岩土工程中，往往伴随着岩石界面摩擦滑动问题，岩石摩擦滑动可分为缓慢长期滑动和突然剧烈滑动，即稳滑和黏滑现象。在岩土工程实践中，岩石界面摩擦滑动会引起工程失稳问题，严重威胁着人们的生命财产安全;在一些地质灾害中，如山体滑坡、地震灾害等，岩石界面摩擦滑动是造成这些地质灾害的主要因素之一[1-2]。因此，深入研究岩石滑动摩擦滑动规律对工程实践和地质灾害的预测预防有着积极的理论和实践意义。
对于岩石界面摩擦滑动规律的研究，国内外许多专家学者通过合理的实验对岩石摩擦滑动进行了研究。宋义敏等[3-4]利用CCD数据采集系统和白光数字散斑相结合的方法，对双剪模型试件在剪应力逐渐增加过程中的岩石位移场、滑动面水平位移、变形能密度的演化特征及断层黏滑的演化特征进行了研究;马文涛等[5]利用双剪模型，对岩石进行摩擦滑动实验，提出了岩石在摩擦滑动过程中可以观测到声发射的多普勒效应;韩文梅等[6]采用改进后的岩石摩擦滑动装置，以不同种岩样作为研究对象，研究岩样在自然、饱水、干燥情况下摩擦滑动的稳定性;KATO N等[7]采用动态应变观测系统，对拐折斜断层的滑动过程进行了研究，根据分析结果分析了拐折对断层黏滑失稳演化的影响;王海军等[8]以砂岩为研究对象，进行了岩石记忆性物理实验，提出了岩石变形记忆性区域存在于低应力区域，岩石变形记忆性的原理是微裂纹和颗粒接触面的摩擦滑动;李银平等[9]通过对6种典型的翼裂纹应力强度因子计算模型进行对比分析，可为进行岩石类材料压剪断裂和损伤分析实验选择合理的滑动裂纹模型提供参考;LOCKNER D A等[10]采用声发射的定位方法，对岩石破坏过程中裂纹的非均匀演化特征进行研究;Y V拉马纳等通过研制的室内实验平面仪等，对印度几种地质成因不同的岩石摩擦滑动特性进行了研究评价，提出了滑动摩擦因数是讨论岩石稳定性的重要参数[11];韩文梅等[12]通过改进典型岩石摩擦滑动实验装置，在低正应力的条件下对8种硅酸岩进行岩石摩擦滑动的实验研究，利用统计学的观点并基于岩石表明微凸体，研究岩石表面粗糙度对静摩擦因数的影响;韩文梅等[13]采用三维白光干仪对岩石抛光表面进行表面形貌特征的研究，以及对岩石矿物成分进行分析，通过合理的实验，对岩石试件在自然、干燥、饱和状态下的摩擦因数进行研究，提出摩擦因数和岩石自身矿物成分有关系。邓绪彪等[14]根据损伤弱化以及摩擦强化基本原理，采用弹簧、胶结杆、滑片相结合的方法组建细观子链D，并且引入了剪切带宽度概念，构成了摩擦局部化损伤本构关系。虽然许多专家学者对双剪模型在单一加载状态下的力学响应、岩石界面摩擦滑动影响因素、裂纹与摩擦滑动对岩石变形的影响、摩擦因数等研究问题做出了很多有意义的成果，这些研究大都建立在单一的加载状态下进行的。但岩石界面的滑移问题往往处于一种往复加载状态，为完善岩石界面滑移特征规律的认识，有必要对循环加载情况下的界面摩擦滑移规律开展进一步的研究工作。
笔者设计了花岗岩双剪实验模型，恒定围压情况下开展剪切作用力循环加载界面滑移试验研究，利用CCD相机进行滑移过程图像采集并采用数字散斑方法[15-16]进行滑移变形特征分析，研究在循环加载演示界面摩擦滑动过程中试样表面摩擦滑移和整体位移场演化特征规律。
1 循环加卸载双剪模型试验
1.1 实验系统及模型
实验系统包括RLJW-2000液压伺服试验机加载系统和CCD相机图像采集系统(图1(a))，通过CCD相机以1 帧/s的速度采集实验过程中的表面散斑图像，通过数字散斑相关方法分析岩石表面水平位移以及岩块位移场随着加载过程的演化。
图1 实验系统布置与实验模型
Fig.1 Sketch of the test system and experimental model
该实验采用双剪模型实验方法，实验材料选用的是一种剪切模量约为25.7 GPa的花岗岩;实验岩块采用专用仪器切割成型，岩块表面用金刚砂纸打磨，该实验模型(图1(b))由1块滑动岩块和2块固定岩块构成，滑动岩块长宽高尺寸分别为350，100，50 mm，固定岩块长宽高尺寸分别为300，50，50 mm。固定岩块分布于滑动岩块两侧，对固定岩块右端设置水平位移约束，在模型上下表面施加竖直方向恒定围压150 kN，滑动岩块左端采用位移加载的方式进行加载，右端为自由端。为了方便实验结果的处理，选取滑动岩块D区域为位移场演化分析区域，根据双剪模型的对称性，选取摩擦面D1,D2,D3,D4，D5点对为水平摩擦滑动分析点。P1,P2点为距离D3分析点相同距离的参考点，用两个对称点水平位移差值代表D3点处的水平位移量，用竖直位移差值代表D3点处的咬合程度。
1.2 实验过程
将固定岩块和滑动岩块按照要求安装在液压伺服试验机上，保证固定岩块右端设置水平位移约束，固定岩块和滑动岩块的接触面完全对齐，调整CCD图像采集系统位置及分辨率、测试视场;在试件和采集系统搭建完成后，对双剪模型上下表面施加150 kN恒定围压，当围压达到设定值后，对加载系统和图像采集系统进行对时，以开始加载切向水平位移载荷为开始时间，与此同时图像采集开始进行试件表面散斑场图像采集;剪切以0.25 mm/min的速率对滑动岩块左端进行水平位移加载，且设定当载荷达到173 kN后开始卸载，卸载至50 kN时再进行加载，如此进行10次循环加卸载。在第11次加载完成后，不再进行卸载，继续加载至试件出现大的滑移、剪切力不再增加为止，实验结束。
由图1(b)可知，正应力作用面为固定岩块上下表面与滑动岩块接触的位置，面积大小为300 mm×50 mm。剪切应力作用面为滑动岩块位移加载面的位置，面积大小为50 mm×100 mm。载荷应力关系公式为
fv=F/S
(1)
式中,fv为应力v表示应力作用面积S的法线方向;F为载荷;S为应力作用面积。
由式(1)可得，当载荷为150 kN时，正应力为10 MPa;当载荷分别为173，50 kN时，剪切应力分别为34.6，10 MPa。
在恒定围压的情况下，对滑动岩块进行完整10次循环加卸载，对应加载历史曲线如图2所示。
图2 实验加载曲线
Fig.2 Curve of loading history
实验结束以后，对采集的图像进行分析，并将需要处理的数据进行分类;对摩擦滑移位移分析时，将变形图和参考图进行对应的刚体位移计算，消除刚体位移，选取其中1组实验结果进行分析。
1.3 循环加载摩擦滑移实验结果
通过分析对应历史时间的散斑数据，可以计算得到图1(b)所示标识点的水平剪切位移演化曲线(图3)。
图3 标识点水平剪切位移演化曲线
Fig.3 Evolution curves of horizontal shear displacement at marking point
图3(b)为加载剪应力与时间对应图，由图3(b)可以观察到，滑动面剪应力经历初期的缓慢增长之后，当时间进行到1 563 s、剪应力为34.6 MPa时，开始进行第1次卸载，当时间进行到1 658 s、卸载到10 MPa时，开始进行第2次加载;随后以34.6～10 MPa进行9次循环加卸载。可以看出，随着位移控制加载时间的增加，滑动面摩擦滑动水平位移曲线和滑动面剪应力加载曲线有很好的对应关系;由图3可以观察到:对于标识点D1所处区域，第1次加载到34.6 MPa时位移没有突然增大现象，第1次加载以后，每次循环加载到34.6 MPa过程中，都会发生位移突然增大的现象，即都会发生小的黏滑现象;对于标识点D2，D3，D4，D5所处区域，在进行第1次卸载至第8次加载过程中，与加卸载曲线相对应的水平位移滑动曲线呈现出比较稳定的连续不间断反复摩擦滑动，随着加载位移有增大的趋势，卸载时发生位移恢复;当进行到第8次循环时，滑动块相对于固定块整体发生一次大的黏滑，位移整体发生一次大的滑动。由图3可以看出，标识点D1到D5所处区域水平位移滑动曲线都出现突然增加现象。在第8次卸载至第11次加载过程中，加载端D1和自由端D5在每次循环中皆有明显的黏滑现象;而滑块的中部D3区域，总体水平位移相对于循环前期有明显变化，水平位移在每次循环中位移明显增大，同时也存在明显的黏滑现象;而处于加载端和自由端与中部之间的D2，D4区域，相对于前期循环除了整体水平位移有所增大外，其水平位移在整个加卸载过程中比较平稳，在加卸载过程中没有明显的增加和减小。在第11次加载时，当剪力超过前几次循环顶点加载剪力值后继续增加，当加载到35.7 MPa时，与之相对应的水平位移滑移曲线会出现剪切位移急剧上升的现象，而以位移控制的剪应力无法继续增加，整个结构发生失稳滑移，实验过程结束。
2 岩石摩擦滑移演化特征
2.1 岩石摩擦滑移位移场演化特征
利用数字散斑和MATLAB语言等相关技术，对滑动岩块D区域位移场进行计算，为了理清循环加卸载在界面摩擦中的影响，在加载历史曲线上选取加卸载剪应力相同的点进行分析，在图4加载剪应力与时间对应关系图增加两组表示点A，B，对应C系统标识点进行分析。图4中标识点0为岩石界面滑移位移分析的参考时间点;标识点A1至标识点A20为加载剪应力在循环加卸载过程中，剪应力为18 MPa时对应的时间点;标识点B1至标识点B20为加载剪应力在循环加卸载过程中，剪应力为24 MPa时对应的时间点;标识点C1至标识点C20为加载剪应力在循环加卸载过程中，剪应力为30 MPa时对应的时间点;分析标识点对应的岩石摩擦滑移水平位移场等值线演化图，探究岩石界面摩擦滑移位移场在循环加卸载作用下的演化特征。
图4 加载剪应力与时间对应关系
Fig.4 Loading shear stress and time chart
分别对C1～C20时刻对应的岩石摩擦滑移水平位移场等值线图进行分析，选取具有典型特征的水平位移场等值线图进行具体研究分析，如图5所示，选取标识点C1，C2，C9，C10，C15，C16时刻得到对应水平位移等值线图，如图3所示，其中C1和C2，C9和C10，C15和C16分别表示第1次卸载与第2次加载、第5次卸载与第6次加载、第8次卸载和第9次加载相同剪应力对应的时刻。图5为相同剪应力情况下相邻卸载加载过程中剪切位移场等值线分布图，数字散斑图像分析系统的坐标系以水平坐标轴向右为正，竖直坐标轴向下为正，图5中所示的岩石摩擦滑动水平位移量值为正值，代表滑动岩块在循环加卸载状态下向着自由端移动。图5位移场分析区域与图1(b)中区域D相对应;图5位移场分为两个区域，位移场等值线量值较大且分布比较均匀的称为易滑区，以下称为弱段，与之相反的称为强段;图5中黄色区域为水平位移等值线量值较大区域。
图5 剪应力为5 MPa时不同加卸载下摩擦滑移水平位移场等值线(单位:mm)
Fig.5 Contour map of the horizontal displacement field of the frictional slip of the rock in different cyclic loading and unloading process with shear stress of 5 MPa
由图5可知，岩石界面摩擦滑移位移场存在时空演化两个特征，在时间上随着循环次数的增加，相同区域位移值明显增大，在空间上存在明显的位移场分区性，即相对于加载端和自由端，位移场分布存在强段和弱段。
将图5(a)，(c)，(e)和图5(b)，(d)，(f)分别进行分析，前3者表示不同循环的卸载相同剪应力状态水平位移场等值线图、后3者表示加载过程中相同剪应力水平位移场等值线图。对比发现:无论加载阶段还是卸载阶段，无论位移场的强段还是弱段，在相同的剪应力水平下其水平滑动位移随着循环次数的增加都在增大，说明循环加卸载情况下，岩石界面滑移在相同的剪应力状态下存在明显的累积效应。对比图5(a)，(b)，图5(c)，(d)，图5(e)，(f)，即相邻卸载及加载过程在相同的剪应力水平的水平位移等值线图可以发现:前一循环卸载到相同剪应力水平时对应的摩擦水平位移值大于后一循环加载到相同剪应力水平时的摩擦水平位移值，表明:界面摩擦剪切变形过程中，无论位移场的强段还是弱段，界面摩擦滑移整体位移场的变化相对于剪应力的变化存在明显的时间滞后性。
观察图5可以看出，以试件的中部为界，大致可以将试件的变形位移场强段和弱段，在自由端与中间部位的弱段存在位移场变化最小区域，该区域存在与其他变形区域相同的变化趋势，随着循环次数的增加水平滑动位移增大—累积效应，前一次卸载水平剪切位移大于后一次加载到相同剪应力水平的剪切位移—时间滞后性。在试件的纵向方向上，无论位移场的强段还是弱段，尤其强段部分，上下界面一定区域内的位移等值线密度大于试件纵向中部，主要是由于界面摩擦滑移存在界面摩擦局部化现象，该现象与摩擦界面粗糙程度、加载速率及材料性质有关。
2.2 岩石滑动面位移演化特征分析
基于循环加卸载过程中岩石摩擦滑移位移场时空演化特征研究，进一步分析在循环加载过程不同剪切应力水平下位移演化特征。如图4所示，通过分析标识点对应的岩石摩擦滑移水平、竖直位移演化曲线，探究循环加卸载过程中的岩石界面滑移位移演化特征。
本节竖直位移和水平位移通过布置虚拟位移计的方法求得。如图1(b)所示，通过在滑动面上布置D1，D2，D3，D4，D5五个点来研究滑动面滑移位移演化特征，且在每个点周围布置上下对称两个点，以D3周围两个对称点P1，P2为例，用两个对称点水平位移差值代表D3点处的水平位移量，用竖直位移差值代表D3点处的咬合程度。
图6为循环加卸载过程中D1至D5点在图4中标识点A1至A20、标识点B1至B20、标识点C1至C20对应时刻的竖直位移演化曲线。竖直位移量值为正代表滑动面竖向张拉，反之为竖向挤压状态，即负值表示界面咬合程度大、反之咬合程度小。
图6 循环加卸载过程中岩石摩擦滑动竖向位移演化曲线
Fig.6 Vertical displacement evolution curves of rock friction sliding during cyclic loading and unloading
分析图6可以看出:从加载端到自由端，随着循环次数的增加，界面咬合程度增加，咬合程度沿着横向方向发生波动变化，试件加载端咬合程度大、其次为试件中部、最小为试件自由端，即D1>D3>D4>D2>D5，其咬合程度与位移场的水平方向空间分布一致;在循环加卸载的前期，界面咬合程度波动变化，且在相邻的卸载、加载到同一剪切应力水平其咬合程度也波动变化，这与花岗岩试件材料的非均匀性和界面性质相关，其在时间上也存在位移演化相对剪切应力变化的滞后性。
图7为循环加卸载过程中D1至D5点在图4中标识点A1至A20、标识点B1至B20、标识点C1至C20对应时刻的水平位移演化曲线。
图7 循环加卸载过程中岩石摩擦滑动水平位移演化曲线
Fig.7 Horizontal displacement evolution curves of rock friction sliding during cyclic loading and unloading
分析图7可以发现:在加卸载时间为1 573～2 995 s，即循环卸载从第1次到第8次循环，在此过程中，D1～D5点处的滑动面处于连续不间断的反复稳定摩擦滑动，加卸载到相同应力条件时，总体而言卸载时对应的水平位移值大于紧随后的加载到该剪应力水平对应的位移值，即与前述一样，存在较为明显的剪切变形滞后性;在2 995 s到实验结束，不同剪应力水平下的5个标识点的水平位移值皆有所增大，且相同剪应力水平对应前一次卸载位移明显大于随后加载到该剪应力水平对应的位移值，尤其是D1和D5对应区域，即加载端和自由端位移变化尤为明显，也即是该两区域的剪切位移滞后性更加明显;对于D2，D3和D4区域，剪切位移变化比较平缓。同时，比较不同剪应力水平对应的剪切位移变化情况可以看出:随着应力水平的增大，在第8次卸载之前，加载端和自由端卸载位移和加载位移差值越来越大，说明随着剪应力水平的增加，剪切位移的时间滞后性增强;在第8次卸载后，滑块整体发生了一次大的黏滑后，低剪应力水平下剪切位移的时间滞后性明显增强(图7(a))，而高剪应力水平对应的剪切位移滞后略有减弱(图7(c))。
另外，从循环次数对水平剪切位移的影响上可以看出:随着循环次数的增加，D1至D5点处的水平剪切位移都有所增加，存在循环载荷对水平剪切位移的累积效应;以第8次卸载前后为分界点，在试件整体发生黏滑之前，水平剪切位移随着循环次数增大增加斜率较小，之后水平剪切位移增加斜率明显增大，表明试件发生整体黏滑后，在相同的剪应力水平下，剪切水平位移变化速率增大。
3 结 论
(1)在花岗岩界面摩擦滑移过程中，试件不同部位其发生滑移机制略有不同，靠近试件的加载端和自由端，在每次循环加卸载过程中除了稳定滑移变形外存在多次小的黏滑现象;在恒定围压下，当循环到一定次数(卸载到第8次后)试件会发生整体的黏滑现象。
(2)在循环加卸载作用下，试件界面摩擦滑移位移场存在明显的时空演化特征:在空间上存在明显的剪切位移增大和减小区域，同时随着循环次数的增加位移存在明显的累积效应;在时间上剪切位移演化相对于剪应力变化存在明显的时间滞后效应，即无论整体黏滑前后，在相同剪应力水平下，前一次卸载与后一次加载到相同剪应力水平，卸载对应的剪切位移大于加载时对应的剪切位移值。
(3)随着循环次数的增加，垂直位移整体趋势有所降低，水平位移有所增加，即随着循环次数的增加，界面咬合程度增加，水平滑动位移增加。
(4)在试件发生整体黏滑前后，剪切位移随着循环次数的增加发生不同的变化;相同剪应力水平，黏滑前，随着循环次数的增加，剪切位移缓慢增大，黏滑后，随着次数的增加剪切位移明显增大;即黏滑前后，相同剪应力水平下位移演化速率由小变大。
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