岩体结构面如断层、节理等的剪切力学特性对于岩体的强度和变形具有控制作用。天然结构面往往是非连续、不贯通的，其中非贯通部分可概化为“岩桥”这一力学模型，具有强度高、应力聚集、脆性破坏的特点。滑坡的发生，就是岩体中“岩桥”在内外动力作用下渐次破裂、贯通并最终失稳运动的过程。断裂带内由于岩性、摩擦非均质性从而产生不同尺寸的“岩桥”，并对断裂强度、滑动稳定性和地震成核起着重要的控制作用。最近的室内实验和现场观察表明，除了摩擦，断层在震间期也通过压力溶解等过程恢复内聚力，由于热液条件（例如温度、有效法向应力和流体压力）的空间差异，内聚力恢复过程可能沿着断层不均匀地发生，形成“岩桥”。在这种情况下，后续滑动必然会使“岩桥”破裂，但这种过程及其对地震的影响仍不清楚。目前对“岩桥”剪切破坏的实验研究忽略了加载速率这一关键因素的作用。研究“岩桥”在不同剪切速率下的破坏形式及强度等力学参数的速率依赖性，不仅是岩体在动态荷载条件下稳定性评价的基础，也将有助于揭示滑坡、地震等岩体动力地质现象的失稳过程。
中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室祁生文研究员率领团队基于自主研发的大型岩体动态性能测试系统，对地壳内广泛发育的花岗岩开展了“岩桥”剪切速率效应研究（图1a和图1b）。试验的花岗岩样品为尺寸100 mm×50 mm×100 mm的六面体试样，“岩桥”长度60 mm。该研究在花岗岩“岩桥”上进行了剪切速率为1 μm/s至10 mm/s（低速率至亚地震速率）的直接剪切实验，并通过将三维激光扫描与ArcGIS集成技术来定量表征破裂面形貌（图1c）。
图1 实验设置：含“岩桥”的花岗岩样品（a）、大型岩体动态性能测试系统（b）以及获取破裂面三维形貌参数的流程（c）
结果表明，“岩桥”破坏模式从低剪切速率（0.001 mm/s和0.01 mm/s）下的拉张破坏转变为亚地震剪切速率（0.1 mm/s至10 mm/s）下的剪切破坏（图2）。这导致了“岩桥”剪切强度和破裂面形貌特征对剪切速率都具有显著的依赖性（图3，图4）：在低剪切速率下，“岩桥”发生拉张破坏，形成弯曲的贯通形式和起伏的破裂面形貌。在亚地震剪切速率下，则观察到剪切形成的平直贯通形式，峰值剪切强度和形貌粗糙度随着剪切速率的增加而增加。通过分析破裂贯通形式和破裂面三维形貌参数的变化，发现不同破坏模式下，“岩桥”破裂面形貌的各向异性指标均与剪切速率呈正相关，且拉张破裂面形貌较剪切破裂面具有更强的各向异性特征。同时，研究认为强度等力学特性及破坏模式的速率依赖性可能源于不同速率下所调动的微裂纹机制及其能量和几何特征。本文厘定了“岩桥”由拉张破坏转变为剪切破坏的临界剪切速率范围（0.01 mm/s至0.1 mm/s），该临界剪切速率取决于不同类型微裂纹的占比，因而与岩性、温度和法向应力等条件密切相关。
图2 不同速率下花岗岩“岩桥”的贯通形式
图3 力学参数对剪切速率的依赖性：（a）峰值剪切强度；（b）应力降；（c）残余剪切强度；（d）剪切刚度和（e）峰值剪切位移
图4 形貌参数对剪切速率的依赖性：（a）分形维数；（b）起伏高差；（c）视倾角以及（d）三维粗糙度系数Dm
此外，研究还发现所有剪切速率下的破裂面沿着剪切方向都是不对称的（图5），这种非对称性形貌由“岩桥”贯通和贯通后的进一步剪切共同造成。同时，所采用的三维形貌刻画方法给出了这种非对称性的具体特征，即迎切方向的起伏体倾角普遍小于背切方向，并发现了“岩桥”破裂面形貌的非对称性与其尺寸呈正相关，且尺寸效应随加载过程而减弱。这意味着，以往试验普遍采用的对称锯齿形结构面所得到的剪切力学规律可能不适用于刻画“岩桥”贯通后的结构面进一步剪切的力学行为。
图5 “岩桥”破裂面非对称性示意图
研究结果深化了对岩体破坏速率效应的认识，有助于理解自然岩体中具有类似“岩桥”特征的结构（例如非均质断层中的局部高强度段）在局部变化加载速率下的力学行为。同时，破裂面三维形貌结果还表明在断层表面粗糙度演化模型中应考虑速率效应的影响。
研究成果发表于国际学术期刊JGR-Solid Earth（罗光明，祁生文*，郑博文*. Rate Effect on the Direct Shear Behavior of Granite Rock Bridges at Low to Subseismic Shear Rates[J].Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127: e2022JB024348. DOI: 10.1029/2022JB024348）。研究受国家自然科学基金委（41825018和42141009）和第二次青藏科考（2019QZKK0904）等项目联合资助。
