泥巖多尺度模型與水巖作用特性研究進展

李桂臣,李菁華,孫元田,孫長倫,許嘉徽,榮浩宇,楊 森,沃小芳,盧忠誠

(1.中國礦業大學 礦業工程學院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

泥質巖是分布最廣泛的巖石，約占全球沉積巖的50%。根據沉積巖分類研究，泥質巖定義為泥級礦物含量(<0.005 mm)大于50%的沉積巖，主要包括泥巖、頁巖、板巖、泥板巖等，并在一般情況下簡稱為泥巖。在水電、橋隧、道路、采礦等工程中，泥巖是一類常見施工對象。泥巖承載穩定性差，遇水力學性能劣化顯著；巖土工程與地下巖石工程中往往由于局部泥巖承載失效，而引起工程的整體災變。

陳宗基院士在20世紀80年代便指出，膨脹性泥巖在隧洞中是一個嚴重的問題，需要深入開展災變機理研究。數十年來，針對泥巖工程體長期蠕變誘發工程失穩問題，學者們基于應力-應變本構關系方面展開深入研究。其中，引入含應力閾值的黏塑性元件改造經典蠕變本構模型，廣泛應用于泥巖加速流變行為特性研究方面。但是，長期工程實踐中學者逐漸發現，承載泥巖的強塑性剪切破壞行為與礦物組分密切相關，而不同工程中泥巖層礦物組分往往差異較大。因此，部分學者提出將泥巖視作彈塑性泥性成分與線彈性/彈塑性碎屑礦物構成的非均質材料，并通過納/微米壓痕儀器等設備分析泥巖礦物組分的細觀力學特性。借助于顆粒流數值計算方法，部分學者側重從顆粒膠結角度考慮泥巖細觀特性，開展泥巖礦物顆粒間接觸力及膠結狀況研究工作。另一方面，何滿潮院士等指出，煤系泥巖巷道的復合型變形力學機制，關鍵因素是泥質成分中的黏土礦物特征。特別在泥巖災害防治技術中，黏土礦物的物理化學特性是注漿改性技術、電化學改性技術的研發基礎。因此，近些年來土壤領域與選礦領域相關實驗測定與模擬方法被逐漸引入，開展黏土礦物晶胞模型具化與宏觀測定試驗工作，探究工程環境下黏土礦物的物理化學性質。

泥巖的泥質質量分數超過50%，碎屑間以泥質膠結為主。當蒙脫石、高嶺土和伊利石等黏土礦物作為主要泥質成分時，富水環境的泥巖工程體往往具有較高的災變風險。相關研究表明，黏土礦物晶胞在水化學溶液中發生強烈的水分子吸附行為，促使晶胞在層疊方向上顯著膨脹；同時，黏土顆粒整體帶有固定負電荷；水溶液中黏土顆粒表面往往形成擴散雙電層結構，誘發黏土礦物顆粒相互遠離；在晶胞結構及顆粒物理性質雙重因素下，黏土礦物遇水后顯著泥化膨脹。相比于微細觀黏土礦物水化特性，泥巖宏觀水化特性研究成果比較豐富和全面。相關研究基于不同含水率試件的經典力學試驗，系統分析了水對泥巖經典力學參數的劣化特性。部分學者聚焦泥巖吸水膨脹宏觀特征，構建半經驗型吸水膨脹本構模型及吸水膨脹過程的蠕變本構模型；并用于工程尺度泥巖流-固耦合控制方程中。部分團隊為獲取更真實的泥巖熱-流-固耦合特性，還開展了注水、注熱現場工程試驗，真實記錄工程尺度下泥巖地質體的熱-流-固耦合行為。

綜上可見，泥巖工程體長期蠕變致災、富水環境孕災的機理及防治研究，尺度從現場工程(km)到微小晶胞(nm)不等，并各自形成了獨特的研究體系與方法。鑒于目前仍缺乏泥巖多尺度研究的系統回顧與描述，筆者在前人研究成果基礎上，根據現場工程的研究對象與聚焦因素，界定泥巖研究的多尺度概念，闡明不同尺度下泥巖的研究模型和物理力學、物理化學特性，展望泥巖多尺度特性的研究方法與潛在應用。

1 泥巖多尺度特性概念界定

王思敬院士在巖石工程地質力學原理講座中指出，學科問題的深化研究應當綜合多個尺度。在泥巖特性研究過程中，國內外學者形成了多種尺度劃分標準。依據國際化學聯合會(IUPAC)多孔材料孔隙結構劃分標準，泥巖流動特性研究通常將孔裂隙結構劃分為大孔(>50 nm)、中孔(2～ 50 nm)和微孔(<2 nm)，分別描述宏觀層流(紊流)、細觀擴散和微觀吸附。在黏土微觀結構研究中，依據不同結構層次的基本單元，定義晶胞、礦物顆粒及顆粒團聚體3個研究層面。DELAGE基于結構層次性將黏土孔隙劃分為晶層間孔、微孔(顆粒間)及大孔(團聚體間)。王光謙和孫其誠基于顆粒-巖體的關聯機理定義尺度概念，將顆粒和巖體分別視為微觀與宏觀對象，將顆粒間的力鏈結構視為細觀對象。在飽水黏土壓縮特性研究中，況聯飛等根據水分子的賦存機理劃分研究尺度；提出在晶胞、顆粒及團聚體3個微觀結構層面上，分別研究晶層間結合水、顆粒板間微觀結構力、團聚體間自由水。損傷力學根據結構單元尺寸，將損傷劃分為晶胞結構微觀損傷、微裂紋細觀損傷和宏觀裂紋宏觀損傷。

學者們根據研究對象與目的，分別給出了相應的研究尺度劃分標準。在巖土工程與地下巖石工程中，泥巖變形力學機制與水巖相互作用是重點研究對象。在變形力學機制方面，一般認為泥巖以泥質膠結為主，具有強度低、流變明顯等特點；相關研究多聚焦承載泥巖的流變特征與礦物組分間相互作用，屬于力學響應和顆粒膠結層次。在水巖相互作用方面，不僅涉及水對礦物顆粒連結強度的弱化，還涉及黏土礦物與水的物理化學反應；相關研究聚焦顆粒間接觸力和晶胞的物理化學特性，屬于顆粒膠結和晶胞性質研究。

因此，工程背景下的泥巖研究尺度定義，可以從宏觀-巖體、細觀-顆粒、微觀-晶胞3個層面展開，具體如圖1所示。宏觀定義為毫米(mm)尺度以上的泥巖，主要包括孔裂隙(>1 mm)和巖體基質；宏觀最小結構代表單元(macro-SREV)要求能夠反映力學強度和應力-應變特性。細觀定義為孔裂隙(<1 mm)與礦物材料；細觀最小結構單元(meso-SREV)為不同礦物材料形成的聚合體。微觀定義為不同礦物組分的晶胞單元；微觀最小結構單元(micro-SREV)為晶胞及超晶胞結構體(< 10 nm)。3個層面分別聚焦力學響應特性、顆粒膠結特性和晶胞物理化學特性。

圖1 泥巖多尺度概念模型[28]Fig.1 Conceptual model of multiscale structure in mudstone[28]

2 泥巖多尺度行為特性及模型構建

2.1 泥巖宏觀物理力學特性

泥巖力學性能普遍較差，在工程巖體中屬于軟弱巖體。表1列舉了部分泥巖與硬巖的基本力學參數。由表1可見，相比于砂巖和花崗巖，泥巖具有高泊松比、低力學強度特征。相關研究認為這與泥巖礦物組分特征有關。在工程實踐過程中，筆者測定了多個礦區的泥巖組分。表2匯總了筆者與其他學者的泥巖組分測定結果。由表2可知，高嶺土、蒙脫石、伊利石等黏土礦物通常是泥巖主要成分。在ARMAND等的一系列實驗研究中，發現泥巖的楊氏模量隨黏土含量增高而降低。筆者通過制備泥巖物理相似模擬試樣，定量研究巖體力學性質與礦物含量的關系，發現隨著黏土礦物含量升高，試件單軸抗壓強度與彈性模量弱化，塑性能力增強，發生更強烈的變形。

另一方面，工程中泥巖具有顯著流變特性。準確反映巖石力學響應特性的本構模型，一直是巖體流變特性研究的重點。目前，巖體流變本構主要基于組合元件、經驗公式、內時理論及損傷理論模型開展研究。內時理論模型基于熱力學約束條件，考慮應力加載歷史對塑性變形的影響，推導嚴格的理論本構模型。組合元件方法一般基于Burgers模型和Bingham模型(圖2，圖中，為應力；為應變；為彈性系數；為屈服極限應力；為黏性系數；下標(=1，2)代表分量或不同組件)，進一步引入設置閾值的黏塑性元件與非線性牛頓體元件，具有形式簡單、易于構建等優點。損傷本構模型研究中，一般在本構模型基礎上引入損傷評價指標，來描述巖體變形過程中的強度劣化。在力學響應方面，經典強度破壞準則足以描述泥巖的破壞。但是，在水化學環境中，泥巖具有遇水崩解、泥化、承載性能劣化等特性。因此，工程中泥巖的破壞機理，往往還需要綜合考察物理化學因素。

表1 典型泥巖和硬巖基本力學參數

表2 部分礦區煤系泥巖礦物組分

圖2 巖石材料經典蠕變本構模型Fig.2 Classical creep constitutive model of rock

2.2 泥巖細觀物理力學特性

根據研究思路與研究手段的不同，巖體材料細觀尺度研究聚焦為2類：① 顆粒膠結；② 復合材料。顆粒膠結研究將巖體處理為復雜顆粒體系，研究顆粒間膠結問題。復合材料研究將巖體視為不同礦物材料的聚合體，研究不同礦物間應力-應變協同關系。

..泥巖顆粒膠結模型

近些年來，學者們逐漸將宏觀巖土材料處理為礦物顆粒聚合體。沈珠江院士最早提出用于土體的顆粒-膠結物二元介質模型。但不同于土體，泥巖是黏土礦物和碎屑礦物組成的非均質體。根據成巖特征與礦物組分特性，泥巖可處理為黏土顆粒、碎屑礦物顆粒及顆粒間孔隙；不同礦物顆粒間通過膠結作用相互黏合。相關研究根據膠結對象將膠結類型簡化為3類，分別為碎屑顆粒間膠結(膠結Ⅰ)、黏土顆粒間膠結(膠結Ⅱ)、黏土顆粒與碎屑顆粒間膠結(膠結Ⅲ)。結合礦物組分特性對膠結特征的影響，可建立如圖3所示泥巖細觀顆粒膠結模型。如圖3所示，隨著黏土礦物含量提高，泥巖主要膠結類型發生轉變。圖3(d)對應泥巖以黏土顆粒膠結為主(膠結Ⅲ和膠結Ⅱ)，碎屑顆粒膠結類型較少(膠結Ⅰ)；此時黏土顆粒與黏土顆粒的膠結特性(膠結Ⅱ)，是泥巖的力學強度差與遇水弱化特性的主控因素。其中，顆粒膠結力定義為顆粒接觸位置的力與面積之比，具體通過式(1)描述。

(1)

式中，為顆粒間作用力，N；為顆粒接觸面投影圓半徑，m。

當顆粒接觸點應力達到顆粒膠結極限強度[]，顆粒聚合體發生破壞。假定單軸壓縮實驗中應力均勻施加在顆粒體上，則對于局部單一膠結類型區域的膠結體強度[]可由式(2)表示。在單軸壓縮過程中，當應力狀態超過主要膠結體強度[]時，巖體發生宏觀破壞。

(2)

式中，膠結體應力；為參與膠結顆粒的最小半徑，m。

圖3 泥巖顆粒膠結模型[8]Fig.3 Particle cementation model of mudstone[8]

..顆粒模型下泥巖細觀接觸特性

顆粒接觸模型是顆粒膠結模型理論分析與數值計算的基礎。其中，接觸黏結模型和平行黏結模型是較為經典的力學模型；近些年來蔣明鏡團隊發展的三維完整膠結接觸模型，綜合考慮法向、切向、彎轉和扭轉因素，是目前較為全面反映力學響應的模型。在巖土領域土顆粒研究中，微觀結構測試、顆粒間接觸試驗、單顆粒破碎試驗、顆粒接觸力檢測常用于測定與建立半經驗半理論膠結模型。但是，巖石材料具有顆粒尺度小、顆粒固結程度高的特點，導致松散土體的接觸力測試方法適應性較差，限制了巖石材料膠結特性的試驗校正。

具體研究工作中，學者們普遍借助離散單元法(DEM)開展機理探討與數值分析。顆粒接觸力和顆粒膠結情況是細觀特性的關鍵指標。基于平行黏結模型描述泥巖力學響應特性時，平行黏結剛度對顆粒間黏結受力狀態有重要影響作用，泥巖變形能力與剛度比系數(顆粒剛度比/平行黏結剛度比)正相關。因此，在承載破壞過程中，泥巖內部法向與切向接觸力分布范圍基本不變，表現出較弱的軸向應變敏感性。但是，在黏土礦物體積占比超過40%后，巖體承載過程主要發生黏土顆粒間膠結斷裂，而碎屑顆粒間膠結基本不發生斷裂，具體如圖4所示；黏土對風化/水化作用具有強敏感性，因此風化/水化將會顯著改變局部切向接觸力的分布形式與大小。

黏土分類研究中一般認為黏土粒徑上限為2 μm。掃描電鏡圖像(μm)顯示，微米尺度上巖體的顆粒與顆粒仍保持緊密接觸。目前離散元方法研究中，顆粒尺寸通常在微米以上，相較而言仍屬于粗粒模型。同時，土力學研究認為黏土顆粒間通過范德華力等分子間作用力(nm)連結，但目前離散元方法中還較難考慮范德華力。因此，精細化建模研究仍有較大的發展空間。

圖4 PFC模擬結果[8]Fig.4 Results in PFC[8]

2.2.3 泥巖復合材料模型

近些年來，借助掃描電鏡(SEM)(圖5(a))、能譜儀(EDS)(圖5(b))、原子力顯微鏡(AFM)(圖5(c))和X-ray層析成像掃描儀(CT)等先進儀器，發現巖體礦物具有可測的空間分布結構。因此，學者進而將細觀尺度巖體視為可應用彈塑性理論的礦物材料復合體。YU等基于XRD礦物分析結果和孔隙率推算值，構建出考慮孔隙率的三維礦物材料復合模型。時賢等根據微米尺度礦物強度，將復雜組分簡化為高強度、中強度和低強度3類，建立頁巖細觀三相復合模型，并基于Mori-Tanaka方法分析宏細觀力學特性。韓強等在10～10m尺度上建立了多孔黏土夾雜非黏土礦物復合材料模型，通過顆粒堆疊模型描述多孔黏土相，基于D-P準則均勻化理論描述非黏土相夾雜材料的強度特性。筆者考慮黏土礦物、非黏土礦物和孔裂隙，建立泥巖兩相復合材料模型，并基于平行、豎直兩相材料模型(Voigt and Reuss模型)描述宏細觀力學特性。根據表3可以看到，復雜三維礦物材料復合模型準確度較高，但空間構造復雜(圖5(d))，適合有限元數值分析。其他模型形式簡單且誤差尚可接受，有潛力用于細觀物理本構的分析研究。

表3 不同模型計算準確度

圖5 泥巖細觀結構表征方法[28,44-45,48]Fig.5 Characterization method of mesoscopic properties of mudstone[28,44-45,48]

..復合材料模型下泥巖細觀力學特性

通過定義復合材料模型的細觀彈性模量、蠕變、屈服強度等力學概念，可以將彈塑性理論引入到細觀力學特性研究中。目前，微米/納米壓痕設備廣泛應用于巖石細觀力學參量表征。在實驗過程中，根據壓入載荷-壓入深度(-)測試曲線，可反演得到接觸剛度、壓入硬度和壓入折合彈性模量；基于不同的數學模型進行數據處理，可反算測定材料的細觀彈性模量、斷裂韌性。泥巖作為碎屑物與膠結體構成的礦物集合體，具有顯著的多相材料復合特性，導致測定的細觀彈性模量數據具有明顯的離散性。圖6(a)為基于納米壓痕數據繪制的彈性模量分布云圖。由圖6(a)可見，彈性模量數據集具有連續分布特點，導致礦物組分可區分度低，難以判斷具體礦物的彈性模量。針對泥巖細觀力學參數的非均質性，學者們提出采用混合高斯模型，對細觀彈性模量分布特征進行統計分析(圖6(b))，如式(3)兩相混合高斯模型。部分學者還定義了三相混合高斯模型，以支撐泥巖三相復合材料模型的構建。但是，混合高斯模型只能用于描述非均質性，而無法解決具體礦物細觀參數的辨識難題。

圖6 泥巖細觀彈性模量納米壓痕測試[50,53]Fig.6 Mesoscopic elastic modulus of mudstone in Nephogram test[50,53]

(3)

式中，(meso)為泥巖細觀彈性模量概率分布密度函數；meso為泥巖表面點細觀彈性模量測定值，GPa；，，為擬合參數，為相，=1,2。

基于納米壓痕測試數據，學者們結合泥巖復合材料模型進一步討論了強度特征。根據玻氏壓頭與立方體壓頭的試件硬度測試值之比，可反算泥質復合材料的內摩擦角和黏聚力，進而可借助M-C破壞準則描述強度特征。韓強等通過有限元反算法獲取內摩擦因數α和黏聚力，進而借助D-P準則表征強度。復合材料模型下細觀與宏觀的力學行為具有相似性。單相礦物在納米壓痕作用下呈現出流變特性。納米壓痕蠕變試驗通常持續2～3 min，遠小于宏觀蠕變試驗的時間尺度，但研究表明Burgers模型與Kelvin模型在細觀尺度上仍能很好地描述細觀流變特性與彈性后效現象；并發現細觀蠕變特性與有機質、黏土等軟弱組分有密切關系。

將非連續問題轉化為連續問題，是復合材料模型的基本思想。目前相關分析多依據Eshelby夾雜理論，將不連續孔裂隙與應力-應變場均勻化。但是，泥巖復合材料模型表征與分析依賴于宏觀連續介質理論模型。同時，相關分析往往聚焦整體力學響應，或偏重于用宏觀理論解釋細觀行為，而缺乏由細觀特性到宏觀力學特性的探索。

2.3 泥巖微觀礦物與物理化學特性

礦物物理化學特性依賴于元素構成及晶胞結構。目前，在晶胞結構分析方面具有成熟的X射線衍射峰分析方法，晶胞物理化學性質研究方面還缺乏直觀的實驗手段，相關研究多借助數值計算。根據泥巖主要物理化學性質與力學特性，此處以蒙脫石、伊利石和高嶺土為代表，介紹泥巖礦物的微觀模型及其物理化學特性。

..礦物微觀模型

空間群、晶系、元素、大小與形狀參數，是礦物晶胞結構的基本參數。晶胞結構是最小基本重復單元，基于晶胞結構可以構建出超晶胞結構和晶胞表面模型，進而揭示更多物理化學性質。圖7為蒙脫石超晶胞結構、伊利石晶胞結構和高嶺土晶胞表面模型。

圖7 黏土礦物微觀性質分析模型Fig.7 Analytical model to microscopic property of clay mineral

由圖7可見，鋁氧四面體(Al片)與硅氧八面體(Si片)是3類黏土礦物的基本單元，并按照一定的排列規律層疊堆積。其中，Al-Si層疊結構是高嶺土的基本晶層結構，晶層間通過氫鍵強連結，分子/離子難以進入層間；因此，高嶺土研究多集中在晶胞表面性質。Si-Al-Si層疊結構是蒙脫石和伊利石的基本晶層結構；但伊利石的晶層間通過K離子形成強連結，分子/離子同樣不易進入層間；而蒙脫石的晶層間形成O-O弱連結力，分子/離子極易出入晶層間空隙，使得蒙脫石具有較強的吸水特性與離子交換特性。同時，在伊蒙混層顯著的泥巖微觀特性研究中，往往需要通過組合排列伊利石與蒙脫石晶層，構建伊利石-蒙脫石混層超晶胞模型，進而分析伊-蒙混層黏土礦物物理化學性質。在礦物成藏相關研究中，通常構建非周期性大體系研究蒙脫石顆粒團聚、沉積、交錯行為，對泥化泥巖治理技術基礎研究方面有潛在的參考價值。

..微觀物理化學特性

晶層間、晶胞表面和晶胞端面具有較高的自由能，是物理化學反應的主要場所。晶層間分子/離子擴散研究通常基于超晶胞模型開展。在金屬離子置換蒙脫石晶層間Na的模擬研究中，發現Ba具有較高的置換量但置換速度慢，K置換量低但置換速度快。蒙脫石晶胞層間離子交換實驗表明，不同陽離子具有不同的水化膨脹效應；K水化膨脹效應最低，Ca離子水化膨脹效應最大，且K環境會抑制鈉-蒙脫石的水化膨脹。同時，在金屬離子水溶液環境中，晶胞邊界端頭的絡合現象十分顯著。相關研究通常基于黏土礦物晶胞模型進行量子化學計算分析，為土壤重金屬污染與核廢料地下封存提供理論指導。在蒙脫石水化膨脹抑制材料研發工作中，通常建立晶胞表面模型研究晶胞表面油-水浸潤性，確立抑膨劑對黏土礦物表面親/疏水性的改性效果。

同時，微觀晶胞結構及其物理力學行為特性，與宏觀力學性能有密切聯系；但前沿理論研究集中在金屬材料領域，而較少聚焦巖石礦物。自然界中石英晶胞通常以孿晶形式存在，晶胞結構力學形變特性受到晶界與鍵長的影響；受載時晶界面容易誘發應力集中與鍵斷裂，部分較長的鍵還將先于晶面產生斷裂。蒙脫石晶胞結構具有顯著的橫觀各向異性，平行晶面方向(，)的抗壓強度遠大于垂直晶面方向()。但是，黏土礦物晶粒通常小于2 μm，晶胞的宏觀表征能力被弱化；因此無層理泥巖往往表現出較強的均質性特點。

3 泥巖水巖作用多尺度分析

泥巖遇水力學性能劣化現象尤為顯著，并伴隨黏土泥化膨脹、吸水崩解等物理行為。水分子在泥巖中主要有3種賦存形式：① 晶胞晶層間結合水；② 黏土顆粒間束縛水；③ 孔裂隙間自由水。水分子的多尺度賦存特性，要求水巖作用機理研究必須深入到多個尺度。根據前文多尺度研究定義，下文分別從微觀晶胞-水作用，細觀黏土顆粒-水作用以及宏觀水巖作用3個層次展開。

3.1 泥巖水巖作用微觀尺度分析

對于大部分泥巖礦物而言，晶胞-水作用以表面吸附為主。水分子表面吸附降低晶胞表面能，使得晶胞結構產生膨脹。但是，多數礦物的吸附膨脹效應比較微弱，對宏觀力學性質的影響較小。黏土礦物作為復合鋁-硅酸鹽晶體，晶胞結構由硅片和鋁片交互疊層組成，具有顯著的層疊空間結構特征。其中無水蒙脫石晶胞層間距為0.96 nm，晶層孔隙約0.428 nm，為晶層間結合水提供了可觀的空間。通過X-ray衍射、中子散射等測試技術，學者們定量分析了含水率與層間距的關系。當含水率從9.8%增長到29.4%，鈉-蒙脫石晶胞層間距約從1.20 nm增加到1.58 nm。分子動力學模擬表明，隨著水分子進入蒙脫石晶層間，晶胞層疊方向顯著膨脹變形，并在晶層間形成明顯的水分子層(圖8)。當晶層間形成1，2，3水分子層時，晶層間距為1.22～1.28，1.50～1.56，1.81～1.87 nm，對應鋰-蒙脫石晶層間水分子數量分別為32，64，96個，鈉-蒙脫石晶層間水分子數量分別為24，64，112個，相當于每千克蒙脫石含0.1，0.2，0.3 kg水。在況聯飛研究分析中，當水與蒙脫石質量比達到0.5時，Wyoming黏土和FEBEX黏土晶層間距分別達到2.00 nm與1.88 nm左右，相應的模擬結果為2.15 nm(晶層間160水分子)，相當于晶胞沿層疊方向膨脹95.8%～123.0%。

高嶺土和伊利石晶層間水分子較少，晶胞-水作用主要體現在表面吸附方面。在高嶺土遇水膨脹分析中發現，高嶺土晶層間強氫鍵連結阻礙水分子進入層間，而晶胞表面的游離價原子和離子，為水分子提供了大量吸附位。相對而言，伊利石晶層間結合力較弱，但晶層間水分子主要圍繞K離子形成水化殼，而較難在晶層內廣泛形成結合水。因此，黏土礦物水化膨脹程度依次呈現為蒙脫石>伊利石>高嶺土。

圖8 蒙脫石晶層間水分子[15]Fig.8 Adsorbed water in the interlayer space of Na-montmorillonite[15]

水分子與晶胞相互作用過程中，晶胞能量、成鍵形態、離子分布特性均會發生較大變化。在水分子進入晶層間后，晶胞能量體系中范德華力下降最明顯，表明層間結合水分子劣化了晶層間連結力。當蒙脫石處于金屬離子環境中時，晶層間水分子形態發生變化，水分子與金屬離子形成內球吸附與外球吸附，抑制水化膨脹程度；因此，部分注漿改性材料中通常考慮加入金屬鹽強化改性效果。黃小娟等針對鉆井井壁穩定性，提出并模擬分析了有機胺抑制蒙脫石水化機制，開辟了新的改性材料研發方向。同時，在HO等模擬研究中發現，水化過程中蒙脫石晶胞端面羥基形成的氫鍵會阻礙水分子進入層間，為理解和控制蒙脫石晶胞-水作用提供了新的見解。

3.2 泥巖水巖作用細觀尺度分析

泥巖礦物組分間的膠結力主要由黏土礦物提供；如圖9所示，石英、長石等顆粒礦物嵌入在棉絮狀黏土礦物基底中。當泥巖遇水后，一方面黏土礦物吸附水分子形成水化膜，原有黏土膠結變為水膠連結；這使得顆粒間連結力和摩擦力減弱，水分子呈現出潤滑作用。

圖9 泥巖表面形貌(SEM)[15]Fig.9 Surface morphology of mudstone(SEM)[15]

另一方面，黏土顆粒帶負電荷，水溶液陽離子富集在顆粒表面而形成滲透斥力；這使得黏土顆粒間距離趨于變大，水分子表現出楔入作用。因此，黏土顆粒-水巖作用可大致分為黏土膠結遇水弱化(潤滑作用)和黏土顆粒遇水膨脹(水楔作用)2部分。根據土力學飽水黏土顆粒擴散雙電層理論，黏土膠結力可視為顆粒間引力與斥力。細觀尺度上黏土顆粒間一般主要考慮范德華力和靜電力。若忽略孔裂隙結構與弱水巖作用的非黏土礦物(石英)，可建立如圖10所示蒙脫石顆粒水化模型。

圖10 蒙脫石顆粒水化模型[53]Fig.10 Hydration model of clay particles[53]

如圖10所示，模型中蒙脫石顆粒由蒙脫石超晶胞構成；顆粒作用力由晶胞表面間、晶層離子間的分子間作用力構成。顆粒作用力可近似為范德華力與靜電力之和，即

=+

(4)

式中，為顆粒間距離，m；,分別為范德華力和靜電力相關常數。

根據前文分析，蒙脫石顆粒中主要賦存有束縛水和晶層間結合水。其中，VILLAR等測定了不同含水率FEBEX膨潤土和Wyoming膨潤土的晶層間距；況聯飛模擬研究了不同晶層間水分子數量對應晶層間距，模擬結果與測定結果對比發現，晶層間水分子數量與含水率間基本符合線性關系。同時，考慮顆粒間主要由水分子填充，則顆粒間水分子數量與顆粒間距離為線性關系。因此，顆粒間距離與含水率可近似為線性關系，則式(4)可變換含水率的表達式：

=+

(5)

式中，為顆粒膠結位置的含水率，%；，為常數，分別與范德華力和靜電力相關。

式(5)給出了蒙脫石膠結體含水率與顆粒膠結力的關系模型。但是，現有實驗測試手段還無法有效測定巖體顆粒的接觸力，限制了式(5)的應用與校核驗證。目前，納米壓痕測試技術逐漸應用于巖石力學研究。學者們基于該技術測定細觀礦物組分力學參數(1～50 μm)。因此，考慮將式(5)變換為蒙脫石膠結體強度與含水率的關系模型。一般認為黏土膠結體密度隨含水率增加線性遞減，則顆粒半徑與含水率關系可通過式(6)進行描述。

(6)

式中，()為含水率時蒙脫石膠結體顆粒半徑；為固結蒙脫石膠結體顆粒半徑；，為水化膨脹相關常數。

由式(5)和式(6)可見，隨著含水率增加，顆粒直徑增大，顆粒間相互作用力減小，反映出蒙脫石顆粒的吸水膨脹特性。基于2.2.1節泥巖顆粒膠結模型考慮細觀蒙脫石膠結體，聯立式(2)，(5)，(6)，并將顆粒初始半徑作為常數代入，可得到蒙脫石膠結體強度為

(7)

式中，,為分子間作用力相關常數。

式(7)描述了蒙脫石膠結體強度與含水率的關系。目前，受制于實驗方法與設備，巖石膠結強度測定及細觀力學參數遇水劣化特性實驗數據較少，式(7)相關參數較難進行擬合校驗。近期XU等借助納米壓痕技術率先開展了含水泥巖試樣研究，孫長倫制備不同含水率蒙脫石固結試件的單軸試驗研究，取得了一定的研究成果。但總體而言，細觀水巖作用實驗方法還需要進一步探索，以深刻地探究相關機理。

3.3 泥巖水巖作用宏觀尺度分析

在微細觀尺度上，泥巖水巖作用主要考慮物理化學效應。在宏觀尺度上，不僅需要考慮遇水物理化學響應特性，還需要考慮水壓力對力學響應特性的影響。根據已有研究，泥巖宏觀水巖作用可大致分為以下幾方面：① 吸水膨脹；② 遇水泥化/崩解(圖11)；③ 溶蝕/潛蝕；④ 孔隙壓力；⑤ 滲流拖拽力；⑥ 強度劣化。

圖11 泥巖遇水劣化[15]Fig.11 Water-rock interaction of mudstone[15]

..吸水膨脹

(8)

式中，為泥巖吸水膨脹系數，與礦物組分有關；Δ為泥巖內部含水率變化；為Kronecker記號。

在實際地質環境和相關試驗中，泥巖通常受到一定的內部和外部約束。因此，一般在應力-應變本構方程中考慮膨脹效應。

=2G+[λ-(3+2)Δ]

(9)

式中，為泥巖內部應力張量，MPa；為剪切模量，MPa；為泥巖內部應變張量；為拉梅常數。

基于泥巖無側限吸水膨脹實驗結果，GROB定義了如式(10)所示的一維無側限吸水膨脹本構模型。相關學者基于金尼克條件進一步得到三維膨脹本構關系。考慮到泥巖膨脹量與浸水時間有關，劉曉麗等通過修正提出了考慮時間因素的三維非穩定膨脹本構模型，如式(11)所示。在以上2個經典本構模型基礎上，相關學者基于實驗研究不斷提出修正公式，卻始終未形成統一的試驗方法規范。相比實驗測定的半經驗本構方程，相關學者在連續介質理論與濕度場理論方面同樣做出很多努力，但目前工程實踐中仍主要參考半經驗本構模型。

(10)

(11)

式中，為極限膨脹體積應變；為時間，s；為第一應力不變量；為極限膨脹應力狀態下第一應力不變量；為參數；為泥巖軸向膨脹應變；為泥巖體積膨脹應變；為最大膨脹應力；為膨脹應力；為0.1 MPa膨脹應力時的軸向膨脹應變；為泊松比。

332 遇水泥化、潛蝕與強度劣化

根據擴散雙電層理論，黏土礦物遇水后顆粒間形成水化膜；隨著水分子不斷嵌入黏土顆粒間，黏土礦物顆粒間隙增大，微結構遭到破壞、連結力降低；宏觀上黏土膠結體泥化，形成細滑泥狀物。當孔隙水具有流動性，泥化黏土小顆粒被卷挾帶走，呈現潛蝕現象。在力學性質角度上，泥巖遇水泥化后，內部泥質連結弱化為水膠連結，巖石黏聚力和內摩擦角下降；潛蝕過程中泥巖連結力劣化，巖石強度降低并產生較大變形。在這方面，尹振宇等構建了能夠描述土體緩慢潛蝕的數學物理模型，主要包括土-水四相物理模型、土粒質量守恒與級配演化方程。

即便沒有明顯泥化與潛蝕，水環境仍會明顯劣化巖體力學性能。相關試驗研究結果表明，泥巖單軸抗壓強度、抗拉強度、黏聚力隨含水率增加而降低，峰值應變隨著含水率增加而增加，延性得到增強。部分學者通過定義損傷因子建立損傷本構模型，并較好地擬合重現了不同含水率泥巖體單軸應力-應變曲線。這表明力學性能的劣化主要體現在水對物理結構的侵蝕。另一方面，研究發現不同含水率對泥巖彈塑性能量具有顯著影響；實驗結果顯示含水率越高，泥巖可接受的總能量越低，加載過程耗散能越高，破裂耗散能越低，聲發射事件率越低；這表明水環境改變了能量轉換形式和應力-應變行為。因而，宏觀水巖作用不僅需要關注力學參數，還需要關注應力-應變本構關系。

..孔隙壓力與滲流拖拽力

根據Terzaghi有效應力原理，孔隙水壓力會降低巖石骨架有效應力，如式(12)所示，巖石骨架抗剪能力下降。但是，在非飽和孔隙水狀態下，巖石骨架間產生空隙水壓力(負)，使巖石骨架有效應力增加。當孔隙水在水力梯度作用下發生流動，巖石骨架將受到滲流拖拽力(體力)，如式(13)所示。在巖體流固耦合研究中，孔隙壓力和滲流拖拽力是重要耦合因素；針對該問題學者們已經開展大量研究，這里不進行過多贅述。但需要指出的是，相比于其他類型巖石，泥巖微觀結構容易被滲流拖拽力破壞；進而誘發潛蝕作用，使泥巖力學性能持續劣化；這在數值模擬研究中應當給予足夠的關注。

=-

(12)

=

(13)

式中，為巖石骨架中的有效應力，MPa；為施加在巖體上的總應力，MPa；為孔隙流體壓力，MPa；為巖體中的滲流拖拽力，kN/m；為水力梯度；為水體容重，kN/m。

3.4 泥巖水巖作用多尺度體系

煤礦地下巷道圍巖控制系統中，通常包含有厚度不等的煤系泥巖。部分泥巖巷道未遇水前承載性能良好，但遇水后出現強塑性變形、承載性能快速劣化而造成失穩；富蒙脫石或伊蒙混層圍巖還會明顯泥化膨脹，導致巷道斷面急劇縮小。在工程角度上，巷道失穩災變一般被概述為圍巖應力重分布和圍巖結構失效。但在災變防控研究中，首先需要明確多尺度水巖作用機理。基于3.1～3.3節內容，圖12構建了泥巖多尺度水巖作用耦合系統，其中，為分子間作用力；為分子間距離；，，為分子性質相關的參量；為通量；(,,,)為匯源項函數；為支護阻力；為應力加卸載歷史相關變量；為彈性形變量；為塑性形變量；為阻止圍巖進一步變形的最小力；()和()為支護阻力特性曲線和圍巖收斂變形特性曲線的具體函數表達式。為便于介紹與理解，這里依托巷道失穩工程背景介紹相關內容。

圖12 泥巖多尺度水巖作用耦合系統Fig.12 Multi-scale coupling system on water-rock interaction in argillaceous rock

當地層水通過發育裂隙接觸到泥巖時，水分子首先侵入黏土顆粒間，通過擴散雙電層形成滲透斥力；一方面黏土產生膨脹趨勢，另一方面黏土顆粒膠結強度降低；在宏觀尺度上，一方面泥巖內部產生膨脹應力，另一方面黏聚力產生劣化。隨后，水分子通過水化作用在晶胞表面、晶胞晶層間形成弱結合；這個過程中晶胞能量降低，在層疊方向上產生顯著膨脹；同時，水化作用釋放的能量，會促動層間陽離子運動遷移；在細觀尺度上，一方面顆粒直徑增大、顆粒水化膜增厚，另一方面層間陽離子遷出進一步強化滲透斥力。因此，水分子作用下不僅黏土顆粒直徑增大，泥質膠結也顯著劣化。此時，在圍巖應力作用下，礦物顆粒間將發生相互錯動、滑移和翻轉，在宏觀尺度上呈現出遇水泥化、強塑性變形特征。

在圍巖應力和水壓力作用下，泥巖持續塑性變形；在細觀尺度上，宏觀塑性能促使孔隙尖端發育擴展，在礦物顆粒間形成發育裂隙網絡；在微觀尺度上，隨著顆粒膠結的斷裂，晶胞暴露面積增加。同時，宏觀變形能部分轉化為細觀顆粒變形能，對晶胞水化、吸附膨脹造成一定限制。但隨著地層水在裂隙網絡中滲流流動，微細觀水巖作用區域擴大，泥巖力學性能持續劣化。最終，泥巖承載性能失效，圍巖承載結構失穩，在圍巖應力作用下造成巷道失穩。

4 展 望

泥巖工程特性是多尺度物理力學、物理化學性質的綜合體現。前文系統回顧了泥巖及其典型礦物成分的宏觀力學特性、細觀物理力學特性與微觀物理化學特性，以及不同研究尺度對應的物理模型。但整體來看，跨越宏-細-微觀的跨尺度模型/體系未得到建立，宏觀特性的微觀機理闡述尚不清晰，微細觀特性對宏觀災變防治的指導不完善。本節主要針對跨尺度模型/體系的建立，及災變防治技術研發體系的構建，展望所面臨的挑戰。

4.1 泥巖多尺度特性的跨尺度關系

根據泥巖多尺度物理模型及特性的綜述可以看到，泥巖跨尺度模型/體系至少應回答4方面內容：① 變形特征跨尺度關系；② 強度特征跨尺度關系；③ 結構特征跨尺度關系；④ 能量特征跨尺度關系。其中，宏-細觀變形特征(2.2.3節)、宏-細觀強度特征(2.2.4節)方面已經初步建立了跨尺度關系，但跨越宏-細-微觀的關系尚未得到建立。韓強團隊與筆者團隊均初步構建了宏-細-微結構特征跨尺度體系(圖1)，但在細觀尺度的定量化表征方面還需要進一步完善。近年來周翠英團隊在能量耗散角度上研究泥巖軟化破壞，構想了能量體系的整體架構。

但整體上來看，泥巖多尺度特性的跨尺度關系研究方興未艾。當下限制跨尺度關系研究進展的，不僅僅是理論模型與體系框架的不成熟，還有實驗技術手段方面的不足；特別是在細觀尺度上，顆粒模型精細化建模、膠結強度/接觸力測定分析、復合材料模型與顆粒接觸模型的內在關系、不同尺度能量表征方法等方面，均需要深入探索。

4.2 泥巖熱-流-固-化多物理場耦合

在水電、道路、采礦工程中，水巖作用是誘發泥巖工程體災變的重要因素。地表水體、自然降雨、巖層承壓水等致災水源，在滲透勢能作用下侵入泥巖內部，漸進劣化泥巖物理結構與力學性能。根據泥巖多尺度水巖作用綜述內容可以看到，漸進劣化過程中水巖作用主要包括4種形式：① 吸水誘發膨脹與泥化(化學作用)；② 膨脹誘發裂隙自愈(物理作用)；③ 泥化潛蝕誘發孔裂隙發育(物理作用)；④ 泥化潛蝕損傷巖石(物理作用)。在泥巖多物理場分析中，以上4種水巖作用表現形式是重要的物理場耦合過程。目前，半經驗吸水膨脹本構與立方體滲透率公式能夠較好描述流-固耦合過程。尹振宇等和馬丹等在土/巖潛蝕、水砂/泥滲流方面的研究，能夠用于描述泥化泥巖的損傷與流動特性。桑盛等在泥化泥巖裂隙自愈表征方面做出重要工作。

但是，泥巖多物理場耦合分析還局限于化學場的單向耦合研究。以上工作多關注化學場對應力場、滲流場的影響，而較少反映出應力場、滲流場對化學場(水化學環境和化學反應方向)的影響；而相關研究指出應力場與溫度場對黏土礦物水化狀態遷移有重要作用。同時，水巖作用研究工作多聚焦實驗，考慮多物理場的實驗設備及研究還相對較少。整體上看，泥巖多物理場耦合偏重于實驗的半經驗控制方程，一定程度上代表著跨尺度機理的整合，相當于唯象的泥巖多尺度特性的跨尺度關系模型。未來還需要全面揭示應力場、溫度場、滲流場對化學場的影響，以及完善已有控制方程。

4.3 泥巖多尺度研究人工智能應用

泥巖多尺度研究與跨尺度關系構建工作并非一蹴而就。特別在核廢料地質封存工程中，不僅僅涉及常規的泥巖多物理場耦合分析，還牽涉到黏土礦物通過絡合作用對核乏料鈾遷移的阻礙；煤礦地下水庫的濾水凈化環節，同樣牽涉到黏土礦物對重金屬Cu，Pb，Zn和Mn的化學吸附封存。但是，泥巖工程災變風險評估和核廢料封存選址都迫在眉睫，循序漸進的理論分析與試驗研究難解近渴。近10 a來，以神經網絡和支持向量機為代表的人工智能方法聞名遐邇，在高度復雜的非線性和非確定性系統中有著獨特的應用優勢。

在泥巖多尺度特性的跨尺度關系中，存在許多具有黑箱/灰箱過程特征的因果關系，如微觀彈性模量與細觀彈性模量、微觀強度與宏觀強度，必然與礦物組分與空間分布的統計規律有關。當下宏、細、微觀試驗手段與模擬方法比較完善。微觀晶胞尺度通過分子模擬、量子力學計算、XRD衍射分析與滴定試驗，能夠較好地獲取分子鍵參量、晶胞變形參數(彈性模量、應力應變曲線)、晶胞強度參數、晶層間距、層間擴散能力和含水量；細觀尺度通過納米壓痕實驗與離散元模擬方法，能夠獲取接觸/膠結強度、細觀變形參數、細觀強度參數和細觀蠕變特性。在具備輸入參量和輸出參量的基礎上，人工智能方法有潛力給出不同尺度的非線性映射關系，不失為潛在的泥巖多尺度特性跨尺度關系表征方法。

4.4 基于多尺度研究泥巖災變防控

早在20世紀，石油鉆井工程和礦物加工工程便開展了黏土抑膨劑的相關研究，提出系統的水化膨脹控制原則：① 削弱黏土顆粒電性；② 改變黏土顆粒潤濕性；③ 改變晶層間水化形態。根據上述原則研究人員相繼開發出無機鹽型抑膨劑和有機型抑膨劑。為便于在地層中充分流動，抑膨劑多為水基溶液。但是，水電、道路、采礦工程一方面需要限制巖體內部的流體流動，另一方面多采用水泥基材料實現巖體改性。近些年，管學茂等基于工程需求，針對煤巖潤濕性與黏結強度問題，開發微納米有機水泥基改性材料。柴肇云等針對黏土顆粒電性特征，持續開展電化學改性技術基礎研究工作。

泥巖工程體遇水災變問題的本質，是黏土礦物在微觀和細觀上的水巖作用。如何有效抑制和控制黏土礦物的遇水分散、泥化、膨脹特性，是防控泥巖災變孕生的技術關鍵。借鑒材料科學的新功能材料研究體系，泥巖災變防控技術研發有必要秉持“跨尺度調控”理念。以宏觀環境—細觀形態—微觀結構為主線，分析泥巖災變的微、細觀主控因素；結合微觀結構性質，以微觀結構—細觀功能—宏觀性能為主線，研發泥巖遇水災變防治，及強化泥巖承載性能的材料與方法，并基于現場工程形成系統的泥巖災變防治體系。

5 結 論

(1)泥巖工程體災變機理研究可劃分為巖體蠕變特征、顆粒膠結特性、黏土水化機制3方面；通過界定宏觀-巖體、細觀-顆粒、微觀-晶胞3個層面，提出了適用泥巖工程體孕災致災分析的泥巖多尺度概念模型。

(2)高黏土礦物含量是泥巖力學強度低、塑性變形強的主要因素；泥巖非線性加速蠕變行為研究中，引入黏塑性元件和非線性牛頓體元件構建本構關系的方法實用性強，并能夠結合損傷、水化拓展到水巖作用分析方面。

(3)晶層堆疊結構多樣式是不同黏土礦物水化能力和離子遷移能力差異的本質；強晶層間結合力與弱水化陽離子，均不利于黏土礦物晶胞水化膨脹；結合鍵能/鍵距分析微觀損傷有助于理解巖體宏觀破壞，但黏土晶粒小尺度(<2 μm)特點導致晶胞結構宏觀表征能力極弱。

(4)泥巖細觀-顆粒層面研究普遍采用顆粒接觸分析與復合材料分析，并利用顆粒流軟件和有限元軟件開展宏-細跨尺度研究。復合材料分析以納米壓痕測試為核心初步形成了完備的試驗研究體系；亞細觀尺度的顆粒接觸分析，目前仍缺乏有效的試驗測試手段。

(5)晶胞水化膨脹、黏土顆粒滲吸互斥膨脹、滲流沖蝕劣化是泥巖多尺度水巖作用的重要表現形式，并耦合表現出泥巖遇水劣化破壞行為；在泥巖巷道遇水災變中，應力場與滲流場激勵的泥巖多尺度水巖作用耦合行為，是圍巖劣化失穩的關鍵誘因。

(6)研發泥巖細觀尺度的研究方法與儀器、建立嵌合多尺度水巖作用的多物理場耦合模型、運用人工智能輔助分析跨尺度關系，是當前主要研究方向和未來發展方向。