《Applied Sciences》：Experimental and Numerical Study of Water Effects on Mechanical and Fracture Behavior of Sandstone: A Case Study
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水通过水含量和水分布显著改变岩石的力学性能和断裂特征。然而，在不同水条件下岩石力学性能的演化规律及潜在断裂机制仍未完全阐明。在本研究中，研究人员对不同水浸泡持续时间的砂岩样品进行了单轴压缩试验。实验观察表明，随着浸泡时间延长，砂岩的单轴抗压强度（UCS）和弹性
水通过水含量和水分布显著改变岩石的力学性能和断裂特征。然而，在不同水条件下岩石力学性能的演化规律及潜在断裂机制仍未完全阐明。在本研究中，研究人员对不同水浸泡持续时间的砂岩样品进行了单轴压缩试验。实验观察表明，随着浸泡时间延长，砂岩的单轴抗压强度（UCS）和弹性模量呈负指数衰减，最大降幅分别为50.1%和25.6%。在相同水含量下，外干内湿的样品比外湿内干的样品具有更低的强度。随后采用自开发的包含湿度扩散效应的数值代码解释水控制的砂岩断裂行为。数值输出验证了水诱导软化和非均匀水分布加剧了岩石材料异质性和内部应力非均匀性，沿干湿界面触发拉伸微裂纹。随着浸泡持续时间增加，岩石破坏模式从剪切主导的混合破坏转变为拉伸主导的破坏，最终恢复为剪切主导的混合破坏。宏观破裂主要由拉伸产生的微裂纹逐渐合并控制。本研究为加深对水触发的砂岩力学退化及断裂机制的理解提供了理论基础。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
水-岩相互作用是岩土工程中诱发地质灾害的关键因素，如水库边坡失稳、水影响隧道和巷道底鼓、遗产地风化等。这些灾害源于复杂的力学、物理和化学过程。尽管水-岩相互作用已成为重要研究方向，但其内在复杂性仍制约着对灾害机制的理解及有效控制策略的开发。目前，岩石在时空变化水条件下力学性能的演化，尤其是断裂演化过程，尚未完全阐明。现有实验研究多集中于完全干燥和完全饱和两种极端水状态，而实际工程中，岩石力学响应受水浸泡及水分布时空变化强烈影响，例如季节性水位变化导致的露天矿坑底积水，会引发边坡显著变形。此外，数值模拟虽已用于揭示水影响岩石的断裂机制，但多数模型依赖实验标定的细观参数描述宏观力学响应，很少考虑水诱导的弱化效应，且岩石异质性（尤其是水浸泡加剧的异质性）常被忽略，从而降低了预测可靠性。因此，亟需适用于模拟水浸泡与力学加载耦合条件下非均匀岩石断裂演化的数值方法，以揭示水诱发工程地质灾害的驱动机制。
**研究内容与结论**
本研究以四川某水电站边坡砂岩为对象，通过实验和数值模拟，系统研究了不同水条件（不同水含量和水分布）下砂岩的力学行为与断裂演化。实验结果表明：单轴抗压强度（UCS）和弹性模量随浸泡时间呈负指数衰减，最大降幅分别达50.1%和25.6%；在相同水含量下，外干内湿样品的强度低于外湿内干样品。数值模拟验证了水诱导软化和非均匀水分布加剧了岩石异质性和内部应力非均匀性，沿干湿界面触发拉伸微裂纹；随着浸泡时间增加，破坏模式从剪切主导混合破坏转变为拉伸主导破坏，再恢复为剪切主导混合破坏；宏观破裂主要由拉伸微裂纹逐渐合并控制。该研究为理解水触发的砂岩力学退化及断裂机制提供了理论基础。论文发表在《Applied Sciences》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：（1）单轴压缩实验，基于国际岩石力学学会（ISRM）标准制备试样，并使用伺服控制ROCK 600-50HT系统加载；（2）自开发数值代码，融合有限元分析与统计损伤理论，引入Fick扩散定律描述湿度在岩石中的时空演化，并用Weibull分布表征材料异质性；（3）声发射（AE）监测，用于模拟中表征裂纹扩展。（样本来源：四川某水电站边坡，现场取样后运回实验室制备。）
**研究结果**
**3.1 水浸泡对应力-应变曲线和破坏模式的影响**
实验表明，所有应力-应变曲线均呈现典型的四阶段变形破坏过程（压密、线弹性、塑性、峰后破坏）。干样品初始非线性变形阶段不明显，而湿样品在加载初期出现显著的非线性凹向上段，且随浸泡时间增加而增强，归因于水对微观结构的影响。峰后应力骤降表明砂岩脆性特征未因水改变。破坏模式方面：干样品呈剪切主导混合破坏；短时浸泡（0.67–4.00 h）样品表面出现多条轴向拉伸裂纹，破坏模式转为拉伸主导；接近饱和（10.00 h）时拉伸裂纹减少，破坏模式恢复剪切主导混合破坏。该现象归因于水扩散引起的非均匀软化和异质性，在干湿界面产生拉伸应力。
**3.2 水浸泡对力学性能的影响**
UCS随水含量增加呈指数下降，饱和时降至干值的49.93%。UCS与浸泡时间关系亦呈负指数衰减，初始0.67 h内降幅最大，随后减缓。弹性模量与水含量呈线性负相关，与浸泡时间呈指数衰减，饱和时降低25.62%。表明水浸泡早期是力学性能退化的关键阶段。
**3.3 不同水分布下砂岩力学响应对比**
通过将饱和样品自然风干制备外干内湿样品，并与外湿内干样品对比。结果表明，在相同水含量下，外干内湿样品的UCS和弹性模量均低于外湿内干样品。差异源于裂纹尖端水可用性不同：外干内湿样品裂纹尖端持续水化，促进应力腐蚀，导致强度更低。因此，仅分析水含量无法全面反映水对岩石的影响。
**5.1 应力-应变响应与声发射行为**
数值模拟的应力-应变曲线与实验一致，呈现非线性趋势和脆性峰后行为。累计声发射（AE）计数随湿度扩散时间增加而降低，表明水填充孔隙、降低强度，减少了AE事件。模拟的UCS和弹性模量与实验值吻合良好，最大相对误差3.19%，验证了数值方法的可靠性。
**5.2 湿度扩散下砂岩断裂过程与破坏模式**
模拟揭示了两种断裂类型：I型（均匀湿度分布，如干和饱和状态）——破坏从样品中部开始，沿对角线方向扩展，形成倾斜贯穿剪切面；II型（非均匀湿度分布，如非饱和状态）——破坏始于外部湿区，沿干湿界面形成轴向裂纹。随着湿度扩散时间增加，轴向裂纹数量增多，主裂纹长度增加。数值模拟与实验破坏模式高度一致，表明湿度分布对断裂过程起控制作用。
**讨论与结论**
**讨论**：水诱导强度降低机制包括物理润滑、化学溶解（尤其是粘土矿物膨润）和力学作用。水扩散通过改变单个代表体积单元（RVE）的力学参数和应力状态，以及通过空间非均匀湿度场增强异质性和应力非均匀性，共同影响断裂过程。拉伸裂纹在湿区集中，尤以干湿边界为甚。研究局限性包括仅考虑简单浸泡条件、仅针对单一岩性、仅进行单轴压缩试验、数值模拟为二维实验室尺度。未来方向包括复现原位复杂水力边界条件、开展多岩性对比研究、结合实验与数值模拟推进工程应用。
**结论**：（1）水浸泡对砂岩力学性能具有显著劣化效应，UCS和弹性模量随浸泡时间呈负指数衰减，为水敏感砂岩边坡和地下开挖的稳定性评价提供定量依据。（2）水分布而非总水含量主导砂岩力学性能，相同水含量下外干内湿样品强度更低，表明仅基于水含量评价可能产生偏差。（3）声发射空间分布和裂纹扩展揭示两种断裂模式：I型（均匀水分布）——中部起始，斜向扩展形成贯穿剪切面；II型（非均匀水分布）——外部湿区起始，沿干湿界面形成断裂。（4）砂岩断裂过程的变化源于水软化和水分布的联合作用，增强岩石异质性和应力非均匀性，促进干湿界面拉伸裂纹萌生，宏观破裂通过拉伸微裂纹逐渐合并实现。
