劉燕，楊小彬，汪洋，裴艷宇

中國礦業(yè)大學(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學院，北京 100083

巖石的摩擦滑移是巖石力學的基本問題，許多壓剪條件下的巖石力學行為都與此有關(guān)[1-2]。隧道、邊坡、堤壩和礦山巷道等大型構(gòu)筑物或建筑物的建造不可避免地涉及巖石摩擦滑動問題[3-4]。因此，通過摩擦滑移試驗對巖石的摩擦滑移演化特征進行研究，有助于深化巖石相關(guān)災(zāi)害現(xiàn)象認識，能夠為認識巖石形成宏觀斷裂面后的后繼變形演化行為以及相關(guān)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報研究提供參考。

目前研究巖石摩擦滑動的試驗方法主要為直剪、雙剪、扭剪和三軸等4種方法[5-6]，國內(nèi)外專家針對巖石的摩擦滑動問題開展了許多研究。宋義敏等[7-8]采用雙面剪切模型實驗方法，對巖石試件在摩擦滑動過程中的位移場、滑動面的滑動位移及變形能密度的演化特征進行了研究；以數(shù)字散斑相關(guān)方法和聲發(fā)射系統(tǒng)為實驗監(jiān)測手段，開展界面摩擦滑動速率與聲發(fā)射振鈴計數(shù)、界面摩擦滑動位移與聲發(fā)射累計能量、試件變形能密度與聲發(fā)射b值的對應(yīng)關(guān)系研究。韓文梅等[9-10]對典型巖石摩擦滑動試驗裝置進行了改進，在低正應(yīng)力條件下對巖石摩擦滑動過程中的靜摩擦系數(shù)進行了試驗研究；從本構(gòu)參數(shù)的角度出發(fā)，研究自然、飽水和干燥狀態(tài)下巖石摩擦滑動過程中的穩(wěn)定性。劉善軍等[11]以花崗閃長巖和輝長巖為例，結(jié)合遙感-巖石力學基礎(chǔ)實驗，研究了雙軸加載條件下巖石摩擦滑移特征，重點對影響巖石摩擦滑移特征的5個重要因素，即正應(yīng)力、巖性、摩擦表面粗糙度、含水性及摩擦速率進行了實驗分析。李清淼[12]通過對巖樣在殘余強度階段的加卸載圍壓實驗，研究巖石峰后的力學特性，提出了峰后彈性滑移力學機理。昝月穩(wěn)等[13]分析巖石圍壓試驗和真三軸試驗下的破壞及強度特征，提出了1種適合于巖石材料的雙剪模型。王海軍等[14]采用砂巖試樣進行巖石記憶性物理實驗，提出在低于微裂紋初始應(yīng)力以下應(yīng)力區(qū)，變形記憶性的機理為微裂紋和顆粒接觸面的摩擦滑動。Lockner等[15]利用聲發(fā)射定位方法，研究了巖石破壞過程中裂紋的非均勻演化特征。王建明等[16]開展了3種不同長度巖橋的雙軸單面卸荷試驗，模擬了滑坡前緣蠕滑破壞和后緣陡拉裂隙，分析了不同卸荷速率下試樣強度、變形、破壞特征和裂隙擴展模式。張凌凡等[17]利用 Geiger 定位法和混合矩張量理論，進行了巖石的張拉和剪切試驗，分析了巖石不同斷裂類型的時空演化特征。國內(nèi)外學者在巖石摩擦滑動理論、試驗方法、摩擦滑動方式和穩(wěn)定性分析方面已有大量的研究工作，且方法也比較成熟，但在巖石破壞形成斷裂面或結(jié)構(gòu)面后，對其進一步演化特征的研究仍不完善。

本文選用一種花崗巖作為試驗材料，用水刀加工預(yù)制穿透性裂紋，采用雙剪模型的試驗方法進行摩擦滑移試驗。試驗過程中，用CCD相機記錄散斑圖像，并利用數(shù)字散斑相關(guān)方法[18]對巖石摩擦滑移過程中的水平位移場、豎直位移及水平位移的演化進行分析，研究巖石摩擦滑移演化特征。

1 雙剪摩擦滑移試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ图跋到y(tǒng)

試驗選用一種剪切模量約為25.7 GPa的花崗巖作為試驗材料，用專用儀器切割為側(cè)“凸”型上下對稱的試件，采用雙剪模型進行試驗。試件未凸起巖塊尺寸為280 mm×50 mm×170 mm(長×寬×高)，凸起巖塊尺寸為50 mm×50 mm×70 mm(長×寬×高)，采用水刀沿凸起巖塊上下面分別加工一條穿透預(yù)制裂紋，裂紋長度為150 mm、寬度為1.5 mm，如圖1(a)所示。試件滑移面用300號金剛砂紙打磨，表面噴漆制作散斑場，并在未凸起巖塊左端設(shè)置水平位移約束。選取C區(qū)域為巖塊水平位移場演化分析區(qū)域，根據(jù)試件對稱性，在上滑移面等距選取P1-P1’、P2-P2’、P3-P3’、P4-P4’、P5-P5’五組點作為分析圍壓作用下界面摩擦滑移引起的水平位移及豎直位移變化規(guī)律的對稱點。

試驗系統(tǒng)包括由RLJW-2000液壓伺服試驗機組成的加載系統(tǒng)和由CCD相機及計算機組成的圖像采集系統(tǒng)，如圖1(b)所示。CCD相機的圖像采集速度為5幀/s，圖像分辨率為1 600 pixel× 1 200pixel，物面分辨率為0.24 mm/pixel。

1.2 試驗過程

試驗開始前，在試件表面噴涂人工散斑場并將之安裝在液壓伺服試驗機上，在試件未凸起端設(shè)置水平位移約束[圖1(a)]；對加載系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)進行對時，確保試驗系統(tǒng)時間的一致性；調(diào)整CCD相機的位置及分辨率，使其能夠獲得試樣全場散斑圖像并能清晰捕捉裂紋及兩側(cè)散斑圖像變化。

首先，采用力控制加載方式對試件上下端面施加豎向荷載(圍壓)，加載速率為0.105 kN/s，當圍壓達到140 kN(應(yīng)力為10 MPa)時，停止加載并保持圍壓不變；接著，采用位移加載方式對試件水平方向進行加載，加載速率為0.25 mm/min，同時啟動CCD相機采集試件表面散斑圖像，加載至試件破壞或發(fā)生大的水平滑移后，試驗停止，同時停止圖像采集，試驗結(jié)束。

重復(fù)1組相同試驗后，對采集的散斑圖像和加載系統(tǒng)的歷史試驗數(shù)據(jù)進行分析。

1.3 試驗結(jié)果

進行2組相同實驗后，選取其中的1組進行描述。試件的水平加載采用位移控制，壓機采集軟件獲得試件的摩擦滑移剪應(yīng)力-時間曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，隨著加載的進行，剪應(yīng)力隨時間的變化趨勢表現(xiàn)為Ⅰ(緩慢增長階段)、Ⅱ(線性增長階段)、Ⅲ(峰后降低階段)3個階段。根據(jù)曲線的變化特點，對加載歷史過程中的9個典型時刻進行標識，作為試樣摩擦滑移位移場整體演化分析的標識點。選取孔隙壓密階段的標識點o時刻對應(yīng)的散斑圖像為參考圖像，標識點a、b為標識點o后剪應(yīng)力緩慢增長階段的等時間間隔點，標識點c為剪應(yīng)力值與圍壓值相等點，標識點d為剪應(yīng)力線性增長階段的起始點，標識點e、f、g為剪應(yīng)力線性增長階段的等剪應(yīng)力差值點，標識點h為剪應(yīng)力增長的峰值點。

2 巖石摩擦滑移位移演化特征分析

2.1 巖石摩擦滑移不同時刻位移場演化分析

為了更直觀地看到巖石摩擦滑移位移場隨剪應(yīng)力的演化，對其進行更深入地分析，利用數(shù)字散斑相關(guān)方法和Matlab語言計算并繪制出標識點a、b、c、d、e、f、g、h時刻的水平位移場云圖，所分析的水平位移場云圖區(qū)域與圖1(a)中C區(qū)域相對應(yīng)。數(shù)字散斑圖像的坐標系以水平向右為正，豎直向下為正；圖中位移場等值線設(shè)置為20條，等值線量值為負時加載巖塊向約束端移動。

2.1.1 剪應(yīng)力緩慢增長階段

剪應(yīng)力緩慢增長階段的巖石摩擦滑移水平位移場云圖如圖3所示。

圖3 剪應(yīng)力緩慢增長階段的巖石摩擦滑移水平位移場云圖

在標識點a時刻(剪應(yīng)力值為0.3 MPa)，受到位移加載時間較短，由于巖石表面并不完全光滑，接觸面存在凹凸體變形，試件處于靜摩擦狀態(tài)，其位移主要受圍壓作用；位移場云圖表現(xiàn)為位移場等值線沿水平方向呈波動狀，等值線量值較小，靠近加載側(cè)的等值線分布較密集。

在標識點b時刻(剪應(yīng)力值為2.3 MPa)，隨著位移加載時間增加，滑移接觸面的凹凸體被逐漸壓密，接觸面局部區(qū)域開始出現(xiàn)小的摩擦滑移，位移演化由圍壓起主要作用轉(zhuǎn)化為圍壓與剪切力共同作用；位移場云圖表現(xiàn)為位移場等值線量值略有增加，中部等值線逐漸平滑且向加載端傾斜，傾斜角度小于45°，等值線分布變稀疏，加載端和約束端的等值線分別向上和向下傾斜，分布明顯增密。

在標識點c時刻(剪應(yīng)力值為10.0 MPa)，試件所受到的剪應(yīng)力與圍壓大小相等；位移場云圖表現(xiàn)為位移場等值線量值略有增加，中部等值線傾斜角度達到45°，加載端和約束端的等值線近似直線，與豎直方向平行，等值線分布明顯增密。

2.1.2 剪應(yīng)力線性增長階段

剪應(yīng)力線性增長階段的巖石摩擦滑移水平位移場云圖如圖4所示。

在標識點d時刻(剪應(yīng)力值為38.6 MPa)，隨著加載時間的增加，接觸面的凹凸體出現(xiàn)變形，接觸面局部區(qū)域出現(xiàn)較明顯的摩擦滑移，位移演化逐漸轉(zhuǎn)為受剪切力作用為主；位移場云圖表現(xiàn)為位移場等值線量值繼續(xù)增大，中部等值線的傾斜角度達到60°。

在標識點e時刻(剪應(yīng)力值為49.6 MPa)，隨著加載時間的增加，位移演化受剪切力作用較標識點d時刻更加明顯，但由于圍壓的存在造成位移等值線局部繞流，即一種流體繞開固體阻礙物流動的現(xiàn)象，試件發(fā)生局部小滑移；位移場云圖表現(xiàn)為位移場等值線量值增加較少，左上角等值線呈弧形且分布密集，傾斜角度較圖4(a)略有增加。

圖4 剪應(yīng)力線性增長階段的巖石摩擦滑移水平位移場云圖

在標識點f時刻(剪應(yīng)力值為60.7 MPa)，隨著加載時間的增加，位移演化明顯表現(xiàn)為受剪切力作用為主，圍壓作用對局部繞流的影響明顯增大；云圖表現(xiàn)為約束端的位移場等值線量值增加較小，等值線呈弧形且分布較稀疏，形成強阻滑區(qū)，加載端的位移場等值線量值明顯增大，等值線沿豎直方向近似平行(傾斜角度達到90°)且分布較密集，形成弱阻滑區(qū)域；加載端和約束端的位移場等值線量值相差較大，出現(xiàn)強阻滑區(qū)繞流現(xiàn)象[19]。

在標識點g時刻(剪應(yīng)力值為74.8 MPa)，隨著加載時間的增加，圍壓作用對局部繞流的影響逐漸減??；云圖表現(xiàn)為強阻滑區(qū)的位移場等值線量值略有減小，強阻滑區(qū)面積減小，弱阻滑區(qū)的位移場等值線量值略有增加，弱阻滑區(qū)面積增大，強阻滑區(qū)繞流現(xiàn)象減弱。

2.1.3 剪應(yīng)力峰值點

剪應(yīng)力峰值點(標識點h)的巖石摩擦滑移水平位移場云圖如圖5所示。在標識點h時刻(剪應(yīng)力值為88.9 MPa)，隨著位移加載時間的增加，接觸面局部區(qū)域滑移速度減緩，其位移受剪切力作用為主；位移場云圖表現(xiàn)為位移場等值線量值再次明顯增大，等值線較平滑，中部位移呈梯度變化，強阻滑區(qū)域繼續(xù)減小，弱阻滑區(qū)域繼續(xù)增大，繞流現(xiàn)象消失。

圖5 剪應(yīng)力峰值點(標識點h)的巖石摩擦滑移水平位移場云圖

2.2 巖石滑移界面位移演化分析

在對巖石摩擦滑移位移場演化分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)試件的對稱性，進一步對巖石上滑移面的豎直位移和水平位移進行分析。由圖2可知，在標識點o時刻前剪應(yīng)力處于初始的緩慢增長階段，滑移面的豎直位移和水平位移近似為0，故從標識點o時刻開始計算巖石摩擦滑移的位移演化曲線。

滑移面的豎直位移和水平位移通過虛擬位移計求得。如圖1(a)所示，沿滑移面水平方向等距取5組對稱點，對稱點的豎直位移差值表示滑移面的咬合程度，水平位移差值表示滑移面上下滑塊位移的錯動量。巖石摩擦滑移豎直和水平位移演化曲線如圖6所示，圖6(a)為豎直位移演化曲線，豎直位移量值為正，代表滑移面豎向受壓，滑移面咬合程度增加；反之代表滑移面豎向張拉，滑移面咬合程度減弱。圖6(b)為水平位移演化曲線。

在剪應(yīng)力緩慢增長階段，對應(yīng)加載時間1 183.3 s前(圖6中Ⅰ階段)，滑移面的豎直位移量值較小，呈緩慢增長，且靠近固定端的豎直位移量值較大，增長速率較快。該現(xiàn)象表明，隨著加載的進行，此階段豎直位移演化由圍壓作用轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷫汉图羟辛餐饔茫佑|面的凹凸體被逐漸壓密，滑移面的咬合程度逐漸增加，靠近固定端的滑移面咬合程度增加更明顯；此階段滑移面的水平位移緩慢增長，1-5組對稱點的水平位移演化曲線隨著加載的進行逐漸由重合到分散，且分散后1-5組對稱點的水平位移呈波動增長，靠近加載端的水平位移演化曲線增長更明顯，表明水平位移演化由圍壓作用轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷫汉图羟辛餐饔?，滑移接觸面的凹凸體被逐漸壓密產(chǎn)生變形，靠近加載端的凹凸體變形程度更大，滑移面由靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦和滑移的交替狀態(tài)。

圖6 巖石摩擦滑移豎直和水平位移演化曲線

在剪應(yīng)力線性增長階段，對應(yīng)加載時間 1 183.3～1 308.2 s(圖6中Ⅱ階段)，滑移面的豎直位移出現(xiàn)不同程度地激增，靠近固定端的豎直位移增長較大，滑移面的豎直位移在激增后繼續(xù)緩慢增長，并在緩慢增長后回落，靠近加載端的豎直位移由正值減小為負值。該現(xiàn)象表明，隨著水平位移加載的進行，此階段逐漸轉(zhuǎn)為受剪切力作用為主，試件凹凸部分發(fā)生磨損，滑移面的咬合程度迅速增加，靠近固定端的滑移面咬合程度增加更明顯；在試件界面發(fā)生磨損后，滑移面的咬合程度呈小幅增加，并且靠近加載端的第5組對稱點相對于初始狀態(tài)咬合程度明顯減弱。試件界面整體咬合程度的急劇增加到減弱，可以作為試件整體滑移的另一個前兆。而滑移面的水平位移，則在標識點d時刻快速增長后在標識點f時刻開始快速減少，靠近加載端的水平位移變化較明顯，表明隨著加載的進行，此階段逐漸轉(zhuǎn)為受剪切力作用為主，試件開始出現(xiàn)損傷，并在損傷后受到反作用力。

在剪應(yīng)力峰后階段，對應(yīng)加載時間1 308.2 s至加載結(jié)束(圖6中Ⅲ階段)，滑移面的豎直位移變化不明顯。該現(xiàn)象表明，此階段受剪切力作用為主，滑移面的凹凸體阻礙性能較低，試件處于滑移狀態(tài)。此階段滑移面的水平位移緩慢減少，表明此時受剪切力作用為主，試件仍受到加載端巖塊的反作用力。

通過上述分析可得，在試件界面出現(xiàn)磨損前，影響滑移面位移演化的主要原因是接觸面的凹凸體阻礙，凹凸體阻礙性能與巖石強度和滑移面的咬合程度有關(guān)；在試件界面出現(xiàn)磨損后，影響滑移面位移演化的主要原因是加載巖塊的反作用力。錯動位移演化受巖石試件材料非均勻性影響，在剪應(yīng)力增長前階段，兩端錯動位移小于中部錯動位移，增長后階段加載端到固定端錯動位移發(fā)生波動變化，兩端錯動位移相對較大，中部錯動位移相對較小。

3 結(jié) 論

考慮圍壓對界面滑移的影響，采用雙剪模型進行試驗，利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對巖石界面摩擦滑移過程中的水平位移場、豎直位移及水平位移的演化進行分析，得到如下結(jié)論：

(1) 在剪應(yīng)力緩慢增長階段，接觸面的凹凸體變形，滑移面的咬合程度逐漸增大，水平位移場等值線沿水平方向呈波動狀；位移場等值線量值較小，該階段位移演化由圍壓作用轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷫汉图羟辛餐饔?；在剪?yīng)力線性增長階段，接觸面的凹凸體阻礙性減小，試件出現(xiàn)磨損，水平位移場兩端的等值線近似直線且與豎直方向平行，水平位移場形成強阻滑區(qū)和弱阻滑區(qū)，位移量值快速增大后減小，該階段位移演化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗羟辛ψ饔脼橹鳌?/p>

(2) 水平位移開始快速增加時出現(xiàn)繞流區(qū)域，繞流區(qū)域隨著位移快速增加而增大，繞流現(xiàn)象的出現(xiàn)是試件局部滑移的前兆信息；水平位移開始快速減少過程中繞流區(qū)域逐漸縮小至消失，繞流現(xiàn)象的消失可作為試件整體滑移的前兆信息。

(3) 試件所受到的剪應(yīng)力逐漸增大至與圍壓相等時，位移場云圖中部等值線向加載端傾斜的角度逐漸增加至45°；位移場云圖中部等值線向加載端傾斜的角度增加至60°時，試件出現(xiàn)局部滑移；試件所受到的剪應(yīng)力大于圍壓時，位移場云圖中部等值線向加載端傾斜的角度繼續(xù)增加直至90°，試件出現(xiàn)整體滑移。