于超云，唐世斌，唐春安

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

水是巖體工程中不可避免的環(huán)境因素，往往與巖體滑坡、地基失穩(wěn)、壩基開裂以及礦柱巖爆等自然災害密切相關。水對巖石力學特性的影響一直是國內外學者研究的重點，比如:Hawkins and Mcconnell[1]對35組砂巖進行試驗，發(fā)現含水率與強度之間具有負指數關系，即隨著含水率增加，強度和變形特性逐漸衰減。周翠英等[2]對不同吸水時間的軟巖進行試驗，發(fā)現其抗壓強度、抗拉強度及抗剪強度變化的定量表征關系服從指數變化規(guī)律。段宏飛等[3]研究了砂巖抗拉強度軟化的時間效應，結果表明抗拉強度隨飽水時間的增加呈指數規(guī)律減小。鄧華鋒等[4]研究了砂巖在飽水、風干過程中飽水度對抗壓強度和縱波波速影響的變化規(guī)律。蔣長寶等[5]對不同含水狀態(tài)的含瓦斯煤樣進行了三軸加卸載試驗，結果表明隨含水率增加，煤樣的強度、變形模量均呈降低趨勢，但是耗散能增大，破壞程度增大。ZHANG等[6]研究飽和度對粉砂巖強度、彈模、啟裂應力和損傷應力閾值的影響。YAO等[7]發(fā)現隨著含水率增大，煤巖中的峰值應力和彈性模量降低，但閉合應力、啟裂應力和損傷應力閾值不隨含水率的增大而變化。唐鷗玲等[8]發(fā)現含水率對砂巖的漸進破裂過程存在促進作用，隨著含水率的增加，砂巖的閉合應力、啟裂應力、損傷應力和峰值強度均逐漸減小。此外，在水對巖石蠕變特性的影響方面，LAJTAI等[9]研究了水對花崗巖時效性變形特性的影響，認為干燥花崗巖遇水后其時效性變形顯著增加;KRANZ等[10]通過試驗研究發(fā)現飽和花崗巖的蠕變失效時間比自然狀態(tài)下縮短了3個數量級;朱合華等[11]對干燥和飽和晶玻屑熔結凝灰?guī)r進行單軸壓縮蠕變試驗發(fā)現，兩者的極限蠕變變形量相差5～6倍，而且飽和巖樣進入穩(wěn)定蠕變階段的時間明顯延長;巨能攀等[12]研究了不同含水率的紅層泥巖三軸壓縮蠕變特性，結果表明紅層泥巖的初始、穩(wěn)態(tài)和極限加速蠕變速率都隨含水率的升高而增大。

在實際工程中(如采空區(qū)的遺留礦柱、大壩壩基及庫岸邊坡等)，施工期的通風、排水等措施使得巖石處在相對干燥的狀態(tài)，但是施工結束后，由于地下水位或者庫水位上升導致巖石逐漸由干燥變?yōu)轱査疇顟B(tài)，且后續(xù)將長期處于水環(huán)境中。巖石含水狀態(tài)的改變必然導致巖石力學性質(包含短期和長期強度)的巨大差異。然而，從以往的研究可以發(fā)現，學者們多側重于干燥或飽和兩種極端含水狀態(tài)下的強度和蠕變試驗，而且從試驗方法上看，通常是先把巖石試件浸水不同時間，然后對其表面進行密封處理，最后在空氣中進行加載測試，缺乏不同含水狀態(tài)下巖石的短期和長期力學特征的研究，也缺乏在持續(xù)水環(huán)境下受荷載與水共同作用的巖石蠕變力學特性的研究。因此，有必要進一步開展含水率對巖石力學性質影響的試驗研究，尤其是巖石在真實水環(huán)境下的試驗結果對巖體工程長期穩(wěn)定性評價具有重要意義?；诖?，本文以紅砂巖為研究對象，對不同含水率的試件進行常規(guī)單軸壓縮強度試驗和持續(xù)水環(huán)境中的蠕變試驗，重點分析含水率對紅砂巖瞬時和蠕變力學特性的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及試件制備

本次試驗所用的紅砂巖無層理、條紋和裂紋，完整性及均勻性良好。利用X射線衍射儀對其進行礦物衍射圖譜分析得知，主要礦物成分有石英(75%～80%)、長石(10%～15%)、方解石(5%～10%)和菱鐵礦(2%～3%)，黏土礦物極少。

現場取來的大塊巖石首先經過巖石鉆孔取芯機取芯，再經過切割、打磨，加工成φ50 mm×100 mm的標準試件。試件的比重、干容重和孔隙率分別為2.51，22.2 kN/m3和11.6%。

1.2 試驗設備及試驗方案

本次試驗采用的是中科院武漢巖土力學研究所研制的RMT-150C巖石力學剛性伺服試驗機。為了真實反映巖體工程長期處于水環(huán)境下的穩(wěn)定性特征，在原試驗機的基礎上設計了一個環(huán)境試驗箱，實物圖如圖1所示，使得巖石試件承受荷載的同時受持續(xù)水環(huán)境的作用。

圖1 持續(xù)水環(huán)境作用的巖石蠕變試驗系統(tǒng)Fig.1 Combined environmental and mechanical loading test system

這是一個結構簡單但能夠真實反映巖體工程長期受水作用的環(huán)境試驗裝置。箱體由透明的有機玻璃制成，可以直觀的觀察試件的破壞形態(tài)。箱體底座選用不銹鋼板，用不溶于水的黏合劑將筒壁與底座黏合成一體。試驗時，將該環(huán)境箱裝置放置于加載系統(tǒng)的支柱上即可。

本文設計了2種試驗類型，見表1:① 單軸壓縮強度試驗:首先將試件在105 ℃的干燥箱內烘24 h，冷卻至室溫后，將部分干燥試件浸水一定時間后取出，表面密封，然后對不同含水率紅砂巖試件進行常規(guī)單軸壓縮強度試驗，采用位移控制加載，加載速率是0.005 mm/s;② 持續(xù)水環(huán)境單軸壓縮蠕變試驗:首先將干燥和預先浸水一定時間后的紅砂巖試件移置到充滿水的試驗箱中，然后以力控制方式，按0.05 kN/s的速率加載到預定荷載后保持恒定。為了得到完整的3階段蠕變過程曲線，預設荷載水平取飽和試件強度的85%。

表1試驗方案
Table1Testschemes

試驗類型浸水時間及對應含水率試驗環(huán)境單軸壓縮強度試驗干燥(0%),1 h(0.71%),2 h(1.0%),4 h(1.26%),20 h(2.08%),2 d(2.97%),4 d(3.34%),6 d(3.37%),8 d(3.45%)表面密封,室溫,空氣持續(xù)水環(huán)境蠕變試驗干燥(0%),2 d(2.97%),4 d(3.34%),6 d(3.37%),8 d(3.45%)充滿蒸餾水的試驗箱中

2 吸水試驗及含水率的確定

在進行強度和蠕變試驗之前，首先對紅砂巖進行了吸水試驗。本次試驗參考了文獻[13-14]的試驗方法，在實驗過程中，先將試件放在105 ℃下烘24 h，取出放入干燥器內冷卻至室溫后稱重，然后迅速地將干燥試件浸沒在充滿蒸餾水的容器內，在浸水的前10 h內每隔30 min將試件取出，用濕布擦去表面水分，放在高精度的天平上稱重，浸水10 h后每隔1 h 用同樣的方式稱重。浸水一定時間后的巖石含水率wt可以通過下式計算:

wt=(Mt-M0)/M0×100%

(1)

式中，Mt為浸水巖石試件在t時刻的質量;M0為干燥巖石試件的質量。

圖2為4個紅砂巖試件的含水率隨浸水時間的變化曲線，浸水總時間分別是2,4,6和8 d。從圖2可以看出，在浸水的初始階段(0～20 h)，吸水速率大，含水率變化顯著;隨后(20～50 h)，吸水速率逐漸減小，含水率緩慢增大;而后(>50 h)，浸水4,6,8 d后的紅砂巖試件的含水率均趨于穩(wěn)定，最終的含水率分別是3.34%，3.37%和3.45%。

圖2 含水率隨浸水時間的變化曲線Fig.2 Water content vs.immersion time

根據紅砂巖的吸水特性，分別選取快速吸水階段的1,2，4,20 h，緩慢吸水階段的2 d，穩(wěn)定階段的4，6和8 d作為特征時刻，不同時刻對應的含水率見表1，通過對不同含水狀態(tài)下的紅砂巖試件進行單軸壓縮強度和蠕變試驗，從而研究含水率對紅砂巖力學性質的影響。

3 單軸壓縮試驗結果及分析

3.1 應力-應變曲線及各階段特征應力的確定

圖3為不同含水率紅砂巖的軸向應力應變曲線。可以看出，不同含水率試件的應力-應變曲線存在相似性，可分為5個階段:① 壓密階段，該段曲線稍向上凹曲，巖石內部原有孔隙被不斷壓縮;② 線彈性階段，該階段曲線為斜直線。巖石在線彈性階段微裂隙、空洞和弱節(jié)理面進一步被壓縮，但不再進一步發(fā)展，此時應力水平不足以促使新的裂紋或者迫使原有裂紋發(fā)生擴展演化，卸載后可完全恢復;③ 裂紋穩(wěn)定擴展階段，該階段的曲線偏離直線，出現塑性變形。巖石在這一階段出現細微的開裂，隨應力增大，數量增多，表征著巖石的破壞已經開始，巖石的結構和性質并無大的改變;④ 裂紋不穩(wěn)定擴展階段，該段曲線向下彎曲，巖石內部巖裂紋形成速度增快，密度加大，出現不可逆的變形，微破裂的發(fā)展出現了質的變化，應力保持不變，破裂仍會不斷地累積發(fā)展;⑤ 峰后階段，應力繼續(xù)增大，巖石承載力降低，表現出應變軟化特征，此階段內巖石的微裂隙逐漸貫通形成宏觀破裂面。

圖3 不同含水率試件的全過程應力-應變關系Fig.3 Stress-strain curves of samples with different water content

為了深入探討不同含水狀態(tài)下紅砂巖的力學響應，本文通過確定各階段特征應力來定量分析含水率與紅砂巖力學參數的關系。選取其中一個干燥紅砂巖試件峰值前的應力-應變曲線，詳細說明各階段特征應力值的確定方法(圖4)。

圖4 應力-應變曲線階段的劃分及各階段應力閾值的確定[16]Fig.4 Stages of stress-strain curve and profile to determine each characteristic stress threshold[16]

在圖4(a)中，σc為閉合應力，是巖石線彈性階段的下限;σi為啟裂應力，是巖石線彈性階段的上限;σd為損傷應力，是裂紋穩(wěn)定擴展與不穩(wěn)定擴展的分界點，對應于體積應變曲線(σ1～εV)的拐點;σf為破壞應力，對應于軸向應變曲線(σ1～ε1)的極大值點。啟裂應力的確定是一個關鍵，如果能先確定啟裂應力，那么取σ1-ε1曲線直線段的下限點即為閉合應力。本文采用MOHSEN和MARTIN[15]提出的LSR法(Lateral Strain Response):首先，在體積應變曲線(σ1-εV)中確定損傷應力點σd，并沿該點做水平線與橫向應變曲線(σ1-ε2)相交;其次，連接該交點與原點畫一條參考線，將兩條線對應的橫坐標值相減，即為LSR差值;最后，作LSR差值與軸向應力關系曲線，如圖4(b)所示，該曲線的最大值對應的應力即為啟裂應力σi。

3.2 含水率與各階段特征應力的關系

圖5為紅砂巖試件的各階段特征應力隨含水率的變化曲線(每一組含水狀態(tài)，分別取3～5個樣本)。從圖5可以看出，各階段特征應力均隨著含水率增大而逐漸降低。比如，當含水率wt=3.45%時，紅砂巖試件的平均閉合應力、啟裂應力、損傷應力和破壞應力分別是干燥狀態(tài)下的22.3%，22.4%，36.6%和50.2%，降幅分別是77.7%，77.6%，63.4%和49.8%。各特征應力與含水率的變化關系可以用負指數函數描述，如

σ(wt)=aexp(-bwt)+c

(2)

其中，wt為含水率;a，b，和c為常數。在干燥狀態(tài)下，即w=0%時，方程退化成σ(ω0)=a+c。在飽和狀態(tài)下，各特征應力σ(ωsat)=c;b為各特征應力隨含水率增加而衰減的速率。各特征應力對應的a，b，c這3個參數的擬合結果如圖5所示。從圖5可以看出，破壞應力和閉合應力對應的b值分別是0.584和0.686大于損傷應力(b=0.391)和閉合啟裂應力(b=0.345)。這說明，紅砂巖的強度及在初始的閉合階段對水更加敏感。

圖5 各階段特征應力與含水率的關系Fig.5 Relationship of characteristic stress to water content

正如圖2所示，含水率的大小取決于浸水時間的長短。因此從某種程度上來說，紅砂巖的力學性質與浸水時間存在一定的聯系。值得注意的是，在短時間內，各特征應力的降幅十分顯著。比如:與干燥試件相比，僅浸水1 h后試件的含水率wt=0.71%，閉合應力σc從31.3 MPa降到24 MPa，降幅為23.4%，占總降幅的30.1%;啟裂應力σi從47.7 MPa降低到38.7 MPa，降幅為19%，占總降幅的24.5%;損傷應力σd從77.0 MPa降低到60.5 MPa，降幅為21.3%，占總降幅的33.6%;破壞應力σf從107.8 MPa降低到54.1 MPa，降幅為20.4%，占總降幅的41%。浸水4 h后，wt=1.26%，閉合應力σc降幅為52.3%，占總降幅的67.2%;啟裂應力σi降幅為42.1%，占總降幅的54.2%;損傷應力σd降幅為36.3%，占總降幅的57.3%;破壞應力σf降幅為31.2%，占總降幅的62.6%。

在短時間內造成各特征應力急劇弱化的原因是因為本實驗所用紅砂巖的孔隙率較大，水分能夠迅速從巖石表面遷移巖石內部，導致含水率在短時間內迅速增大。比如:浸水1 h的試件含水率wt=0.71%是飽和含水率的20.6%。目前的研究僅側重含水率與巖石強度、彈性模量等力學參數的關系，但忽略了時間與巖石力學行為的聯系。在實際巖體工程比如邊坡降雨、水庫蓄水等，高孔隙率巖石遇水的初始幾個小時或者幾天對其穩(wěn)定性的影響是至關重要的。

圖6為紅砂巖的各特征應力與峰值應力的比值隨含水率的變化曲線。從圖6可以看出，各應力比隨含水率的增大而逐漸減小。當試件的含水率wt從0%增加到2.08%，各應力比顯著降低，比如:σc/σf從0.291降低到0.189，降幅為35.1%，占總降幅的63.1%;σi/σf從0.443降低到0.318，降幅為28.2%，占總降幅的51%;σd/σf從0.714降低到0.587，降幅為17.8%，占總降幅的65.4%。當含水率wt從3.34%增加到3.45%，各個應力比僅略有減小。比如，σc/σf從0.17降低到0.13、σi/σf從0.26降低到0.20，σc/σf幾乎不變。

圖6 應力比與含水率的關系Fig.6 Relationship of stress ratio to water content

圖7給出了啟裂應力σi與閉合應力σc之差與含水率的變化關系。從圖7可以看出該應力差隨含水率的增加而減小。應力差越小說明應力應變曲線上對應的直線段越短。這說明隨著含水率的增加，紅砂巖線性特征減弱，非線性特征增強。當含水率wt從0%增加到2.97%，應力差從16.4 MPa降低到7.1 MPa，降幅為56.6%;然而，當試件接近飽和狀態(tài)時，其應力差仍然降低，但降低幅度減弱，比如，當wt從3.34%增加到3.45%，應力差從5.0 MPa降到3.7 MPa，降幅為25.6%。應力差的降低正是紅砂巖在水的作用下發(fā)生的力學性質軟化的重要特征。

圖7 應力差σi-σc與含水率的關系Fig.7 Relationship of difference between crack initiation stress and crack closure stress to water content

3.3 含水率與強度和彈性模量的損失系數的關系

本文引入強度損失系數Rucs和彈性模量損失系數RE來量化含水率對紅砂巖單軸抗壓強度和彈性模量的弱化程度，方程如下:

Rucs=1-σf(wet)/σf(dry)

(3)

RE=1-E(wet)/E(dry)

(4)

其中，σf(wet)和Ewet為不同含水狀態(tài)下紅砂巖試件的單軸抗壓強度和彈性模量;E(dry)和σf(dry)為干燥試件的單軸抗壓強度和彈性模量。

強度損失系數和彈性模量損失系數隨含水率的變化關系如圖8所示。從圖8可以看出，隨著含水率增加，強度和彈模損失系數逐漸增大至趨于穩(wěn)定。比如，在浸水初期(0～20 h)，含水率wt從0%增加到2.08%，強度損失系數從0增加到0.38。但是，當浸水4～8 d后，含水率wt從3.34%增加到3.45%，強度損失系數僅僅從0.45增加到0.50。

圖8給出了強度和彈模損失系數與含水率定量的指數方程。當紅砂巖試件達到飽和狀態(tài)時，強度和彈性模量總損失系數分別是0.484和0.334。

圖8 損失系數與含水率的關系Fig.8 Relationship of loss coefficient to water content

4 蠕變試驗結果及分析

在巖體工程中，巖石往往受到荷載與水環(huán)境的共同作用，影響巖體工程長期穩(wěn)定性的不是瞬時力學性質而是長期力學性質。因此，本文分別對干燥、預先浸水2，4,6和8 d，相應的含水率為0%，2.97%，3.34%，3.37%，3.45%的紅砂巖試件在水環(huán)境試驗箱中進行恒定應力水平下的蠕變試驗。

圖9(a)是不同含水狀態(tài)試件的蠕變曲線，圖9(b)是圖9(a)的局部放大圖;圖9(c)是對應的應變率曲線，圖9(d)是圖9(c)的局部放大圖。

從圖9可以看出:① 在85%飽和抗壓強度的應力水平下，不同含水率的試件均出現失穩(wěn)破壞，蠕變曲線具有完整的3階段蠕變特征。除了wt=3.45%外，總應變隨著含水率的增大而增大。應變率曲線呈左低右高的不對稱“U”型;② 瞬時應變隨含水率的增加而增大，當試件趨于飽和時，瞬時應變隨含水率增加而變化幅度不大;③ 在初始蠕變階段，盡管含水率不同，對應的應變率相差無幾，這說明該階段蠕變變形的增幅一致。在第2蠕變階段應變率隨含水率的增大而增加，這在蠕變曲線中顯示為含水率越大曲線越陡;④ 隨著吸水率的增大，第2穩(wěn)定蠕變階段持續(xù)時間越短，即在高含水率條件下，試件將很快進入到第3階段發(fā)生破壞失穩(wěn);⑤ 含水率不同，試件失穩(wěn)破壞的時間也不同，隨著含水率增加，失穩(wěn)破壞時間縮短。

為了深入探究在荷載和水共同作用下含水率對紅砂巖蠕變力學特性的影響，本文分別分析了含水率與瞬時應變、蠕變應變、穩(wěn)態(tài)應變率和破壞時間這4個蠕變特征參數的關系。

4.1 含水率與瞬時應變的關系

圖10(a)為瞬時應變ε0與含水率的關系曲線。從圖10(a)可以看出瞬時應變隨含水率的增加而逐漸增大，比如，與干燥狀態(tài)相比，當含水率wt增加到2.97%，瞬時應變從4.95×10-3增加到5.74×10-3，增幅為15.96%。但當試件趨于飽和時，比如含水率wt從3.34%增大到3.45%，瞬時應變從6.17×10-3增加到6.48×10-3，增幅僅為5%。這是因為瞬時應變與巖石的彈性模量相關。正如圖8所示，彈性模量損失系數隨含水率呈指數形式而增加，即彈性模量隨含水率增加而呈負指數形式衰減。瞬時應變與含水率的關系同樣可以用指數函數來描述，擬合曲線及定量關系表達式如圖10(a)所示。

圖9 不同含水率紅砂巖試件的蠕變及應變率曲線Fig.9 Creep curves and creep strain rate curves of specimens with different water content

圖10 蠕變特征參數與含水率的關系Fig.10 Relationship of creep characteristic parameters to water content

4.2 含水率與蠕變應變的關系

蠕變應變εt是指與時間相關的應變，是蠕變破壞前的總應變與瞬時應變的差值。從圖10(b)可以看出，隨著含水率的增大，蠕變應變減小。比如在干燥狀態(tài)下，蠕變應變?yōu)?.14×10-3，含水率增大到2.97%時，該應變降低到2.84×10-3，降幅為9.55%。但是當試件趨于飽和時，盡管含水率增幅不大，蠕變應變仍有大幅度降低，比如含水率wt=3.34%和wt=3.45%時，蠕變應變分別降低了20.4%和44.9%。這是因為瞬時應變隨含水率增大而減小最后趨于穩(wěn)定，但同時蠕變的總應變隨著含水率的增大而逐漸增大，如圖10(a)所示。

4.3 含水率與穩(wěn)態(tài)應變率的關系

4.4 含水率與破壞時間的關系

從圖10(d)可以看出，含水率越大，試件的破壞時間Tf越短。在干燥狀態(tài)下，試件的破壞時間是37.25 h，當含水率為2.97%和3.34%時，破壞時間分別降低到15.98 h和3.84 h，降幅分別為57.1%和89.7%，這說明非飽和試件的破壞時間受吸水時間的影響十分顯著。當試件趨于飽水狀態(tài)時，破壞時間仍顯著降低，比如含水率從3.37%增大到3.45%，盡管含水率僅增加了0.08%，試件的破壞時間從1.08 h縮短到0.58 h，降低幅度為46.3%。破壞時間的長短取決于第2穩(wěn)定蠕變階段的持續(xù)時間，第2階段越長，那么破壞時間越長，反之亦然，也即破壞時間與穩(wěn)態(tài)應變率有關。圖10(c)表明即便是飽和試件穩(wěn)態(tài)應變率仍然顯著增大，因此受荷載與水共同作用下紅砂巖蠕變破壞時間顯著縮短。

在實際工程中，巖石長期處在水環(huán)境中，受荷載與水的共同作用，然而，過去學者在進行含水率對巖石蠕變特性影響的試驗時，通常對試件表面做密封處理使巖石保持恒定的含水率。由此可見，本文得到的浸水條件下紅砂巖試件的蠕變試驗結果更接近實際，對巖體工程的長期穩(wěn)定性分析具有一定的參考價值。

5 結 論

(1)單軸壓縮試驗得到的各階段特征應力(閉合應力、啟裂應力、損傷應力和破壞應力)隨含水率的增大而呈負指數形式降低。各特征應力與破壞應力之比以及啟裂應力與閉合應力之差隨含水率增大而減小。含水率增大導致紅砂巖的非線性特征增強。強度和彈性模量損失系數隨含水率呈指數函數增長的趨勢，并在飽和狀態(tài)下趨于一個穩(wěn)定值。

(2)在荷載與水共同作用下，即便是初始飽和巖樣，其蠕變特性仍然有顯著的變化。瞬時應變和穩(wěn)態(tài)應變率隨含水率的增加呈指數形式逐漸增大，而蠕變應變和破壞時間隨含水率的增加而減小。

(3)巖石在水中的蠕變變形產生新的裂紋，有利于水進一步運移到新生裂縫尖端，加劇了水對裂紋尖端的物理力學作用，進而加速裂紋的擴展，這是在荷載與水共同作用下飽和巖樣的蠕變力學特性依然顯著變化的重要原因。

(4)巖土工程災害往往與水的影響密不可分。受荷載與水共同作用下的蠕變試驗更加符合工程巖體長期處在水環(huán)境中的真實情況，本文給出的不同含水率下紅砂巖瞬時和蠕變試驗結果將有助于評價巖體工程的長期穩(wěn)定性。