水对岩石力学性质有着显著的影响，其不仅能够降低岩石的强度和刚度，而且会增强岩石的变形能力[1]，从而引发山体滑坡[2]、溶岩塌陷[3]和矿柱失效[4]等工程地质灾害。在岩石静态强度研究方面，Price[5]研究了水对煤系砂岩的影响，发现自然风干试样强度约为烘干试样的51%~80%，而水饱和试样的强度仅为烘干试样的45%；Bell[6]发现饱水岩石强度下降程度与岩石孔隙率成正比；陈钢林等[7]对不同饱水度的4种岩石进行了压缩试验，结果表明岩石强度和弹模随着饱水度的增加而降低，但砂岩和花岗闪长岩的饱水度达到某一阈值后，强度和弹模基本稳定；Erguler等[8]研究了由水引起的3种黏土质岩石力学性质的变化，发现富含黏土矿物的岩石水饱和后，其强度和弹模下降超过80%。
在岩石动态力学性质研究方面，楼沩涛[13]利用SHPB设备对干燥花岗岩和水饱和花岗岩进行了应变率范围为1.9×10-8~100 s-1的层裂试验，发现相同应变率下干燥花岗岩的弹模略小于水饱和试样，花岗岩的层裂拉伸强度与含水率和应变率有关；Ogata等[14]研究了水对3种不同岩石动态拉伸强度的影响，发现孔隙率较高的岩石水饱和后试样的强度会下降，孔隙率低的岩石水饱和后的强度与饱和前没有明显变化；Huang等[15]通过对干燥龙游砂岩和饱和龙游砂岩进行了不同加载率的测试，引入干燥岩石强度与饱和岩石强度的比值来描述不同加载率下水对岩石拉伸强度的影响，发现水软化因子随着加载速率的增加而不断减小；王斌等[16]研究了不同应变率下干燥砂岩和水饱和砂岩压缩强度的变化，发现当应变率达到56 s-1时，水饱和砂岩的动态压缩强度可能会高于干燥砂岩，而干燥砂岩的动态强度与静态强度无明显差别。袁璞等[17]发现砂岩动态单轴抗压强度随含水率的增加而增加。以上研究表明，干燥岩石和水饱和岩石强度随应变率的增加而增加，且水饱和岩石有着更高的率相关性。
上述动态力学性质的研究仅考虑了干燥和饱水2种状态，并没有考虑中间含水状态的岩石动态力学响应，实际上，岩石的拉伸强度远低于其压缩强度。在动态条件下，岩石多以拉伸形式破坏，研究不同含水率岩石动态力学性质的变化规律，对实际工程具有较强的指导意义。选择云南红砂岩作为研究对象，利用霍普金森压杆（SHPB）装置对不同含水率砂岩试样进行了动态巴西劈裂试验，得到不同含水率砂岩在不同加载率条件下的动态拉伸强度的变化规律。
1 试验过程
1.1 试样制备
本文采用的试样材料为云南红砂岩。为降低试验结果的离散性，所有试样均取自同一块几何完整、质地均匀的砂岩板。所有试样均依照国际岩石力学协会（ISRM）要求的标准[18]进行加工，即试样制作成规格为Φ50 mm×25 mm的圆盘，试样表面平整度在0.02 mm以内，两端不平行度小于0.05 mm。待加工完成后，将所有试样静置于干燥通风处使其自然风干，每小时测量一次质量，直到试样质量不再发生变化，此时则认为岩石处于“完全”干燥状态。
待试样风干之后，采用自然吸水法对试样进行浸水处理。为确定不同含水率试样的浸泡时间，需要确定试样浸泡过程中含水率与时间之间的关系。将干燥岩石试样放入充满纯净水的水箱中浸泡，每隔一小时取出，拭去表面水分进行称重，之后再将岩样放入水箱，重复此步骤直到岩石质量不再改变，此时认为该试样达到了完全饱和状态。在此过程中，通过试样质量变化来确定不同浸泡时间的岩石试样的含水率变化（图1）。
图1
图1
砂岩试样含水率随时间的变化曲线
Fig.1
Curve of water content of sandstone samples with time
式中：
1.2 试验设备
本研究采用的动态试验设备是中南大学Li等[19]改进的异形冲头SHPB试验系统（图2），可以很好地解决岩石材料动态测试中的波形震荡问题，实现恒应变率加载。如图2所示，异性冲头SHPB测试装置主要由气炮、异形冲头、入射杆、透射杆和吸收杆组成。其中入射杆、透射杆和吸收杆直径均为50 mm，长度分别为2.0，1.5，0.5 m。采用高强度40Cr合金钢材料制成，密度为7 697 kg/m3，弹模为250 GPa，波速为5 410 m/s，屈服强度为800 MPa。在试验过程中，试样被夹在入射杆与透射杆之间，释放发射腔内的高压氮气驱动异性冲头高速撞击入射杆的一端，撞击瞬间产生一个半正弦波（入射波）并通过入射杆传播至试样，一旦应力波到达杆与试件的接触面，一部分应力波会发生反射，同时另一部分会穿过试样传播至透射杆，最终被吸收杆完全吸收。通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片采集到的入射波
图2
式中：
式中：
另外，在动态试验之前，先利用Instron万能材料试验机测定不同含水率试样的静态拉伸强度，用于与动态强度进行对比。
1.3 数据处理
图3
图3
动态试验中动态应力平衡（a）及试样加载率（b）曲线
Fig.3
Curves of dynamic stress balance（a）and loading rate（b）in dynamic tests
2 试验结果与讨论
图4
图4
砂岩拉伸强度随加载率的变化规律
Fig.4
Variation laws of sandstone tensile strength with loading rate
表1 不同含水率动态拉伸强度率相关性拟合参数
Table 1
| 含水率/% | a | b | R2 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0.387 | 0.357 | 0.883 |
| 1.0 | 0.277 | 0.413 | 0.956 |
| 2.0 | 0.159 | 0.466 | 0.955 |
| 3.5 | 0.022 | 0.758 | 0.893 |
为定量分析不同含水率岩石动态拉伸强度的率相关性，引入强度增长因子（DIF）来进一步描述加载率对不同含水率砂岩强度的影响，DIF可表示为[25]
式中：
首先根据式（5）和表1求取加载率为400~ 1 200 GPa/s时不同含水率砂岩的动态拉伸强度（取点间隔为100 GPa/s），再以加载率10-4 GPa/s时的静态强度作为归一化标准，计算出不同加载率下不同含水率砂岩试样的动态强度因子，如图5所示。由图5可见，饱和试样的强度对加载率的变化更加敏感，相同加载率下饱和试样的DIF明显大于其他试样，且其与其他含水率试样的DIF的差值也随加载率的增加而增加。含水率为1.0%和2.0%的试样，其DIF变化趋势基本一致，而干燥试样的DIF对加载率的变化最不敏感。说明在动态加载条件下，水对岩石的强度有一定的积极影响，这与前人的研究结论[13,14,15,16,17]相一致。当加载率很高时，岩石裂纹在垂直方向以某一速度快速裂开，水会对裂纹施加一个反向拉伸力来阻碍其背向运动，这就是Stefan效应[15,16,27,28]。由Stefan效应产生的抗力与加载率成正比，当加载率很低时，Stefan效应可以忽略不计。对于饱和岩石，其加载率越高，则由Stefan效应引起的抗力越大。这在一定程度上可以解释为何高加载率下饱和岩石的率相关性最高。
图5
当加载率分别为10-4，500，1 000 GPa/s时，砂岩拉伸强度随含水率的变化曲线如图6所示。从图6中可以看出，在静态加载条件（10-4 GPa/s）下，岩石的拉伸强度随着含水率的增加而降低；当岩石含水率达到3.5%时，静态拉伸强度降至1.15 MPa，约为干燥试样的66.5%。另外，当岩石含水率小于1.0%时，岩石的拉伸强度几乎不发生改变。这是由于此时水仅仅吸附在岩石表层，还未到达试样的内核。根据巴西劈裂试验原理[29,30]，拉伸裂纹首先出现于试样的正中心，所以当试样中心内部含水情况未发生改变时，试样的拉伸强度不会改变。而随着浸水时间的推移，水逐渐扩散至岩石内部，对岩石造成一系列物理化学劣化作用，又由于静态试验中加载率很低，Stefan效应可以忽略不计，这些原因共同导致岩石强度的降低。当加载率为500 GPa/s时，岩石强度相对于干燥岩石有明显的提高，含水率为1.0%的试样强度为3.61 MPa，略高于干燥试样（3.56 MPa）。虽然此时岩石未达到饱和，Stefan效应的作用很小，但由于岩石吸水质量增加，惯性增大，使得含水率为1.0%的岩石的动态强度增加幅度高于干燥岩石。当加载率上升至1 000 GPa/s时，出现了饱和试样强度大于含水率为2.0%的试样强度，这是由于加载率的升高，增强了饱和岩石中的Stefan作用，逐渐抵消了水对岩石的劣化作用，表现出增强效应。根据前人获得的大量静态试验结果，岩石的拉伸强度随着含水率的增加而逐渐降低。但是由于动态试验中，裂纹扩展速度很快，水的黏性（Stefan效应）会阻止裂纹的扩展，进而增加了饱水岩石的强度。由于岩石含水率为2%时，岩石孔隙未被水充满，此时Stefan效应的作用较饱和试样小，所以当加载率很高时，饱和试样强度大于含水率为2.0%的试样强度。
图6
图6
砂岩拉伸强度随含水率的变化规律
Fig.6
Variation laws of sandstone tensile strength with moisture content
3 结论
水对岩石的影响是各向同性的，岩石在饱水状态下其力学性质较干燥状态有着不同程度的变化。在静态加载条件下，水对岩石强度的影响是负面的，岩石强度随着含水率的增加而降低。在动态加载条件下，岩石的动态拉伸强度随着加载率的增加而增加，其率相关性与含水率有关。饱和试样的率相关性最强，而干燥岩石的动态强度对加载率的变化最不敏感。
岩石的拉伸强度不仅与含水率有关，而且与其内部水的分布状态有关，本文选择云南红砂岩作为研究对象，当试样含水率低于1.0%时，由于岩石内部干燥，其拉伸强度未发生变化。在高加载率条件下，由于水的Stefan效应的作用，水对岩石裂纹产生抗力，阻碍其扩展，导致岩石强度增加。当加载率足够高时，饱和试样的动态拉伸强度出现高于非饱和试样强度的现象。今后可进一步开展不同含水率对花岗岩、大理岩和煤岩等其他岩石动态拉伸强度的影响研究，观察不同含水率、不同种类岩石在不同加载率条件下的动态力学性质的变化规律，并与砂岩动态拉伸强度的变化规律进行对比。
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