地下水渗流对岩体力学性质的影响

【摘 要 】针对地下水通过物理、化学和力学作用于岩石并引起岩石破坏的特点,分析了岩石水损伤机理,从总体上深化了对水―岩作用机理的认识.

【关 键 词 】地下水；岩体；作用机理

引言

作为影响岩体力学性质的一个活跃因素,水对岩石强度、弹性模量等方面作用的研究越来越受到人们的重视0.然而,水对岩石作用机理的研究是真正关系到能否解决以上诸多问题的关键所在.

1.机理分析

地下水是一种重要的地质营力,它与岩体之间的相互作用,一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质,另一方面也改变着地下水的物理、力学性质及化学组分.运动着的地下水对岩体产生三种作用,即物理的、化学的和力学的作用0.

1.1 地下水对岩体的物理作用

这种作用主要是由岩石中的结合水产生的,结合水是由于矿物对水分子的吸附力超过了重力而被束缚在矿物表面的水,水分子运动主要受矿物表面势能的控制,这种水在矿物表面形成一层水膜,产生下述几种作用：

润滑作用0.由可溶盐、胶体矿物连结成的岩石,当有水浸入时,可溶盐溶解,胶体水解,使原有的连结变成水胶连结,导致矿物颗粒间连结力减弱,摩擦力减低.这个过程在斜坡受降水入渗使得地下水位上升到滑动面以上时尤其显著.润滑作用使岩石的变形性提高,摩擦角减小.

软化和泥化作用.束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧,起连结作用,这种作用对于被土填充的结构面的力学性质的影响很明显0 .由于岩体结构面中充填物随含水量的变化,发生由固态向塑态直至液态的弱化效应,使岩体的力学性能降低,粘土质岩石尤甚0.此外,当硬岩断层破碎带中含有大量粘土质填充物时需注意这种作用[6].

结合水的强化作用0.处于非饱和带的岩体,其中的地下水是结合水,处于负压状态,按照有效应力原理,非饱和岩体中的有效应力大于岩体的总应力,从而增强了岩体的强度.

冻融作用0.孔隙、微裂隙中的水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大.这种作用我国北方应特别注意.

水楔作用0.当有水分子补充到矿物颗粒靠得很近的矿物表面时,矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围,在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙挤入.这种现象称水楔作用.饱水岩石在受力过程中,水楔作用的影响更大,岩石强度的降低也较多.

以上几种作用都是与岩石中结合水有关,而岩石含结合水的多少主要和矿物的亲水性（由粘土质矿物含量决定）有关.水对岩石的上述几种作用往往是其中几种同时发生.且绝大多数都降低了岩体的力学性能.根据实验研究,对于多孔隙的砂岩,饱水后的弹性模量甚至降低到了干燥时的1/3.Colback和Wiid对石英质页岩和石英质砂岩的研究,饱水抗压强度仅为干燥时抗压强度的50%0.

岩石试件的含水量也显著影响岩石的抗压强度指标值,含水量越大,强度指标值越低.水对岩石强度的影响通常以软化系数0.

1.2 地下水对岩体的化学作用0

主要是指地下水与岩体之间的离子交换、溶解作用（岩溶）、水化作用（膨胀岩的膨胀）、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用等.

离子交换.地下水与岩体之间的离子交换是由物理力和化学力吸附到岩土体颗粒上的离子和分子与地下水的一种交换过程.通常富含Ca或Mg离子的地下淡水在流经富含Na离子的土体时,使得地下水中的Ca离子或Mg离子置换了土体中的Na,一方面由水中Na的富集使天然地下水软化,另一方面新形成的富含Ca和Mg离子的粘土增加了孔隙度及渗透性能,使得岩土体的结构改变,从而影响岩土体的力学性质.

溶解作用和溶蚀作用.天然的大气降水在经过渗入土壤带、包气带或渗滤带时,溶解了大量的气体,弥补了地下水的弱酸性,增强了地下水的侵蚀性.这些具有侵蚀性的地下水对可溶性岩石如石灰岩（CaCO3）、白云岩（CaMgCO3）、石膏（CaSO4）、岩盐（NaCl）以及钾盐（KCl）等产生溶蚀作用,增大了岩石的空隙率及渗透性.

水化作用.水化作用是水渗透到岩土体的矿物结晶格架中或水分子吸附着到可溶性岩石的离子上,使岩石的结构发生微观、细观及宏观的改变,减小岩土体的内聚力.

水解作用.水解作用是地下水与岩土体（实质上是岩土物质中的离子）之间发生的一种反应,该反应一方面改变着地下水的PH值,另一方面也使岩土体物质发生改变,从而影响岩土体的力学性质.

氧化还原作用.氧化还原作用是一个电子从转移到另一个原子的化学反应.地下水和岩土体之间常发生的氧化过程有：硫化物的氧化过程产生Fe2O3和H2SO4,碳酸盐岩的溶蚀产生了CO2.地下水与岩土体之间发生的氧化还原作用,既改变着岩土体中的矿物组成,又改变着地下水的化学组分及侵蚀性,从而影响岩土体的力学性质.

以上地下水对岩土体产生的各种化学作用大多是同时发生的,一般地说化学作用进行的速度很慢.地下水对岩土体产生的化学作用主要是改变岩土体的矿物组成,改变其结构性而影响岩土体的力学性能.

1.3 地下水对岩体的力学作用0

岩石中的自由水不受矿物表面吸着力控制,其运动主要受重力作用控制,它对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用.

地下水对岩体的力学作用主要通过孔隙静水压力和孔隙动水压力作用对岩体的力学性质施加影响.前者减小岩体的有效应力而降低岩体的强度；后者对岩体产生切向的推力以降低岩体的抗剪强度.孔隙和微裂隙中含有重力水的岩石突然受载而水来不及排出时,岩石孔隙或裂隙中将产生高孔隙水压,减小了颗粒之间的压应力,从而降低了岩石的抗剪强度,甚至使岩石的微裂隙端部处于受拉状态从而破坏岩石的连结.地下水在松散破碎岩体及软弱夹层中运动时对土颗粒施加一体积力,可将岩石中可溶物质溶解带走,在孔隙动水压力的作用下可使岩体中的细颗粒物质产生移动,甚至被携出岩体之外,从而使岩石强度大为降低,变形加大,前者称为溶蚀作用,后者称为潜蚀作用,在岩石中有酸性或碱性水流时,极易出现溶蚀作用,当水力梯度很大时,对于孔隙度大,连结差的岩石易产生潜蚀作用；在岩体裂隙或断层中的地下水对裂隙壁施加两种力,一是垂直于裂隙壁的空隙静水压力（面力）,该力使裂隙产生垂向变形；二是平行于裂隙壁的空隙动水压力（面力）,该力使裂隙产生切向变形.具体同时还应当指出,除了上述几种作用外,还有一些作用值得我们去研究,如日本学者中龙之进等人的实验研究发现了磨光了的花岗岩表面湿润状态时比干燥状态时内摩擦角高的罕见现象.此外,还曾发现,当正应力增加到一定数值时,沿湿润状态的花岗岩磨光面进行剪切,会发生剧烈的粘滑.对于上述现象,目前还不能充分合理地阐明它们的机制.

2.工程实例0

鉴于岩体中水的性状是多样性的,水岩相互作用是多式的,二者再一叠加,其情况就错综复杂,因而开展水岩相互作用的敏感性研究有很大的必要性.通过敏感性的研究,不仅可深化水在岩体中的地位和作用,而且可精细地识别水在岩体中多方面的具体影响.为此,我们以实例开道,以便得到真实的启示.

实例一――平庄西露天煤矿.它的第16次滑坡,滑体长395m,宽181m,高41m.滑坡体积为4.212×105m3,主要岩性为砂页岩和页岩,滑坡前的倾角为20°,滑后的坡角16º,30＇,滑坡面的倾角为18º,40＇.在滑坡顶部由于降雨积水,形成一条长约300m的积水区,它浸泡着软弱岩层.采用SARMA法进行稳定性演算时,在有水的情况下,其安全系数为K等于1.15～1.21；如边坡处于疏干状态时,其安全系数为K等于1.50～1.56.

实例二――哈密三道岭露天矿.侏罗纪系中的煤层底板一套泥岩与粉砂岩组成,厚度为12～19m.其底部的灰色泥岩遇水明显变软.人用肉眼就能作出判断；浸水后不久发出“丝丝”的声音,2小时内即崩解成糊状,实质上是泥化,就谈不上有太大的强度.显而易见,有些岩石对水的敏感性很强,像这样的情况,在煤系地层中屡见不鲜.

3.结论

通过上述实例以及大量工程实际表明,水对岩体的作用是十分明显的,它与岩体之间的相互作用,一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质,另一方面也改变着地下水的物理、力学性质及化学组分,有时对岩石的破坏起着决定性的作用,所以,重视地下水渗流对岩体力学性质的影响的研究是很有意义的.