1. 引言
含裂隙岩体的力学响应与破裂演化是岩土工程领域的研究热点，裂隙间岩桥结构的完整性及水理作用的耦合影响直接关系到工程稳定性。目前，国内外学者已围绕岩桥几何特征、水岩相互作用及声发射监测技术开展了大量研究。
在岩桥长度对裂隙岩体力学特性的影响方面，赵奎[1]等通过单轴压缩试验发现，含双裂隙岩石的单轴抗压强度随岩桥长度增大呈递增趋势，且长岩桥试样破裂以拉伸为主，短岩桥以剪切为主，揭示了岩桥尺寸对岩体承载能力及破裂模式的调控效应。朱振飞[2]等基于声发射多参量分析进一步指出，岩桥裂纹扩展过程存在明显的阶段性特征，振铃计数与能量释放的突变可作为岩桥失稳的前兆信号，为岩桥破坏机制的细观解释提供了技术支撑。
水岩相互作用对岩石力学特性的劣化效应已得到广泛证实。傅晏[3]等研究表明，水的侵入会显著弱化砂岩颗粒间的黏结强度，导致单轴抗压强度明显下降，且原生裂隙的存在会加速水的渗透与作用进程。邓华锋[4]等针对红层软岩的研究发现，饱水72 h后岩石强度趋于稳定，裂隙发育使水致劣化效应更显著，其微观机制与黏土矿物膨胀、胶结物溶蚀密切相关。
在含水状态对岩体损伤演化的影响方面，许江[5]等通过不同含水状态凝灰岩的试验研究发现，饱水试样的声发射活动强度显著低于干燥试样，能量释放更平缓，反映出水分对微裂纹萌生与扩展具有抑制作用。李娜[6]等针对锁固型岩体的研究也表明，饱水作用会延缓裂纹的失稳扩展，使岩体破坏过程更趋渐进。
声发射技术作为监测岩石内部损伤的有效手段，已被广泛应用于破裂类型的判识。文圣勇[7]等通过不同含水率红砂岩的声发射试验指出，RA值与AF值的耦合分析可精准区分拉伸与剪切裂纹，低RA值–高AF值信号对应拉伸裂纹，高RA值–低AF值信号关联剪切裂纹。
尽管现有研究已取得丰富成果，但针对红砂岩这一特定岩性，系统探究岩桥长度与干燥–饱水工况协同作用下力学特性及破裂模式的研究仍显不足，尤其是二者耦合效应对声发射特征参数的定量影响尚未形成明确结论。因此，开展本研究对完善含裂隙岩体水–力耦合理论及指导富水区域工程实践具有重要意义。
2. 试验方法
2.1. 试样制备
本研究以四川自贡红砂岩层为研究对象，并经钻芯、切割和打磨等工艺加工成直径为50 mm、高度为100 mm的标准圆柱体试件，并分别切割出50 mm、60 mm、70 mm长度的岩桥，要求试样端面的不平整度控制在0.05 mm以内。同一组对照试验的2块岩样均取自同一块比较完整的砂岩块，并分别记为G组和B组，每组各6块试样(图1)。其中，G组试件置于105℃的干燥箱内烘干24 h；B组试件采用自由浸水法进行饱水处理[8]。待处理工作全部完成后，再进行单轴压缩声发射试验。
Figure 1. Sample diagram (unit: mm)
图1. 试样示意图(单位：mm)
2.2. 试验设备与方法
1) 在单轴压缩试验中，采用TAW-2000微机伺服岩石试验机，加载速度为0.01 mm/min。
2) 声发射监测系统如图2(a)、图2(b)所示，采用PCI-2声发射监测设备记录加载试验过程中试样内部的声发射信号。为了实现既过滤外界信号的干扰，又能较好地记录砂岩试样破坏过程的声发射信号，在试验开始前调整系统的内置采集参数。本次试验中声发射门槛值设置为35 dB，前置放大器门槛值设置为40 dB，采样频率为1 MHz。
3) 为记录砂岩试样破坏过程裂纹的扩展情况，在砂岩试样的前方放置一台录像设备，如图2(f)所示。
3. 试验结果分析
3.1. 压密与线弹性变形阶段
在低应变区间，所有试样的应力–应变关系均呈现近似线性上升，表明岩石内部微裂隙逐渐压密，并以弹性变形为主导。此时，饱水试样曲线的初始斜率普遍略低于同尺寸干燥试样，反映出水分侵入已初步弱化岩石刚度，导致弹性模量轻微降低，如图3所示。
Figure 2. Schematic diagram of the test instruments
图2. 试验仪器示意图
Figure 3. Stress-strain diagram
图3. 应力–应变图
3.2. 塑性屈服与裂隙扩展阶段
随着应变继续增加，应力–应变关系呈现非线性特征，进入塑性屈服与裂隙稳定扩展阶段。该阶段中，岩桥结构效应显著：相同含水状态下，岩桥长度越大，其应力水平越高，结构承载能力越强。与此同时，所有饱水试样的应力值均系统性低于对应干燥试样，进一步印证水理作用对颗粒间胶结结构的软化效应。
3.3. 峰值强度与破坏贯通阶段
峰值强度作为岩样宏观破坏的临界点，受岩桥长度与含水状态共同影响。干燥条件下，G-70的峰值强度明显高于G-60与G-50，说明岩桥增长有助于提升岩样抗破坏能力。而在同一岩桥长度下，饱水试样的峰值应力均显著低于干燥试样，例如B-50远低于G-50，表明水的存在显著降低了岩样的极限承载能力。
3.4. 峰后应力跌落与破坏行为演化阶段
峰值后曲线形态揭示出不同的破坏机制。干燥试样，特别是岩桥较短的G-50，应力跌落陡峭，呈现典型脆性断裂特征；而饱水试样及岩桥较长的G-70、B-70等曲线下降更为平缓，显示出更高的延性和韧性，说明水分润滑与结构完整性增强均促使破坏模式由脆性向延性转化。
3.5. 残余强度阶段
在峰值应力后，各曲线逐渐降低至某一稳定应力值，即残余强度。干燥试样普遍维持较高残余强度，反映破裂面间仍存在较强摩擦作用；而饱水试样残余强度较低，推测是水分润滑作用削弱了破裂面摩擦阻力，导致其后期承载力进一步衰退。
4. 声发射特征分析
4.1. 计数与累计能量
通过试验手段，系统探究不同工况试件在受力过程中，轴向应力、声发射振铃计数、累计能量与加载时间之间的动态响应及关联规律，结果如图4所示。
(a) G-50 (b) B-50
(c) G-60 (d) B-60
(e) G-70 (f) B-70
Figure 4. Temporal relationships among stress, acoustic emission ringing count, and cumulative energy
图4. 应力、声发射振铃计数与累计能量的时间关系
4.1.1. 初始压密与微破裂萌生
此阶段各工况下轴向应力–时间关系近似线性增长，对应岩石原生裂隙压密闭合；振铃计数与累计能量处于低水平且增长缓慢，表明变形以弹性为主、微破裂活动微弱，岩桥长度与含水状态的影响尚未显现。
4.1.2. 弹性变形与稳定破裂扩展
荷载增大后，应力–时间曲线进入线性上升段。干燥试样声发射信号激活程度显著高于饱水试样，振铃计数与累计能量增长率更高；且岩桥长度较短试样的声发射活动启动更早、活跃度更强。这表明水分可抑制微破裂萌生，而岩桥尺寸减小引发的应力集中效应会促进损伤早期积累。
4.1.3. 裂隙非稳定扩展与能量加速累积
当应力达到峰值强度的70%~90%时，曲线呈非线性特征。干燥试样，尤其短岩桥工况的振铃计数与累计能量急剧上升，预示裂纹进入非稳定扩展阶段；而饱水试样声发射活动增幅显著趋缓，水分的物理化学软化作用延缓了裂纹失稳扩展与能量积累进程。
4.1.4. 峰值应力状态与宏观破裂贯通
应力达峰值后迅速跌落：G-50的振铃计数与累计能量曲线呈陡峭尖峰，反映突发性脆性断裂；B-70应力降缓和，声发射与能量释放峰宽缓且幅值低。这表明水分与大尺寸岩桥结构共同促使破坏模式由脆性向延性转化，主破裂过程更渐进。
4.1.5. 峰后软化与残余摩擦阶段
峰值后试样进入残余强度阶段：G-70累计能量维持较高水平，振铃计数持续出现，指示破裂面存在显著摩擦滑移；饱水试样各曲线迅速稳定，水分润滑降低了破裂面摩擦阻力，损伤演化基本终止。
4.2. 声发射RA-AF破坏类型分析
单轴压缩下，红砂岩试样的主导破裂模式为拉伸裂纹与剪切裂纹。加载全过程中，通过声发射技术可实时捕获岩石内部损伤演化特征，基于声发射信号RA值与AF值的耦合分析，能实现微观破裂类型的精准判识：低RA值–高AF值信号对应拉伸型裂纹，高RA值–低AF值信号关联剪切型裂纹，对角线附近RA值与AF值相近的信号则对应复合类型裂纹[9] (图5)。
(a) B-50 (b) G-50
(c) B-60 (d) G-60
(e) B-70 (f) G-70
Figure 5. Distribution of RA-AF values for red sandstone
图5. 红砂岩RA-AF值分布图
结合6组红砂岩试样的声发射RA-AF散点图特征，可系统揭示岩桥长度与干燥–饱水工况对其破裂模式的协同调控规律：在单轴压缩加载过程中，岩桥长度是影响破裂模式的关键结构参数，无论干燥或饱水工况，随着岩桥长度由50 mm增至70 mm，拉伸裂纹的占比均呈持续上升态势，其中干燥工况下该占比从85.14%提升至92.16%，饱水工况下从73.15%升高至80.17%；这一现象表明，长岩桥结构会强化试样内部的拉应力主导效应，进而促使拉伸型破裂成为主要细观损伤形式。水理工况则通过改变岩石的细观力学特性显著调整破裂模式的占比：在相同岩桥长度条件下，饱水试样的剪切裂纹占比始终高于干燥试样，以50 mm岩桥为例，饱水试样的剪切裂纹占比达26.85%，而干燥试样仅为14.86%；其本质原因在于，水的侵入会弱化岩石颗粒间的黏结强度，降低剪切滑移的阻力，从而使剪切型破裂的发育概率显著提升。
综上，岩桥长度与干燥–饱水工况对红砂岩破裂模式呈现协同作用：岩桥长度的增大可驱动拉伸破裂占比的提升，而饱水工况则会强化剪切破裂的发育程度，二者的耦合效应共同决定了单轴压缩条件下红砂岩细观破裂类型的分布特征。
5. 讨论
本研究通过单轴压缩试验与声发射监测，研究了岩桥长度与干燥–饱水工况对含预制双裂隙红砂岩力学特性及破裂模式的协同影响。与赵奎等[1]的研究一致，岩桥长度增大显著提升单轴抗压强度并促进拉伸破裂主导，但本研究进一步通过RA-AF参数定量表明，饱水工况通过弱化颗粒黏结显著增加剪切裂纹占比，尤其在短岩桥试样中更为突出。声发射特征显示，饱水试样能量释放更平缓、累计事件数减少，印证了许江等[5]关于水分抑制微裂纹扩展的观点，而岩桥增长延缓宏观损伤，与李娜等[6]的渐进破坏结论相符。从岩石物理与断裂力学机制看，水分弱化源于胶结物溶蚀和孔隙压力效应，降低岩石断裂韧性；岩桥长度则调控应力分布，长岩桥增强拉应力主导，如RA-AF散点图所示(图5)。然而，本研究存在参数范围有限、试验条件单一等局限性，未来需结合多应力路径与微观观测深化水–力耦合机制，为富水区岩体工程风险防控提供更全面的理论支撑。
6. 结论
采用单轴压缩试验与声发射监测相结合的方法，探究岩桥长度与干燥–饱水工况对含预制双裂隙红砂岩力学特性及破裂机制的影响，总结二者的耦合调控规律与声发射响应特征，得到以下结论。
1) 岩桥长度对含预制双裂隙红砂岩的力学特性具有显著调控作用。随着岩桥长度从50 mm增至70 mm，无论干燥或饱水工况，试样的单轴抗压强度均呈上升趋势，且第一应力降位置逐渐向峰值应力靠近，表明长岩桥结构能提升试样整体承载能力，延缓宏观损伤的发生进程。
2) 干燥–饱水工况通过改变岩石细观力学特性影响其力学响应与损伤演化。与干燥试样相比，饱水试样的单轴抗压强度明显降低，这是由于水的侵入弱化了岩石颗粒间的黏结强度，降低了其抵抗变形与储能的能力；同时饱水试样的声发射累积能量、定位事件数量少于干燥试样，反映出水对微裂纹萌生扩展过程中能量释放的抑制作用。
3) 岩桥长度与水理工况对红砂岩破裂模式呈现协同调控效应。岩桥长度增大时，拉伸裂纹占比显著提升，拉应力主导性增强；相同岩桥长度下，饱水试样的剪切裂纹占比始终高于干燥试样，水的软化作用促使剪切滑移类破裂更易发生，二者共同决定了细观破裂类型的分布特征。