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水岩力学-化学耦合效应研究进展#
姚华彦*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金新教师基金(20100111120002)
作者简介：姚华彦(1979-)，男，副教授，主要从事岩土工程方面的研究工作
（合肥工业大学土木与水利工程学院， 合肥 230009）
5 摘要：水岩之间的力学-化学耦合作用在自然界广泛存在，其结果导致岩石力学性质的改变。对国内外在
岩石力学-化学耦合作用方面的研究进展进行了概述，包括：力学-化学耦合作用对岩石力学性质影响的试
验研究；岩石力学与化学耦合模型研究；水岩化学作用在实际工程方面的应用。由于岩石力学-化学耦合过
程相当复杂，目前的研究还处于探索阶段，对今后需要进一步研究的问题提出了建议。
关键词：岩石力学；力学-化学耦合作用；试验；耦合模型；工程应用 10
中图分类号：TU45
An Overview Of Research Progress On Rock
Mechanics-Chemical Coupling
YAO Huayan 15
(School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009)
Abstract: Rock mechanics-chemical coupling widely exist in nature, which led to changes of rock
mechanical behavior. In this paper, an overview of research progress on rock mechanics-chemical
coupling is presented both at home and abroad. The research areas including: Experiment study of
mechanics-chemical effect on rock mechanical behavior; The research on coupling models of rock 20
mechanics –chemical effect; The engineering application of water-rock chemical action. Because
rock mechanics - chemical coupling is a complex process, the current study is still in the exploratory
phase, and some suggestions for future research is presented.
Key words: rock mechanics; mechanical-chemical coupling; experiment; coupling model；engineering
application 25
0 引言
自上世纪 80 年代以来，耦合过程已经成为岩土力学与工程，特别是环境岩土力学领域
越来越重要的课题。其主要推动力是国际上对重大岩土工程(如核废料地下储存、石油/天燃
气/地热能资源开发、大型水利水电枢纽等)对其周边人文和生产环境的影响越来越明确以及30
定量的认识[1]。
岩石力学-化学耦合(MC)作用研究是一个相当复杂的问题。作为具有不同化学组分及酸
碱性的溶液和流体，地下水一方面以孔隙水压力的形式对岩石产生力学作用，另一方面以化
学反应的形式与岩石发生物质交换，导致岩石本身微细观结构、甚至宏观结构的改变，由此
引起岩石力学性质的劣化。同时，岩石在应力作用下导致物性参数的变化(孔隙、裂隙状态)35
以及岩石的应力状态也影响水岩化学作用的程度和尺度。
近些年来，国内外很多的学者对岩石力学-化学耦合(MC)作用开展了大量的研究，主要
集中在水岩化学作用对岩石力学效应的影响方面。本文主要对近几年的研究作些回顾和总
结，并对其研究和应用前景进行展望。
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1 力学-化学耦合效应对岩石力学性质影响的试验研究 40
力学-化学耦合作用下岩石破裂过程
化学作用对断裂过程的影响是开展比较早的，Atkinson[2]和 Dunning[3]分别研究过水、水
溶液、有机溶剂对单晶石英和玻璃的断裂的影响，结果表明水对石英的断裂影响是非常大的。
由于水蒸气的吸附，至少造成岩石矿物表面自由能减少 2-4 倍，液态水和水溶液的存在，引
起的自由能减少更大。Rebinder[4]等探讨了化学环境对钻进面上岩石力学性质的影响，比较45
了几种不同化学药剂的作用及其机制，用 Griffith 强度理论对由于化学物质的吸附使得岩石
矿物表面能降低、促进裂纹扩展等进行了说明。
汤连生[5]也通过试验研究了不同化学性质的溶液对不同岩石的应力强度因子临界值 KIc
和临界张开位移δ c的影响规律，研究表明：水-岩化学作用对岩石裂纹的断裂指标具有时间
效应，其影响程度与水-岩化学反应的强度成正比。 50
冯夏庭等[6-7]进行了不同水化学环境下岩石破裂特性的试验研究，表明应力腐蚀破裂明
显地受到化学环境的影响,并依赖于ζ 电位；无论是受化学溶液、水、还是空气的侵蚀 ,大岛
花岗岩在蠕变、应力增加和松弛过程中都表现有时间分形特征。
从微细观看，岩石是由按力学规律粘结在一起的颗粒所组成，包含有大量裂隙、孔隙和
细微裂隙。水-岩石化学是一种从微观结构的变化导致其宏观力学性质改变的过程，因此一55
些学者开始注意开展细观试验研究水化学作用对岩石裂纹破裂的影响，如丁梧秀、冯夏庭[8]
自行研制了应力-水流-化学耦合的岩石破裂全过程细观加载系统，开展了化学溶液流动过程
中预置裂纹灰岩单轴压缩细观力学试验，获得了水化学作用下裂纹动态扩展全过程演化规
律。此外，丁梧秀等[9]还开展了化学侵蚀的裂纹岩石破裂的 CT 扫描试验，得到了裂纹扩展
过程中的 CT 实时图像及 CT 数。这些新的试验手段的出现使得我们能够从细观角度进一步60
认识化学作用对岩石裂纹扩展的影响机理。
近年来，随着能源储存的需要，盐岩的研究得到空前重视。针对这种遇水极易溶解的特
殊岩石材料，汤艳春[10]开展了应力-溶解耦合过程盐岩裂纹发育、扩展的细观试验与分析。
为类似的易溶解岩石破裂过程的力学-化学耦合效应提供了有益的借鉴。
力学-化学耦合作用下岩石的变形和强度特性 65
这方面的研究也是很多学者关注的方面。在不同的化学环境下，很多学者开展了一系列
受化学侵蚀岩石的单轴或是三轴试验研究[11-18]，试验所用到的岩石材料包括灰岩、大理岩、
花岗岩、砂岩这些典型的岩石。试验结果表明：水化学溶液对岩石力学效应是与水岩化学作
用密切相关的，岩石的化学损伤与水岩化学反应强度成正比。影响岩石水化学损伤的主要因
素有：岩石的化学性质、水溶液的化学性质（不同的 pH 值、不同的初始离子成分等）、岩70
石的结构或均匀程度。例如，灰岩对酸性水溶液比较敏感，在酸性溶液中，强度等均有大幅
度的下降。此外，针对我国广东地区重大工程中几种典型软岩，周翠英[19]等进行了软岩与
水相互作用方面的研究，指出水岩相互作用的焦点应着眼于特殊软岩-水相互作用的基本规
律上，应重视水岩相互作用的矿物损伤和化学损伤所导致大的力学损伤及其变异性规律性研
究，并建立软岩-水相互作用的时间效应模型，确定软岩性质软化的标志性临界阈值。 75
岩石在水化学作用下变形和强度发生改变，其根本原因在于表征岩石力学特性的参数发
生不同程度的改变。本文作者[18]分析了不同 pH 值的 CaCl2和 Na2SO4作用对灰岩的变形及
强度参数的影响规律，研究表明：化学腐蚀作用下岩石的内聚力 c、内摩擦角 φ和弹性模量
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E 均有不同程度的降低，泊松比 v 则变大。灰岩力学参数降低的程度与从灰岩中溶出的离子
浓度的大小具有相应的对应关系：也即从灰岩中溶出的离子浓度越高，其力学参数降低程度80
越大。
在实际工程中，地下水与岩土介质的相互作用过程具有很强的时间效应，并且同时伴随
着应力作用下岩体的物理化学损伤积累，最终从宏观上影响岩体的流变力学行为。因此，诸
如大坝、边坡、地下洞室等岩体工程的长期稳定性不单纯取决于应力作用下岩石和结构面本
身的流变行为，还应考虑地下水对其流变过程的影响效应。在这方面，乔丽苹[20]、崔强等[21]85
开展了水化学作用下岩石的流变试验，研究了砂岩蠕变变形、水物理化学作用及其与时间之
间的相关关系。申林方等[22]开展了单裂隙花岗岩在渗透压及化学反应共同作用下的蠕变变
形试验研究，结果表明溶解作用和软化作用对裂隙面的法向变形的影响程度显著不同，此外
作者进一步讨论了应力作用下岩石的化学动力学溶解机制[23]，从理论上更为深入的分析了
水岩化学作用对岩石物理力学特性影响过程。 90
力学-化学耦合作用下岩石渗透特性
岩石是多种天然矿物经长时期的地球化学作用而形成的一种非均质、多缺陷的材料。由
于成岩过程中的地球化学作用的不均衡，而造成岩体内存在大量空隙、缺陷，这些空洞的存
在严重的影响了岩石的物理力学特性。岩体孔隙变化，一方面影响岩石的渗透特性，从而导
致的围岩应力状态的改变；另一方面影响岩石骨架的有效应力，而有效应力是岩石材料的主95
要承重部分。所以研究岩石微细观孔隙结构的变化对于正确认识岩石渗透特性以及力学特征
的演化过程具有非常的重要意义。
长期处在地下水环境下的岩体，不仅仅受到应力及渗流的作用，同时也受到地下水中某
些离子的化学侵蚀作用，随着水岩反应的进行，岩石中的一些活性矿物发生化学反应，从矿
物表面析出的游离态物质随水分迁移，在岩石内部形成溶蚀的空洞，影响岩石微细观结构，100
进而导致岩体力学强度的弱化，诱发了一系列工程事故的发生。这种现象尤其在一些地下工
程和特殊工程中不容忽视，例如作为核废料处置库中天然屏障的围岩体，它一般是采用坚硬、
稳定的岩石，如花岗岩、大理岩等，这些岩石在成岩过程中会在岩体内部生长出一些裂隙，
而这些裂隙的渗透特性特别好，一旦受到地下水的侵蚀，裂隙壁上的一些活性矿物与地下水
的中的某些离子发生水岩反应，从而增大裂隙的开度，当裂隙发育到一定程度，核素会迁移，105
从而影响到人类生命安全。所以研究化学侵蚀作用下岩石的矿物成分和孔隙结构的变化，对
于分析岩土工程中灾害诱发的成因、对于正确评估和预测工程的安全性具有重要的理论意义
和科学价值。
Polak 、Yasuhara 等[24]等进行了化学作用下裂隙岩石渗透性的变化的试验研究，并建立
了颗粒的溶解、扩散、沉淀的速率与应力、裂缝的几何参数以及流体性质之间的数学关系式。110
Groves 等[25]研究了渗流-化学耦合作用所引起裂隙岩石渗透特性的变化对喀斯特的形成和发
展。张贵金和徐卫亚等[26]应用耦合随机理论模型讨论了溶蚀岩体的溶蚀作用对岩溶坝区渗
透性的影响。
另外，关于岩石节理表面的矿物沉积和溶解作用对其渗透性影响的研究方面目前也开展
了一些探索性的试验工作[27]。 115
2 岩石力学-化学耦合力学模型研究
由于涉及到的岩石不同、化学环境不同、水岩作用机理不同、所运用的化学及力学分析
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理论不同，各种模型的差别较大，适用性也不一样。因而这方面的研究目前还处于探索阶段。
针对裂隙岩石，王建秀等[28- 29]运用化学动力学和断裂力学的理论和方法，建立了拉剪
状态下碳酸岩水化-水力耦合损伤模型，并对某工程围岩裂隙岩体中的应力强度因子及渗透120
张量进行了计算；陈四利[30]基于化学环境腐蚀下岩石的动态破裂特征和演化规律，建立了
峰值前化学损伤本构模型和损伤演化变量；
Jishan Liu 等人[31] 利用理想化锯齿裂隙面模型从裂隙面化学溶蚀和接触面压力溶解相
互竞争的角度建立了二维的裂隙渗透特性应力-渗流-化学耦合模型，对 Polak[24]的试验进行
了理论和数值解析，解释了裂隙渗透性增大和减小的原因。 125
在认识到砂岩中主要胶结物 CaCO3 的溶解是岩石强度和变形衰减的主要原因的基础
上，李宁等[32]根据胶结物的有效承载面积定义损伤变量，提出了一个能定量描述岩石溶蚀
过程的化学-力学损伤强度模型。丁梧秀[33]认为岩石的损伤主要表现在岩石结构孔洞或空隙
的增加，以空隙率的变化为基础建立损伤变量和岩石损伤演化本构模型。汤艳春[34]结合试
验结果，基于溶蚀作用下岩盐力学性质发生改变的机制分析，建立了溶蚀作用下岩盐塑性力130
学模型。
水-岩之间的力学-化学耦合作用是一个极为复发的过程，涉及不同的作用机理（如溶解、
吸附、离子交换等），很多情况下同时会发生不同的化学作用，很难有精确的数学表达式描
述。鉴于神经网络在建立本构模型方面的优势，认识到化学作用对岩石本构模型的影响与水
溶液-岩石之间的反应程度相关，姚华彦[35]基于试验结果建立了一种综合考虑力学效应及水135
岩化学作用的进化神经网络本构模型。
此外，考虑到岩石的流变效应，乔丽苹[20]提出了能够描述水物理化学作用对砂岩弹塑
性变形特性影响的改进型 Duncan 模型以及考虑水溶液离子浓度的 H—P—C Burgers 蠕变模
型。崔强[21]则选用广义开尔文元件组合模型建立了化学渗透压下砂岩三轴蠕变本构模型。
3 水岩力学-化学耦合作用的工程应用 140
通过分析岩土化学作用的过程，综合利用地质环境中的化学作用力学效应的规律来达到
预防、控制和治理地质环境及地质灾害，这是研究水岩化学作用力学效应的落脚点[36]。一
些学者在这方面也开展了相关的研究。王建秀[37]把岩石水化学损伤应用于分析隧道岩体衬
砌水压力的计算。徐则民[38]研究水岩相互作用对滑坡的孕育和激发作用，指出过程中生成
的粘土矿物及其对岩石或岩体结构、力学性质的影响，在很大程度上造成最大抗滑力的显著145
降低，并在提高斜坡的截留降水的能力的同时增大斜坡负载，为滑坡地质灾害的发生提供了
有利条件。张明[39]等进行库岸堆积体边坡稳定性研究表明，随着库水位上升，考虑水岩力
学、物理化学作用与仅考虑水岩力学作用 2 种情况下库岸边坡的稳定系数变化趋势一致，
都是先减小后增大。但是在同一水位时，前者的稳定系数较后者有相当程度的降低。
石油工程中泥页岩水化是井壁失稳的重要原因。王炳印等[40]考虑泥页岩地层在温度、150
孔隙压力、泥页岩水化等因素的耦合作用，建立了耦合数学模型，得出了不同泥浆体系和不
同泥浆密度下泥页岩井壁的坍塌周期。邓虎等[41]也对该问题开展了相关研究，提出了控制
泥页岩稳定性的一些措施。
化学作用对岩土体的力学效应既有负(有害)效应，也有正(有益)效应[42]。利用水岩化学
作用有益的一面，通过水与岩石的化学反应达到调整岩石的物理力学性质，改良或者加固岩155
体，从而防治工程事故的发生。如在地基处理过程中，广泛使用石灰作灰土地基、石灰桩、
粉喷桩等[43]。此外，也有应用化学方法进行文物保护方面的应用[44]。
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4 需要进一步研究的问题
重视水岩之间的力学-化学耦合效应无疑具有重要的理论与实践指导意义，它为工程岩
体稳定性的评价、地质灾害的防治及相应参数的选择与分析都提供了一个新观点。水-岩物160
理化学以及力学作用对岩石力学效应的研究是多学科、多领域的结合，涉及到工程地质学、
岩土力学、水文地球化学、地球化学、损伤力学以及断裂力学等学科。本文总结了近几年在
这方面的研究成果。但这方面的研究有待于进一步深入研究，具体表现在：
（1）考虑裂隙岩石的应力-化学耦合的数学模型及其精细模拟研究。岩石的宏观力学效
应是一种从微观结构的变化导致其宏观力学性质改变的过程，这种复杂作用的微观过程是自165
然界岩体变形破坏的关键所在。因此，研究水化学作用对岩石的细微观破裂特征和腐蚀机理，
并如何把这些微观的机制放大到岩石宏观力学性质分析领域，并建立水化学作用对岩石力学
效应的定量数学模型，阐明水-岩相互作用整个过程的化学动力学效应，在此基础上发展相
应的数值模拟技术，将是水-岩化学作用对岩石力学效应理论研究及其应用的关键。
（2）水-岩力学-化学相互作用的长期效应研究。水岩化学作用具有时间依赖性，岩石170
本身也具有流变特性，考虑水溶液的化学及其孔隙压力作用下的岩石流变特征是研究岩土体
工程长期稳定性的重要方面，建立应力-水流-化学耦合过程的时间效应数学模型并与长期形
态的试验验证也是要努力的方向。
（3）考虑温度效应对水-岩力学-化学作用过程的影响。由于化学反应的速度对温度具
有很强的依赖性，而实际的地质岩体遭受不同温度的影响，因此只有将温度效应，才能更深175
入的了解水岩化学作用的机制，这也将涉及到更复杂的多场耦合问题。
（4）将水-岩力学-化学作用与环境地质灾害联系起来，建立水岩力学-化学作用下岩体
工程的长期稳定性评价方法及地质灾害的预测预报方法，利用水岩化学作用对工程灾害进行
防治，从而为工程建设服务。
总之，水-岩力学-化学耦合作用研究方面还是在探索过程中，很多的问题还没有很好的180
解决，需要综合运用多个学科的知识开展大量的研究工作。
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