Griggs（1967）提出水渗入颗粒边界并通过硅酸盐晶体的水解弱化降低黏聚强度。许多后续研究更详细地探讨了化学劣化（Chapman, 1975; Chenevert, 1970; Roehl and Hackett, 1982）。Hsu和Nelson（1993）展示了页岩的膨胀和收缩如何引起应力变化导致崩解。Hawkins和McConnell（1992）以及Rhett和Lord（2001）认为化学效应、二氧化硅和方解石及石膏的溶解以及黏土膨胀是页岩中最主要的弱化机制，这一观点后来得到Ryczko等（Ryczko et al., 2010）、Josh等（Josh et al., 2012）和Lashkaripour及Ajalloeian（2000）的支持。
毛细压力变化在页岩强度降低中也被认为是重要的（Bybee, 1999; Forsans and Schmitt, 1994）。不同离子溶液根据其与黏土矿物的相互作用产生不同的毛细效应（Siddiqui et al., 2019）。毛细吸力和随之而来的黏土膨胀可因局部强度降低而引发微裂缝（Siddiqui et al., 2020a）。页岩中的强度降低现象紧密耦合，使得分离单个机制具有挑战性。尽管如此，一些研究者认为表面自由能是主要因素。Spencer Jr（1981）和Parks（1984）解释称吸附流体降低了表面能并导致衰减和模量频散。随后Amanullah（1993）提出流体侵入降低表面自由能，进而降低颗粒间摩擦和黏聚力。
页岩中的水致弱化过程由于黏土矿物的存在、多变的矿物学和复杂结构而比其他岩石更为复杂（Akrad et al., 2011），难以指定单一主导机制。然而，对于黏土含量相对较低的页岩，表面能降低直观上是主要原因。例如，Gupta等（2018）表明压裂过程中活性二氧化硅表面的水解显著降低了表面自由能，从而降低了含有大量方解石和二氧化硅的页岩的杨氏模量和UCS。
尽管已有大量研究，但仍缺乏一个统一且基于物理的模型来可靠预测不同低黏土沉积岩的UCS随水饱和度的变化。现有相关性主要是经验性的，限制了其适用范围。本研究旨在填补这一空白，通过：（i）对砂岩、石灰岩和碳质页岩在精确控制的水饱和度下进行全面的单轴压缩试验；（ii）开发一个基于断裂能的理论模型来捕捉观察到的强度降低；（iii）通过使用水和非反应流体的独立单轴试验和纳米压痕测量来检验模型的基本假设，即表面能降低是主导机制。
章节片段
样品制备
本研究使用了三种不同的沉积岩：来自美国Utica组（United States）的碳质页岩、来自澳大利亚新南威尔士州Gosford的Hawkesbury组（NSW, Australia）的石英质砂岩，以及来自南澳大利亚（Australia）Mt. Gambier的方解石质石灰岩。每种样品的矿物学信息由（Chen et al., 2020b; Masoumi et al., 2014; Pietras and Spiegel, 2018; Pirzada et al., 2023; Roshan et al., 2016b）报道。同样，这些岩石的孔隙度也已由...
单轴抗压强度和杨氏模量随水饱和度的变化
对每种岩石类型在每个预设水饱和度水平下进行了五次单轴压缩试验。饱和度水平的选择旨在对水软化曲线的全范围进行采样，同时确保每个目标饱和度能够通过湿度控制方法可靠且可重复地实现。对于砂岩和石灰岩，全套水平（0、35、50、70、90和100%）均可达到。对于页岩而言，其极细的孔隙网络和低渗透性使得蒸汽实验方法及数据可靠性面临挑战。第3节中呈现的实验结果证实，所研究的三种低黏土沉积岩的杨氏模量和单轴抗压强度随着含水饱和度的增加而单调递减。在解释这些趋势之前，必须检验所采用的饱和度方法的可靠性。通常采用两种方法研究含水饱和度对岩石力学性质的影响。第一种方法是将岩石试样暴露于……结论在可变含水饱和度条件下，沉积岩单轴抗压强度（UCS）的可靠预测对于评估浅部地壳在流体驱动扰动（包括地下水补给、地下储存和地热能作业）下的力学稳定性至关重要。尽管其重要性显著，但目前仍缺乏能够预测UCS随含水量变化的基于物理的模型，现有相关性主要为经验性的，且……CRediT作者贡献声明Mohammad Sarmadivaleh：写作——审阅与编辑，正式分析。Mohammad Asad Pirzada：写作——原稿，可视化，验证，方法学，正式分析，数据管理。Abolfazl Hashemi：写作——审阅与编辑，可视化，方法学，数据管理。Mojtaba Bahaaddinia：写作——原稿，可视化，验证，监督，方法学，正式分析，数据管理。Hamid Roshan：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，正式分析。利益冲突声明? 作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。M. Bahaaddini|M.A. Pirzada|A. Hashemi|M. Sarmadivaleh|H. Roshan