水广泛存在于地壳岩体内部的细观缺陷（裂隙和孔洞等）中，水与岩体之间发生的力学和物理化学作用，会改变岩体的受力状态以及矿物组成和结构，劣化岩体力学性质，进而触发岩体工程地质灾害（仵彦卿等，1995；Baud et al.，2000；Grgic et al.，2009；Wong et al.，2016； Heap et al.，2019）。研究不同含水饱和度岩石强度及其力学性质，对于理解岩石在自然环境中的变形破坏过程和防治岩体滑坡、巷道底板突水等工程灾害至关重要（刘波等，2020；刘鼎等，2021），国内外学者对该问题进行了广泛研究。如：Lajtai et al.（1987）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；Verstrynge et al.（2014）采用多尺度试验研究方法，包括矿物成分分析、非破坏性测试（定量X射线衍射分析、CT扫描和声发射）和力学测试，从微观至宏观层面系统分析了湿度对含铁砂岩力学行为的影响；蒋景东等（2018）开展了泥岩烘干样、天然样和饱水样在不同围压条件下的三轴压缩试验，研究了不同含水状态下泥岩的力学性质和能量机制；周子龙等（2018）利用红外辐射同步监测不同含水率砂岩单轴压缩作用下的变形过程，结果表明砂岩从刚受力至达到峰值应力过程中升温幅度随着砂岩含水率的增加而增大，且加载过程中试样表面平均红外线辐射温度波动变小。

然而，在开展水对岩石力学性质影响的室内试验过程中，精确制备不同含水饱和度的岩石试样并使岩石试样饱和度在流变试验中保持恒定存在一定的难度。为了制备不同含水饱和度的岩石试样，学者们采用多种方法进行探索研究（周辉等，2013；赵红鹤等，2014；巢志明等，2018），通常的做法是：将烘干的试样浸水不同时间，使其吸水程度不同，然后用保鲜膜包裹试样或在试样表面涂抹隔水剂，防止试样内部水分蒸发，静置24 h后获得不同饱和度的试样。由于水是按水传导原理通过自发扩散进入岩石试样，使用这种方法制备的含水岩石试样，其内部水分分布不均匀，靠近试样表面区域含水较多，试样中心区域含水较少，这样会增加试样强度离散性，直接影响试验结果的准确性。同时，上述方法中浸泡时间与岩样的含水饱和度没有明确的对应关系，无法精确控制岩样的含水饱和度。此外，在流变试验过程中，保鲜膜或隔水剂不能完全阻止试样内部水分减少，无法保持试样中的含水饱和度长期恒定。因此，若需制备较高精确度的不同含水饱和度岩样进行流变试验，上述方法尚无法满足要求。

针对上述问题，本研究基于渗透技术和化学—热力学原理，设计了一种恒湿环境下不同饱和度岩石试样制备装置，并利用核磁共振成像试验对该装置的制备精度进行了验证。利用制备得到的含水分布均匀的岩样开展不同含水饱和度条件下砂岩常应变率压缩试验，分析不同含水饱和度砂岩的变形破裂特征。

当非饱和砂岩内部水分非均匀分布时，水分会在毛细吸力驱动下从高饱和度区域向低饱和度区域运移，砂岩内部水分分布逐渐均匀。然而，当砂岩内部水分分布不均匀时，可能会影响砂岩的强度、泊松比和蠕变变形等力学性质，导致不同饱和度砂岩力学试验结果误差增大（Tang，2018；Liang et al.，2023）。本文利用已建立的改进有效应力模型（Fu et al.，2021a）和砂岩水分运移模型（Fu et al.，2021b）进行离散元数值模拟研究，分析砂岩内部水分空间分布对其力学性质的影响。

改进有效应力模型（Fu et al.，2021a）主要用于研究不同含水饱和度对砂岩细观变形破裂性质的影响。在该模型中，砂岩试样数值模型为标准试样尺寸（直径×高度为50 mm×100 mm），由不同形状和大小的Voronoi多面体镶嵌而成，相邻多面体之间共用一个平面（界面）。多面体（采用线弹性本构）与多面体之间界面（采用库伦滑移模型）的力学行为共同决定砂岩试样的宏观力学行为。含水砂岩数值模型中的水分主要赋存于多面体之间的界面内，每个界面由若干个三角形子界面组成，每个子界面均包含一部分界面边界，每个子界面均由固—固接触区域和孔隙区域组成，孔隙区域被简化为孔径为常数的局部等效界面结构，如图1所示。水分存在于孔隙区域中，反映有效应力、饱和度和孔隙区域孔径之间的关系，表示砂岩试样内各局部非饱和水对砂岩强度的影响，可表示为

式中：σ′为有效应力；σ为总应力；b为孔隙孔径；ρ_w为水的密度；S_e为饱和度，表征砂岩试样中孔隙空间的含水程度；g为重力加速度；α和β为毛细力曲线相关的参数；b₀为孔隙饱和度对应的参考孔径值，由参数α和β确定；u_g为大气压力，取值为101.325 kPa。

砂岩水分运移模型（Fu et al.，2021b）主要针对毛细力驱动水分自发运移进入圆柱体砂岩试样的情况，模型中水分运移控制方程如式（2）。结合改进有效应力模型，能够模拟不同浸水条件下砂岩水分运移特性，分析砂岩内部水分空间分布对砂岩强度的影响。

式中：λ为玻尔兹曼变换，λ=x/t^-1/2，其中x为沿水分运移方向从砂岩试样表面到润湿峰的距离（mm），t为水自发运移时间（s）；θ为砂岩中水的体积与岩石总体积的比值，即体积含水率（cm³/cm³）；θ₀为试样饱水状态下的体积含水率；a、b、c为常量。

利用现有文献（Fu et al.，2021b）中的非饱和细观参数α和β值（分别为5和1.51）以及θ₀、a、b和c值（分别为0.127、0.19、3.02 m^-1·s^0.5和-4.40），开展浸水3 min的砂岩试样（其饱和度约为49.3 %）在静置2，4，8，12，16，20，24，28 min后内部体积含水率分布模拟，结果如图2所示。由图2可知：当试样浸泡3 min时，水从侧表面进入试样，在试样的外表面附近产生含水圆环；在试样静置期间，水分逐渐从试样的侧表面向试样中心轴运移，直至试样中心的体积含水率与侧表面的体积含水率相等。结果表明：尽管砂岩试样的饱和度相同，但随着静置时间的改变，试样内部水分的空间分布也发生变化，最终试样内部水分分布均匀。

对含水饱和度（49.3%）恒定、静置不同时间的含水砂岩试样进行单轴压缩数值模拟，结果如图3所示，其中通过计算试样顶部表面Z方向节点力的总和除以试样的横截面积确定监测的轴向应力（即采用与室内试验轴向应力测定相同的方法）。由图3可知：当水集中在试样的侧表面附近（即短暂的静置时间）时，试样的单轴抗压强度较大，随着水在试样中的分布越来越均匀（即试样静置时间越来越长），试样的单轴抗压强度呈线性下降趋势，如：随着静置时间从2 min增加至28 min，单轴抗压强度从42.1 MPa降低至41.0 MPa，降幅接近2.68%；试样的弹性模量也受水分空间分布的影响，随着静置时间从2 min增加至28 min（即水分分布逐渐均匀），试样的弹性模量从8.82 GPa增加至10.33 GPa。上述模拟结果表明：在含水饱和度恒定的砂岩试样中，水分的均匀分布导致砂岩的单轴抗压强度小幅降低而弹性模量小幅增加，砂岩试样的含水饱和度及其内部水分空间分布对砂岩的力学性质均有一定的影响。因此，在开展含水饱和度对岩石瞬时和蠕变力学特性影响的试验中，应重视不同含水饱和度岩石试样的制备方法，排除水分分布不均匀和饱和度精确度低等情况对试验结果的影响，从而缩小试验误差。

渗透技术是一种用于非饱和土试验中控制基质吸力的技术。在非饱和土试验中，试样与溶液由半透膜隔离开，以浓度差（化学位）为推动力，使小分子量的分子或离子通过半透膜，控制非饱和土试样内部吸力值大小。本研究将渗透技术扩展应用于岩石试样，如图4（a）所示。溶液选择分子量为20 000的有机溶液聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG）。聚乙二醇溶液由蒸馏水和分子量为20 000的聚乙二醇混合制备而成，不同浓度的聚乙二醇溶液对应不同饱和度环境，电磁激振器主要用于实时搅拌PEG溶液，保证溶液处于均质状态。生物半透膜是再生纤维素膜（RC膜），用于截留分子量大于7 000的溶剂分子。岩石试样与有机溶液由生物半透膜隔离开，生物半透膜对溶液中的水分子是可透的，而对溶液里的大分子溶质是不透的。当岩石试样中的基质吸力与溶液中吸力不一致时，在吸力差的作用下，水分子在生物半透膜的两侧移动，直至岩石试样与溶液中吸力达到平衡，此时岩石试样中水分子数量恒定，其含水饱和度恒定，试样内部水分分布也均匀。渗透技术适合用于制备含水饱和度高于40%的岩石试样，相应的试样内部产生的基质吸力小于10 MPa。需要说明的是，PEG溶液浓度越大，溶液的渗透压力越大，对应的基质吸力越大。当PEG 溶液的渗透压力超过一定阈值，半透膜可能发生化学损伤，失去拦截大分子溶质的性能。在该饱和度范围内（40%~100%）的任何饱和度岩石试样均能被制备。

同时，化学热力学原理表明水（包括液态水和水蒸气）不是静止不动的，总是从高化学势向低化学势转移（李大珍，1982；唐有祺，1984）。当岩石试样内部水化学势大于周围环境中水蒸气化学势时，试样内部水向周围环境中运移，试样的含水饱和度降低；当岩石试样内部水化学势小于周围环境中水蒸气化学势时，试样吸收周围环境中的水分子，试样的含水饱和度增大。

最终，岩石试样内部水化学势等于周围环境中水蒸气化学势，水不再发生转移和运动，岩石试样的含水饱和度保持恒定，此时试样内部不同区域水分均匀分布。本设计利用特定过饱和溶液在密闭容器内建立一个恒湿环境（即产生恒定水蒸气压），将岩石试样放置其中，使试样达到相对应的含水饱和度状态，如图4（b）所示。通常使用的饱和溶液包括NaCl、NaH₂PO₄、Mg₃（PO₄）₂和Mg（NO₃）₂，对应的湿度分别为75%、98%、52%和33%。利用该原理可以制备含水饱和度小于40%的岩石试样。

本文设计的恒湿环境下不同含水饱和度岩石试样制备装置包括密封缸、恒湿控制组件和岩石试验机（用于开展标准尺寸岩石试样力学试验）。当制备含水饱和度高于40%的岩石试样时，设计原理图如图5（a）所示，密封缸包括可拆卸连接的缸体和缸盖，缸体侧面凸设有悬臂式恒速电动搅拌机，搅拌机放置在岩石试验机框架上，搅拌机支架上的工作头驱动不锈钢搅拌桨转动；缸体底面设有下柱塞，用于可拆卸地连接岩石试验机下固定块和放置岩石试样；缸盖的中心部位有一个通孔，岩石试验机中的上固定块穿过该通孔，缸盖上的孔套有O型橡胶圈，上固定块与缸盖之间可以密封滑动。恒湿控制组件包括溶液、生物半透膜、约束环、湿度检测仪和温度检测仪。溶液为分子量为20 000的聚乙二醇溶液（PEG溶液），溶液放置在缸体内并浸没岩石试样，高于岩石试样上端面5 mm。生物半透膜的内径大小与岩石试样的外径大小以及上柱塞和下柱塞直径大小相适应，生物半透膜完全包裹岩石试样侧表面，生物半透膜包裹下柱塞的从上端面往下20 mm的侧表面部分，也包裹上柱塞的从下端面往上10 mm的侧表面部分。约束环使生物半透膜和缸体底部下柱塞紧密接触，防止液体自下柱塞与岩石试样之间的间隙流入，进而保证水从生物半透膜渗透至岩石试样。湿度测试仪和温度测试仪分别设于缸盖，并与缸体连通，分别用于检测密封缸内湿度和温度。岩石试验机包括压力伺服控制与应力位移记录系统，用于控制施加载荷和记录岩石试样轴向位移。试验操作流程包括：将缸体放置于岩石试验机的下固定块，缸体底面下柱塞与下固定块接触；将直径与下柱塞相同的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；将生物半透膜包裹在圆柱体岩石试样、上柱塞和下柱塞侧面，并利用约束环将生物半透膜与下柱塞接触的部位锁紧密封，防止溶液流入；在缸体内的空间注入聚乙二醇溶液，溶液液面高度高于圆柱体岩石试样上端面5 mm；利用搅拌机匀速搅拌缸体内的溶液，防止溶液发生沉淀；待圆柱体岩石试样内饱和度达到预定值后，通过岩石试验机的压头对上柱塞施加恒定压力，直至岩石试样破碎。

当制备含水饱和度低于40%的岩石试样时，恒湿控制组件包括溶液、湿度检测仪和温度检测仪。溶液放置在缸体内，溶液液面高度低于下柱塞的高度，该溶液为不同的过饱和溶液，如NaNO₂、（NH₄）₂SO₄和NaH₂PO₄。湿度测试仪和温度测试仪分别设于缸盖，并与缸体连通，分别用于检测密封缸内湿度和温度。试验操作流程包括：将缸体放置于岩石试验机的下固定块，缸体底面下柱塞与下固定块接触；将直径与下柱塞相同的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；在缸体内的空间注入过饱和溶液，溶液液面高度为45 mm；利用搅拌机匀速搅拌缸体内的溶液，防止溶液发生沉淀；等待圆柱体岩石试样内饱和度达到预定值后，通过岩石试验机的压头对上柱塞加恒定压力，直至岩石试样破碎。

根据试验机的压力试验结果，并结合岩石试样的应变变形数据，分析不同含水饱和度圆柱体岩石试样的压缩变形破裂特性，试验装置实物如图5（b）所示。

本研究采用的砂岩试样来自云南省昆明市，选取无明显裂纹和节理、均质性良好的砂岩石板，并沿同一个方向钻孔取芯，制备力学行为一致的试样，然后经过打磨、加工为两端端面不平整度小于0.05 mm、尺寸为50 mm×100 mm（直径×高度）的标准试样。砂岩试样的主要矿物成分为石英（占比60%）、长石（占比19%）、方解石（占比8%）和黏土矿物（占比13%），密度为2.119 kg/m³。部分砂岩试样的基本物理性质如表1所示，其质量与纵波波速接近，尽可能减少试样离散性对试验结果的影响。

利用设计的恒湿装置制备含水饱和度分别为13.1%、24.3%、45.2%和100.0%的砂岩试样，试样的含水饱和度恒定且内部水分分布均匀，利用核磁共振成像技术（周辉等，2013）可以验证这一点。例如：在核磁共振成像试验中，使用分子量为20 000的有机溶液聚乙二醇制备每升水含60 mL聚乙二醇的溶液。将圆柱体试样上下端表面涂一层憎水剂形成防水层，生物半透膜包裹试样侧表面。然后，加入该溶液中，半透膜两侧分别与溶液和试样侧表面接触，砂岩试样与溶液之间发生水分交换。试验不同时间（1 d、2 d和4 d）后，将试样取出并立即放入核磁共振成像系统中，可获得直接显示试样水分分布的核磁共振图像，如图6所示。由图6可以看出：水分子通过圆柱体试样侧表面进入试样并持续向试样中心轴运移，水分子很快到达中心轴，中心轴位置的水分子增多，不同试验时间的试样中水分分布近似于均匀，说明该装置可以制备水分均匀分布的砂岩试样。相对于试验前试样的质量，试验1 d、2 d和4 d后，试样的质量分别增加了7 g、9 g和14 g（在该浓度的PEG溶液下，试样中水的质量稳定在14 g）。

对不同含水饱和度砂岩试样开展单轴压缩试验，结果如图7（a）所示。这些曲线都是典型应力—应变曲线，能够反映砂岩试样单轴压缩应变特征的一般规律：在压密阶段，外力作用下试样内初始微裂纹闭合，试样发生非线性变形，对应的轴向应力—应变曲线上凹；在弹性阶段，试样发生弹性变形，生成少量的微裂纹，体积不断被压缩，对应的轴向应力—应变曲线呈直线，求得的弹性模量即为该直线的斜率；在屈服阶段，试样发生塑性变形，生成大量微裂纹，体积不断增大，最终试样达到峰值强度，对应的轴向应力—应变曲线呈现下凹；在峰后阶段，试样逐渐形成宏观裂隙带［图7（b）］，试样的承载能力逐渐降低，试样体积快速增大。由图7（a）可以看出，随着含水饱和度的增大，砂岩试样的压密阶段区间增长而弹性阶段区间更短，其单轴抗压强度（峰值应力）和弹性模量均减小。随着含水饱和度从13.1%增加至100%，单轴抗压强度从52.5 MPa降低至38.3 MPa，弹性模量从12 GPa降低至9.5 GPa。试件的含水饱和度与其单轴抗压强度和弹性模量之间的关系分别表示为

式中：σ为单轴抗压强度；E为弹性模量；S_e为含水饱和度。上述结果与以往学者开展的试验研究结果（Heap et al.，2019）相一致，含水饱和度的增加导致砂岩的单轴抗压强度和弹性模量降低。当含水饱和度从0增加至45%时，砂岩试样的单轴抗压强度显著降低，这与Shakoor et al.（2009）和Hawkins et al.（1992）的研究结果一致。黏土矿物的软化及其膨胀特性有可能是造成该种情况的原因，如：Hawkins et al.（1992）研究的Millstone Grit（Type A）砂岩、Millstone Grit（Type D）砂岩和文中砂岩的黏土矿物含量分别为13.9%、9.2%和13.0%，3种砂岩的干燥状态和饱和水状态下单轴压缩强度分别降低了33.2%、22.7%和32.0%。

对含水饱和度为13.1%的砂岩试样开展不同围压作用下的压缩试验（试验中试样被橡热缩管包裹，其含水饱和度处于恒定状态），围压分别设为0，5，10，20，30，40 MPa。轴向采用位移静态加载方式，加载速率为0.002 mm/s，侧向围压由电液伺服方式控制，加载速率为0.1 MPa/s，三轴压缩试验结果见表2。由于岩石试样固有的非均匀性以及加工精度误差影响，不同围压条件下3次试样的抗压强度值呈一定的离散性。基于试样强度的离散程度，选择编号依次为sz-08、sz-02、sz-05、sz-10、sz-14和sz-17试样的应力—应变曲线作为分析对象，其应力—应变曲线如图8所示。由图8可以看出：试样的峰值强度和变形均随围压的增大而显著增大，且试样的塑性变形也随围压的增大而增大，脆性变形逐步转变为延性。当围压从5 MPa增加至40 MPa时，砂岩试件的峰值强度从99.1 MPa增加至212 MPa，峰值应变从0.99%增加至1.81%。随着围压的增大，试样压密阶段减弱，砂岩试样应力—应变曲线的形态变化依次表现为：弹脆性—弹塑性—应变硬化。本试验结果与岩石力学理论及类似试验结论相一致（苏承东等，2014；杨永明等，2014）。

基于渗透技术和化学热力学原理，设计了一种恒湿环境下不同含水饱和度岩石试样制备装置，并利用该装置开展不同含水饱和度砂岩常应变率压缩试验，得出以下主要结论：

（1）随着含水饱和度恒定的砂岩试样的静置时间增加（即水分分布更均匀），试样的单轴抗压强度降低而弹性模量增大，说明砂岩试样内部水分空间分布对其力学性质具有一定的影响。

（2）该装置既能精确制备水分均匀分布且合格的不同含水饱和度岩石试样，也能为开展不同含水饱和度砂岩常应变率压缩试验提供岩石含水饱和度相对应的恒湿环境。

（3）试样的峰值强度和弹性模量均随含水饱和度的增大而减小，且峰值之后随着含水饱和度的增大，试样的峰后应力跌落速度变缓，试样脆性减小；含水饱和度恒定的试样的峰值强度和塑性变形随着围压的增大而增大，且脆性变形逐步转变为延性。

（4）该装置能精确制备不同含水饱和度的试样，但在常温常压下水分子运移速度慢，岩样达到稳定含水饱和度的时间长。因此，有必要进一步分析装置密闭环境的气压、温度和电磁激振器转速等因素对水分子运移速度的影响，从而优化装置结构，提高不同含水饱和度试样的制备效率。