含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

于超云，唐世斌，唐春安

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

水是岩体工程中不可避免的环境因素，往往与岩体滑坡、地基失稳、坝基开裂以及矿柱岩爆等自然灾害密切相关。水对岩石力学特性的影响一直是国内外学者研究的重点，比如:Hawkins and Mcconnell[1]对35组砂岩进行试验，发现含水率与强度之间具有负指数关系，即随着含水率增加，强度和变形特性逐渐衰减。周翠英等[2]对不同吸水时间的软岩进行试验，发现其抗压强度、抗拉强度及抗剪强度变化的定量表征关系服从指数变化规律。段宏飞等[3]研究了砂岩抗拉强度软化的时间效应，结果表明抗拉强度随饱水时间的增加呈指数规律减小。邓华锋等[4]研究了砂岩在饱水、风干过程中饱水度对抗压强度和纵波波速影响的变化规律。蒋长宝等[5]对不同含水状态的含瓦斯煤样进行了三轴加卸载试验，结果表明随含水率增加，煤样的强度、变形模量均呈降低趋势，但是耗散能增大，破坏程度增大。ZHANG等[6]研究饱和度对粉砂岩强度、弹模、启裂应力和损伤应力阈值的影响。YAO等[7]发现随着含水率增大，煤岩中的峰值应力和弹性模量降低，但闭合应力、启裂应力和损伤应力阈值不随含水率的增大而变化。唐鸥玲等[8]发现含水率对砂岩的渐进破裂过程存在促进作用，随着含水率的增加，砂岩的闭合应力、启裂应力、损伤应力和峰值强度均逐渐减小。此外，在水对岩石蠕变特性的影响方面，LAJTAI等[9]研究了水对花岗岩时效性变形特性的影响，认为干燥花岗岩遇水后其时效性变形显著增加;KRANZ等[10]通过试验研究发现饱和花岗岩的蠕变失效时间比自然状态下缩短了3个数量级;朱合华等[11]对干燥和饱和晶玻屑熔结凝灰岩进行单轴压缩蠕变试验发现，两者的极限蠕变变形量相差5～6倍，而且饱和岩样进入稳定蠕变阶段的时间明显延长;巨能攀等[12]研究了不同含水率的红层泥岩三轴压缩蠕变特性，结果表明红层泥岩的初始、稳态和极限加速蠕变速率都随含水率的升高而增大。

在实际工程中(如采空区的遗留矿柱、大坝坝基及库岸边坡等)，施工期的通风、排水等措施使得岩石处在相对干燥的状态，但是施工结束后，由于地下水位或者库水位上升导致岩石逐渐由干燥变为饱水状态，且后续将长期处于水环境中。岩石含水状态的改变必然导致岩石力学性质(包含短期和长期强度)的巨大差异。然而，从以往的研究可以发现，学者们多侧重于干燥或饱和两种极端含水状态下的强度和蠕变试验，而且从试验方法上看，通常是先把岩石试件浸水不同时间，然后对其表面进行密封处理，最后在空气中进行加载测试，缺乏不同含水状态下岩石的短期和长期力学特征的研究，也缺乏在持续水环境下受荷载与水共同作用的岩石蠕变力学特性的研究。因此，有必要进一步开展含水率对岩石力学性质影响的试验研究，尤其是岩石在真实水环境下的试验结果对岩体工程长期稳定性评价具有重要意义。基于此，本文以红砂岩为研究对象，对不同含水率的试件进行常规单轴压缩强度试验和持续水环境中的蠕变试验，重点分析含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学特性的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料及试件制备

本次试验所用的红砂岩无层理、条纹和裂纹，完整性及均匀性良好。利用X射线衍射仪对其进行矿物衍射图谱分析得知，主要矿物成分有石英(75%～80%)、长石(10%～15%)、方解石(5%～10%)和菱铁矿(2%～3%)，黏土矿物极少。

现场取来的大块岩石首先经过岩石钻孔取芯机取芯，再经过切割、打磨，加工成φ50 mm×100 mm的标准试件。试件的比重、干容重和孔隙率分别为2.51，22.2 kN/m3和11.6%。

1.2 试验设备及试验方案

本次试验采用的是中科院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150C岩石力学刚性伺服试验机。为了真实反映岩体工程长期处于水环境下的稳定性特征，在原试验机的基础上设计了一个环境试验箱，实物图如图1所示，使得岩石试件承受荷载的同时受持续水环境的作用。

图1 持续水环境作用的岩石蠕变试验系统Fig.1 Combined environmental and mechanical loading test system

这是一个结构简单但能够真实反映岩体工程长期受水作用的环境试验装置。箱体由透明的有机玻璃制成，可以直观的观察试件的破坏形态。箱体底座选用不锈钢板，用不溶于水的黏合剂将筒壁与底座黏合成一体。试验时，将该环境箱装置放置于加载系统的支柱上即可。

本文设计了2种试验类型，见表1:① 单轴压缩强度试验:首先将试件在105 ℃的干燥箱内烘24 h，冷却至室温后，将部分干燥试件浸水一定时间后取出，表面密封，然后对不同含水率红砂岩试件进行常规单轴压缩强度试验，采用位移控制加载，加载速率是0.005 mm/s;② 持续水环境单轴压缩蠕变试验:首先将干燥和预先浸水一定时间后的红砂岩试件移置到充满水的试验箱中，然后以力控制方式，按0.05 kN/s的速率加载到预定荷载后保持恒定。为了得到完整的3阶段蠕变过程曲线，预设荷载水平取饱和试件强度的85%。

表1试验方案
Table1Testschemes

试验类型浸水时间及对应含水率试验环境单轴压缩强度试验干燥(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,室温,空气持续水环境蠕变试验干燥(0%),2 d(2.97%),4 d(3.34%),6 d(3.37%),8 d(3.45%)充满蒸馏水的试验箱中

2 吸水试验及含水率的确定

在进行强度和蠕变试验之前，首先对红砂岩进行了吸水试验。本次试验参考了文献[13-14]的试验方法，在实验过程中，先将试件放在105 ℃下烘24 h，取出放入干燥器内冷却至室温后称重，然后迅速地将干燥试件浸没在充满蒸馏水的容器内，在浸水的前10 h内每隔30 min将试件取出，用湿布擦去表面水分，放在高精度的天平上称重，浸水10 h后每隔1 h 用同样的方式称重。浸水一定时间后的岩石含水率wt可以通过下式计算:

wt=(Mt-M0)/M0×100%

(1)

式中，Mt为浸水岩石试件在t时刻的质量;M0为干燥岩石试件的质量。

图2为4个红砂岩试件的含水率随浸水时间的变化曲线，浸水总时间分别是2,4,6和8 d。从图2可以看出，在浸水的初始阶段(0～20 h)，吸水速率大，含水率变化显著;随后(20～50 h)，吸水速率逐渐减小，含水率缓慢增大;而后(>50 h)，浸水4,6,8 d后的红砂岩试件的含水率均趋于稳定，最终的含水率分别是3.34%，3.37%和3.45%。

图2 含水率随浸水时间的变化曲线Fig.2 Water content vs.immersion time

根据红砂岩的吸水特性，分别选取快速吸水阶段的1,2，4,20 h，缓慢吸水阶段的2 d，稳定阶段的4，6和8 d作为特征时刻，不同时刻对应的含水率见表1，通过对不同含水状态下的红砂岩试件进行单轴压缩强度和蠕变试验，从而研究含水率对红砂岩力学性质的影响。

3 单轴压缩试验结果及分析

3.1 应力-应变曲线及各阶段特征应力的确定

图3为不同含水率红砂岩的轴向应力应变曲线。可以看出，不同含水率试件的应力-应变曲线存在相似性，可分为5个阶段:① 压密阶段，该段曲线稍向上凹曲，岩石内部原有孔隙被不断压缩;② 线弹性阶段，该阶段曲线为斜直线。岩石在线弹性阶段微裂隙、空洞和弱节理面进一步被压缩，但不再进一步发展，此时应力水平不足以促使新的裂纹或者迫使原有裂纹发生扩展演化，卸载后可完全恢复;③ 裂纹稳定扩展阶段，该阶段的曲线偏离直线，出现塑性变形。岩石在这一阶段出现细微的开裂，随应力增大，数量增多，表征着岩石的破坏已经开始，岩石的结构和性质并无大的改变;④ 裂纹不稳定扩展阶段，该段曲线向下弯曲，岩石内部岩裂纹形成速度增快，密度加大，出现不可逆的变形，微破裂的发展出现了质的变化，应力保持不变，破裂仍会不断地累积发展;⑤ 峰后阶段，应力继续增大，岩石承载力降低，表现出应变软化特征，此阶段内岩石的微裂隙逐渐贯通形成宏观破裂面。

图3 不同含水率试件的全过程应力-应变关系Fig.3 Stress-strain curves of samples with different water content

为了深入探讨不同含水状态下红砂岩的力学响应，本文通过确定各阶段特征应力来定量分析含水率与红砂岩力学参数的关系。选取其中一个干燥红砂岩试件峰值前的应力-应变曲线，详细说明各阶段特征应力值的确定方法(图4)。

图4 应力-应变曲线阶段的划分及各阶段应力阈值的确定[16]Fig.4 Stages of stress-strain curve and profile to determine each characteristic stress threshold[16]

在图4(a)中，σc为闭合应力，是岩石线弹性阶段的下限;σi为启裂应力，是岩石线弹性阶段的上限;σd为损伤应力，是裂纹稳定扩展与不稳定扩展的分界点，对应于体积应变曲线(σ1～εV)的拐点;σf为破坏应力，对应于轴向应变曲线(σ1～ε1)的极大值点。启裂应力的确定是一个关键，如果能先确定启裂应力，那么取σ1-ε1曲线直线段的下限点即为闭合应力。本文采用MOHSEN和MARTIN[15]提出的LSR法(Lateral Strain Response):首先，在体积应变曲线(σ1-εV)中确定损伤应力点σd，并沿该点做水平线与横向应变曲线(σ1-ε2)相交;其次，连接该交点与原点画一条参考线，将两条线对应的横坐标值相减，即为LSR差值;最后，作LSR差值与轴向应力关系曲线，如图4(b)所示，该曲线的最大值对应的应力即为启裂应力σi。

3.2 含水率与各阶段特征应力的关系

图5为红砂岩试件的各阶段特征应力随含水率的变化曲线(每一组含水状态，分别取3～5个样本)。从图5可以看出，各阶段特征应力均随着含水率增大而逐渐降低。比如，当含水率wt=3.45%时，红砂岩试件的平均闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力分别是干燥状态下的22.3%，22.4%，36.6%和50.2%，降幅分别是77.7%，77.6%，63.4%和49.8%。各特征应力与含水率的变化关系可以用负指数函数描述，如

σ(wt)=aexp(-bwt)+c

(2)

其中，wt为含水率;a，b，和c为常数。在干燥状态下，即w=0%时，方程退化成σ(ω0)=a+c。在饱和状态下，各特征应力σ(ωsat)=c;b为各特征应力随含水率增加而衰减的速率。各特征应力对应的a，b，c这3个参数的拟合结果如图5所示。从图5可以看出，破坏应力和闭合应力对应的b值分别是0.584和0.686大于损伤应力(b=0.391)和闭合启裂应力(b=0.345)。这说明，红砂岩的强度及在初始的闭合阶段对水更加敏感。

图5 各阶段特征应力与含水率的关系Fig.5 Relationship of characteristic stress to water content

正如图2所示，含水率的大小取决于浸水时间的长短。因此从某种程度上来说，红砂岩的力学性质与浸水时间存在一定的联系。值得注意的是，在短时间内，各特征应力的降幅十分显著。比如:与干燥试件相比，仅浸水1 h后试件的含水率wt=0.71%，闭合应力σc从31.3 MPa降到24 MPa，降幅为23.4%，占总降幅的30.1%;启裂应力σi从47.7 MPa降低到38.7 MPa，降幅为19%，占总降幅的24.5%;损伤应力σd从77.0 MPa降低到60.5 MPa，降幅为21.3%，占总降幅的33.6%;破坏应力σf从107.8 MPa降低到54.1 MPa，降幅为20.4%，占总降幅的41%。浸水4 h后，wt=1.26%，闭合应力σc降幅为52.3%，占总降幅的67.2%;启裂应力σi降幅为42.1%，占总降幅的54.2%;损伤应力σd降幅为36.3%，占总降幅的57.3%;破坏应力σf降幅为31.2%，占总降幅的62.6%。

在短时间内造成各特征应力急剧弱化的原因是因为本实验所用红砂岩的孔隙率较大，水分能够迅速从岩石表面迁移岩石内部，导致含水率在短时间内迅速增大。比如:浸水1 h的试件含水率wt=0.71%是饱和含水率的20.6%。目前的研究仅侧重含水率与岩石强度、弹性模量等力学参数的关系，但忽略了时间与岩石力学行为的联系。在实际岩体工程比如边坡降雨、水库蓄水等，高孔隙率岩石遇水的初始几个小时或者几天对其稳定性的影响是至关重要的。

图6为红砂岩的各特征应力与峰值应力的比值随含水率的变化曲线。从图6可以看出，各应力比随含水率的增大而逐渐减小。当试件的含水率wt从0%增加到2.08%，各应力比显著降低，比如:σc/σf从0.291降低到0.189，降幅为35.1%，占总降幅的63.1%;σi/σf从0.443降低到0.318，降幅为28.2%，占总降幅的51%;σd/σf从0.714降低到0.587，降幅为17.8%，占总降幅的65.4%。当含水率wt从3.34%增加到3.45%，各个应力比仅略有减小。比如，σc/σf从0.17降低到0.13、σi/σf从0.26降低到0.20，σc/σf几乎不变。

图6 应力比与含水率的关系Fig.6 Relationship of stress ratio to water content

图7给出了启裂应力σi与闭合应力σc之差与含水率的变化关系。从图7可以看出该应力差随含水率的增加而减小。应力差越小说明应力应变曲线上对应的直线段越短。这说明随着含水率的增加，红砂岩线性特征减弱，非线性特征增强。当含水率wt从0%增加到2.97%，应力差从16.4 MPa降低到7.1 MPa，降幅为56.6%;然而，当试件接近饱和状态时，其应力差仍然降低，但降低幅度减弱，比如，当wt从3.34%增加到3.45%，应力差从5.0 MPa降到3.7 MPa，降幅为25.6%。应力差的降低正是红砂岩在水的作用下发生的力学性质软化的重要特征。

图7 应力差σi-σc与含水率的关系Fig.7 Relationship of difference between crack initiation stress and crack closure stress to water content

3.3 含水率与强度和弹性模量的损失系数的关系

本文引入强度损失系数Rucs和弹性模量损失系数RE来量化含水率对红砂岩单轴抗压强度和弹性模量的弱化程度，方程如下:

Rucs=1-σf(wet)/σf(dry)

(3)

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

(4)

其中，σf(wet)和Ewet为不同含水状态下红砂岩试件的单轴抗压强度和弹性模量;E(dry)和σf(dry)为干燥试件的单轴抗压强度和弹性模量。

强度损失系数和弹性模量损失系数随含水率的变化关系如图8所示。从图8可以看出，随着含水率增加，强度和弹模损失系数逐渐增大至趋于稳定。比如，在浸水初期(0～20 h)，含水率wt从0%增加到2.08%，强度损失系数从0增加到0.38。但是，当浸水4～8 d后，含水率wt从3.34%增加到3.45%，强度损失系数仅仅从0.45增加到0.50。

图8给出了强度和弹模损失系数与含水率定量的指数方程。当红砂岩试件达到饱和状态时，强度和弹性模量总损失系数分别是0.484和0.334。

图8 损失系数与含水率的关系Fig.8 Relationship of loss coefficient to water content

4 蠕变试验结果及分析

在岩体工程中，岩石往往受到荷载与水环境的共同作用，影响岩体工程长期稳定性的不是瞬时力学性质而是长期力学性质。因此，本文分别对干燥、预先浸水2，4,6和8 d，相应的含水率为0%，2.97%，3.34%，3.37%，3.45%的红砂岩试件在水环境试验箱中进行恒定应力水平下的蠕变试验。

图9(a)是不同含水状态试件的蠕变曲线，图9(b)是图9(a)的局部放大图;图9(c)是对应的应变率曲线，图9(d)是图9(c)的局部放大图。

从图9可以看出:① 在85%饱和抗压强度的应力水平下，不同含水率的试件均出现失稳破坏，蠕变曲线具有完整的3阶段蠕变特征。除了wt=3.45%外，总应变随着含水率的增大而增大。应变率曲线呈左低右高的不对称“U”型;② 瞬时应变随含水率的增加而增大，当试件趋于饱和时，瞬时应变随含水率增加而变化幅度不大;③ 在初始蠕变阶段，尽管含水率不同，对应的应变率相差无几，这说明该阶段蠕变变形的增幅一致。在第2蠕变阶段应变率随含水率的增大而增加，这在蠕变曲线中显示为含水率越大曲线越陡;④ 随着吸水率的增大，第2稳定蠕变阶段持续时间越短，即在高含水率条件下，试件将很快进入到第3阶段发生破坏失稳;⑤ 含水率不同，试件失稳破坏的时间也不同，随着含水率增加，失稳破坏时间缩短。

为了深入探究在荷载和水共同作用下含水率对红砂岩蠕变力学特性的影响，本文分别分析了含水率与瞬时应变、蠕变应变、稳态应变率和破坏时间这4个蠕变特征参数的关系。

4.1 含水率与瞬时应变的关系

图10(a)为瞬时应变ε0与含水率的关系曲线。从图10(a)可以看出瞬时应变随含水率的增加而逐渐增大，比如，与干燥状态相比，当含水率wt增加到2.97%，瞬时应变从4.95×10-3增加到5.74×10-3，增幅为15.96%。但当试件趋于饱和时，比如含水率wt从3.34%增大到3.45%，瞬时应变从6.17×10-3增加到6.48×10-3，增幅仅为5%。这是因为瞬时应变与岩石的弹性模量相关。正如图8所示，弹性模量损失系数随含水率呈指数形式而增加，即弹性模量随含水率增加而呈负指数形式衰减。瞬时应变与含水率的关系同样可以用指数函数来描述，拟合曲线及定量关系表达式如图10(a)所示。

图9 不同含水率红砂岩试件的蠕变及应变率曲线Fig.9 Creep curves and creep strain rate curves of specimens with different water content

图10 蠕变特征参数与含水率的关系Fig.10 Relationship of creep characteristic parameters to water content

4.2 含水率与蠕变应变的关系

蠕变应变εt是指与时间相关的应变，是蠕变破坏前的总应变与瞬时应变的差值。从图10(b)可以看出，随着含水率的增大，蠕变应变减小。比如在干燥状态下，蠕变应变为3.14×10-3，含水率增大到2.97%时，该应变降低到2.84×10-3，降幅为9.55%。但是当试件趋于饱和时，尽管含水率增幅不大，蠕变应变仍有大幅度降低，比如含水率wt=3.34%和wt=3.45%时，蠕变应变分别降低了20.4%和44.9%。这是因为瞬时应变随含水率增大而减小最后趋于稳定，但同时蠕变的总应变随着含水率的增大而逐渐增大，如图10(a)所示。

4.3 含水率与稳态应变率的关系

4.4 含水率与破坏时间的关系

从图10(d)可以看出，含水率越大，试件的破坏时间Tf越短。在干燥状态下，试件的破坏时间是37.25 h，当含水率为2.97%和3.34%时，破坏时间分别降低到15.98 h和3.84 h，降幅分别为57.1%和89.7%，这说明非饱和试件的破坏时间受吸水时间的影响十分显著。当试件趋于饱水状态时，破坏时间仍显著降低，比如含水率从3.37%增大到3.45%，尽管含水率仅增加了0.08%，试件的破坏时间从1.08 h缩短到0.58 h，降低幅度为46.3%。破坏时间的长短取决于第2稳定蠕变阶段的持续时间，第2阶段越长，那么破坏时间越长，反之亦然，也即破坏时间与稳态应变率有关。图10(c)表明即便是饱和试件稳态应变率仍然显著增大，因此受荷载与水共同作用下红砂岩蠕变破坏时间显著缩短。

在实际工程中，岩石长期处在水环境中，受荷载与水的共同作用，然而，过去学者在进行含水率对岩石蠕变特性影响的试验时，通常对试件表面做密封处理使岩石保持恒定的含水率。由此可见，本文得到的浸水条件下红砂岩试件的蠕变试验结果更接近实际，对岩体工程的长期稳定性分析具有一定的参考价值。

5 结 论

(1)单轴压缩试验得到的各阶段特征应力(闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力)随含水率的增大而呈负指数形式降低。各特征应力与破坏应力之比以及启裂应力与闭合应力之差随含水率增大而减小。含水率增大导致红砂岩的非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势，并在饱和状态下趋于一个稳定值。

(2)在荷载与水共同作用下，即便是初始饱和岩样，其蠕变特性仍然有显著的变化。瞬时应变和稳态应变率随含水率的增加呈指数形式逐渐增大，而蠕变应变和破坏时间随含水率的增加而减小。

(3)岩石在水中的蠕变变形产生新的裂纹，有利于水进一步运移到新生裂缝尖端，加剧了水对裂纹尖端的物理力学作用，进而加速裂纹的扩展，这是在荷载与水共同作用下饱和岩样的蠕变力学特性依然显著变化的重要原因。

(4)岩土工程灾害往往与水的影响密不可分。受荷载与水共同作用下的蠕变试验更加符合工程岩体长期处在水环境中的真实情况，本文给出的不同含水率下红砂岩瞬时和蠕变试验结果将有助于评价岩体工程的长期稳定性。