煤矿开采扰动会导致覆岩结构及完整性遭到破坏和水资源运移[1]，此过程将发生水-岩相互作用。水岩作用过程改变了煤岩体的微观结构、矿物组分及煤岩体裂隙发育形态，弱化了煤岩体的物理力学性能，容易引起工程岩体的变形失稳[2-6]。
20世纪50年代以来，水-岩作用得到越来越多国内外学者的关注，从解决不同问题的角度开展了岩石单轴及三轴压缩、剪切等试验研究。LASHKARIPOUR等[7-8]通过单轴压缩试验，研究了含水率影响下泥岩和页岩强度损伤弱化规律，并通过试验数据拟合得到了泥岩和页岩的单轴抗压强度随含水率的增加呈负指数减小的规律。LI等[9]基于分形理论，研究了高压水射流作用下煤块破碎粒径分布规律，得到了煤粒大小和入口水压的关系，为零排放发电水煤浆的制备提供了理论基础。PANG等[10]考虑了围压对岩石渗透性的影响，分别采用物理实验、理论分析和数值模拟等方法，研究了三轴应力下岩石渗透率的变化及裂隙扩展的规律，对煤层底板的突水机理进行了分析，并提出了判断底板突水的依据。邓华锋等[11-12]基于连续损伤力学和统计理论，并通过干湿循环试验，对水-岩作用中反复浸水的工程实例进行了研究，较好地解释了边坡岩体在降雨或因水库水位升降而引起的变形破坏状况。顾大钊等[13]通过物理模拟和数值模拟方法，对地下水库坝体的地震破坏形态进行了研究，并将研究结果与地面水库进行对比，发现由于顶底板的约束，地下水库坝体比地面水库坝体进入塑性更慢，验证了地下水库抗震安全性，提出了地下水库坝体安全系数的概念。刘业科[14]采用理论分析、室内试验和数值计算等方法，研究了水-岩作用下深部岩体的损伤演化规律和流变特性。姚强岭等[2,15-17]针对西部生态脆弱矿区煤炭开采水资源保护与利用，开展了水作用下煤系沉积岩力学试验，揭示了不同含水率、反复浸水条件下煤系沉积岩宏细观变形破坏机理，系统研究了采空区储水结构坝体在含水率和浸水次数影响下的变形破坏特征。
剪切破坏是工程岩体最常见的破坏形式之一，剪应力作用会使得岩体不同介质界面发生破断，促使裂隙扩展，增大岩体的渗透性。岩体剪切破坏失稳发生时间较短，破坏形式一般分为剪切破坏、拉剪复合破坏和剪切滑移3种[18]。WONG等[19]对预制裂隙岩石及石膏相似试件进行了直剪试验，发现裂隙贯通形式对岩样的抗剪强度有影响，拉伸贯通裂隙岩样抗剪强度比拉剪复合贯通裂隙低。徐松林和吴文[20]通过直剪试验研究了大理岩韧性剪切带局部化变形的产生、发展和破坏机理，发现大理岩在剪切荷载作用下，其韧性变形和脆性变形共同存在和发展，引起岩石破坏的直接原因是韧性剪切带局部化变形强烈的亚剪切带。芮勇勤和唐春安[21]通过RFPA数值计算软件对非均匀弹-脆性岩石进行了模拟研究，得到了岩石从变形到产生剪切滑移的全过程，岩石剪切滑移面均由其一端形成，延伸至另一端直至试样贯通破坏，并发现岩石剪切破裂面的分形维数与岩石剪切滑移面的粗糙程度和力学行为有关。李克钢和侯克鹏[22]采用自主研制的压剪设备对饱和岩体试样进行了直剪试验，得到了饱和试样的剪应力-应变曲线、抗剪强度、黏聚力和内摩擦角，发现与自然含水状态相比，饱和试样抗剪性能参数均下降超过10%。
工程岩体普遍处于直剪受力状态，剪切破坏是煤矿开采中岩石破坏的主要形式之一。水对岩体的弱化作用，对巷道围岩、顶底板和水库坝体等工程岩体稳定性产生不可忽视的影响。然而，大多数学者仅研究饱和岩石与干燥或自然含水状态岩石抗剪性能的差异，关于不同含水率对岩石直剪特性和裂隙发育规律影响的研究较少。地表降雨-蒸发，水库水位升降，地下水渗流等过程都会导致工程岩体含水率处于动态变化过程，因此有必要开展含水率对岩石直剪特性影响的研究。鉴于此，基于自主研制的直剪试验设备进行了不同含水率岩石的直剪试验，同时进行了声发射监测，系统研究了含水率影响下岩石的直剪特性和声发射特征，研究成果为解决水-岩作用产生的工程问题提供有益参考。
1 试样制备
试验所用岩样为神东矿区乌兰木伦煤矿3-1煤层4盘区回风巷顶板砂质泥岩，侏罗系中下统延安组，干燥状态下的平均弹性模量为7.27 GPa，平均泊松比为0.20[23]。将岩石试样取出后，用保鲜膜包裹密封，防止试样风化。
根据《岩石物理力学性质试验规程》(DZ/T0276.18—2015)，将岩石加工成尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的立方体试块，相邻面之间相互垂直，最大偏差不大于0.25°，相对面之间不平行度小于0.1 mm。共加工立方体试块60块，其中3块用于测试岩样浸水规律，36块用于直剪试验，余下21块备用。直剪试验划分4种含水率和3种法向应力，每种含水率和法向应力为一组，共进行12组试验，每组3块岩石试块。若同组试验结果离散性较大或试验失败，则用备用试块进行补充试验。
采用德国Zeiss Imager型偏光显微系统对砂质泥岩进行薄片显微鉴定试验，以获取砂质泥岩岩性、矿物组分及显微特征。Imager型偏光显微系统如图1所示，包括Imager型偏光显微镜和数据处理系统，将Imager型偏光显微镜获取的试样岩性、矿物组分和显微特征数据传输至数据处理系统进行处理。得到的砂质泥岩岩性及矿物组分见表1,表1中标本特征为新鲜面灰色，泥质结构，黏土矿物为主，具有滑感，粉砂质碎屑质量分数为40%，泥质质量分数约60%，自然断面上可见植物化石，具有水平层理构造。由于岩石矿物纹理丰富，在单偏光下颗粒边缘模糊难以辨别[24]，因此采用正交偏光获取砂质泥岩的显微特征，如图2所示。
图1 偏光显微镜
Fig.1 Polarization microscope
表1 砂质泥岩岩性鉴定
Table 1 Identification of sandy mudstone
岩石成分碎屑成分质量分数/%成分特征石英10单晶石英,I灰白干涉色黏土75高岭石或伊蒙混层类黏土矿物,细小,干涉色为I灰黄碎屑(100%)白云母3片状,一组极完全解理,彩色干涉色炭屑10黑色,形态不规则或长条状重矿物<2少量锆石
由表1可知,黏土矿物含量占整体矿物成分的75%，成分主要为高岭石和伊蒙混层，其中高岭石吸水性强，遇水后具有可塑性;伊蒙混层遇水后会使岩石体积膨胀[25]。
图2(a)为偏光显微镜在低倍镜下的观测结果(比例尺1 000 μm)，发现砂质泥岩具有水平层理构造，可见白色、灰黄色和黑色矿物，结合表1可知，矿物分别为石英、黏土和炭屑。将偏光显微镜放大10倍(比例尺100 μm)，分别观测砂质泥岩的砂质部分和泥质部分(图2(b),(c))，可以发现砂质部分的矿物主要为石英、炭屑和黏土，其中石英含量最多;泥质部分的矿物主要为石英、炭屑、黏土和白云母，其中炭屑和黏土含量最多。
图2 砂质泥岩显微特征
Fig.2 Microscopic characteristics of sandy mudston
为了研究不同含水率岩石的抗剪性能，需要制备含水岩样。常规的浸水方法是将试样放入盛满水的容器中浸泡，这种方法容易导致试样崩解破坏[2,15,26-29]。笔者采用自主研制的无损浸水试验装置对岩样浸水。无损浸水装置的原理是将试样放入密封箱中，加湿器与密封箱通过塑料导管连接，加湿器产生的水雾经过塑料导管进入密封箱，密封箱处于高湿度环境，进而使得岩样在浸水过程中能够保持完好[2,15]。无损浸水试验装置如图3所示。
图3 无损浸水试验装置[2,15,27-29]
Fig.3 Nondestructive immersion test equipment[2,15,27-29]
首先将岩样放入恒温干燥箱中进行烘干(烘干温度设置为105 ℃，时间为24 h)，之后采用无损浸水装置对干燥岩样浸水，直至岩样完全饱和。在浸水的过程中，每隔一段时间将岩样取出，进行称重，得到的砂质泥岩含水率随浸水时间的变化关系如图4所示。
图4 砂质泥岩含水率随浸水时间变化规律
Fig.4 Relation of the moisture content of sandy mudstone with water intrusion time
岩样含水率的计算公式为
ωa=(ma-md)/md×100%
(1)
式中，ωa为岩样的含水率，%;ma为浸水岩样质量，g;md为干燥岩样质量，g。
如图4所示，岩样含水率随浸水时间呈现规律性变化关系。通过拟合曲线发现，含水率随浸水时间呈负指数增长。随着浸水时间增加，岩样含水率增长速率逐渐减小。根据浸水曲线和拟合曲线的变化规律，发现当浸水时间小于18 h时，岩样含水率随浸水时间几乎呈线性增加;浸水18 h后岩样浸水曲线和拟合曲线的斜率开始逐渐减小，也即岩样含水率的增长速率开始逐渐降低;42 h后岩样浸水曲线和拟合曲线与时间轴近似平行，岩样含水率几乎不再增长。由此，含水率随浸水时间的变化趋势可分为3个阶段:① 含水率快速增长阶段(Ⅰ，0～18 h)，岩样含水率在0～4.75%快速增长，平均增长速率0.264%/h;② 含水率缓慢增长阶段(Ⅱ，18～42 h)，岩样含水率在4.75%～5.63%增长减缓，速率为0.037%/h;③ 含水率稳定阶段(Ⅲ，42 h～)，由于连续96 h(42～138 h)岩样含水率几乎不变(5.66%)，认为此时岩样已经达到饱和状态。
为研究不同含水率砂质泥岩直剪特性和声发射特征，需要选取具有代表性的岩样含水率，取点方式参照文献[27]。根据含水率随浸水时间的变化规律，0～18 h(含水率快速增长阶段)，岩样含水率增长较快，取点应密集一些;18 h之后岩样含水率增长缓慢，取点应稀疏一些，再考虑干燥和饱和的极限情况，确定砂质泥岩直剪试验所需含水率分别为0(干燥)，2.00%，4.00%，5.66%(饱和)。
2 试验装置及试验方案
试验系统主要包括:切向力加载系统、法向力加载系统和声发射监测系统，如图5所示。切向力加载系统为新三思CMT5305型微机控制电子万能试验机。法向力加载系统采用自行研制的液压机械装置(直剪试验设备)，由伸缩式液压油缸、自动控制电动液压泵、机械反力架等组成。伸缩式液压油缸最大行程120 mm，自动控制电动液压泵额定功率1.5 kW，上面装有高精度液压表和调压阀，其中调压阀用于调节法向力大小。声发射监测系统是美国物理声学公司Physical Acoustic Corporation生产的PCI-2型声发射系统。
图5 直剪试验系统
Fig.5 Direct shear test system
试验前首先将岩样放好，开启直剪试验设备，将液压油缸缓慢伸长，使得滚轴滑块压头与岩样一侧表面接触，为岩样提供法向应力;调节调压阀将法向力提高至预定值(3种法向应力大小分别为3，4和5 MPa)，并保持法向力恒定。之后，启动电子万能试验机，采用位移控制方式对岩样施加切向应力，加载速率为0.3 mm/min。为确保试验过程中岩样受切向应力及声发射的同步采集，CMT5305微机控制电子万能试验机及声发射监测系统的采样间隔均设定为1 μs。声发射探头数量为2个(由于本文不进行声发射定位研究，2个探头获取的声发射信号能够满足试验需要，测得的声发射信号是可靠的，文献[28-29]均选择2个探头进行声发射监测)，测点分布在岩样两侧，具体布置位置如图6所示。试验时声发射探头耦合在岩样表面，为达到较好的耦合效果，在探头与岩样接触面上涂上黄油，再用塑料热熔枪把探头固定住。本次试验设定声发射系统主放40 dB，检测门槛值40 dB，探头谐振频率20～400 kHz。
图6 声发射测定布置
Fig.6 Layout of acoustic emission measuring points
3 含水率对砂质泥岩直剪力学特性的影响
3.1 不同含水率岩样剪应力-剪应变曲线
不同含水率、不同法向应力下砂质泥岩岩样的剪应力-剪应变曲线如图7所示。
由图7可知，不同含水率、不同法向应力下砂质泥岩剪应力-应变曲线具有相似规律:加载初期，砂质泥岩剪应力-应变曲线均呈“上凹”状，曲线斜率不断升高，表明岩样剪切模量不断增加;随着剪应力逐渐增大，曲线趋于直线，此时剪切模量为常量;之后，曲线呈非线性增长，斜率逐渐减小，待岩样破坏后曲线近乎垂直下降，说明岩样发生脆性破坏。随着含水率增加，砂质泥岩峰值(剪)应变逐渐减小。由干燥到饱和，3 MPa法向应力条件下岩样峰值(剪)应变由0.029 4减小至0.009 6，减小幅度为67.3%。同理，4 MPa法向应力条件下对应的数据分别为0.030 8，0.013 7，55.5%;5 MPa法向应力条件下对应的数据分别为0.021 9，0.010 4，52.5%。
图7 不同含水率砂质泥岩剪应力-应变曲线
Fig.7 Shear stress-strain curves of sandy mudstones with different moisture contents
3.2 不同含水率岩样抗剪强度
砂质泥岩岩样的抗剪强度与含水率之间关系如图8所示。
由图8可知，岩样抗剪强度与含水率呈负相关，与法向应力呈正相关。随着含水率增加，岩样抗剪强度呈指数减小。
图8 砂质泥岩抗剪强度与含水率关系
Fig.8 Relationship between shear strength and moisture content of sandy mudstone
由干燥到饱和，3 MPa法向应力条件下岩样抗剪强度从5.47 MPa降低至2.65 MPa，降低幅度为51.5%。同理，4 MPa法向应力条件下对应的数据分别为6.20 MPa，3.46 MPa，44.2%;5 MPa法向应力条件下对应的数据分别为7.31 MPa，4.05 MPa，44.6%。这说明水作用对砂质泥岩内部造成较为严重的损伤，严重影响岩样的抗剪强度，且含水率越高，损伤越严重，岩样抗剪强度越低。
3.3 不同含水率岩样黏聚力和内摩擦角
Mohr-Coulomb准则在岩石力学相关工程中应用广泛，该准则认为岩石破坏主要是剪切破坏。而黏聚力和内摩擦角是用来评价岩石抗剪能力的重要技术指标。Mohr-Coulomb准则为
τ=c+σtan φ
(2)
式中，τ为岩样的剪应力，MPa;c为岩样的黏聚力，MPa;σ为岩样的正应力(法向应力)，MPa;φ为岩样的内摩擦角，(°)。
由Mohr-Coulomb准则可知，岩石剪应力与正应力呈线性关系。根据试验结果，绘制不同含水率岩样τ-σ关系曲线，如图9所示。通过线性拟合，得到不同含水率岩石的黏聚力和内摩擦角，如图10所示。
图9 不同含水率砂质泥岩剪应力-正应力分布曲线
Fig.9 Distribution of shear stress and normal stress of sandy mudstones with different moisture content
图10 不同含水率砂质泥岩黏聚力和内摩擦角
Fig.10 Cohesive force and internal friction angle of sandy mudstones with different moisture content
由图10可知，随着含水率增加，岩样黏聚力和内摩擦角逐渐降低，但变化规律不同，其中黏聚力表现为负指数下降趋势，内摩擦角表现为线性下降趋势。由干燥到饱和，岩样黏聚力从2.66 MPa下降到0.58 MPa，下降了78.2%;内摩擦角从42.54°降低至35.05°，降低了17.6%。这是因为砂质泥岩中高岭石和伊蒙混层类黏土矿物含量较高，尤其是伊蒙混层，遇水后体积膨胀，挤压周围其它矿物，进而引起岩石微结构改变，含水率越高，岩石微结构改变越大。此外，岩样浸水后，水分子渗入岩石内部原生微裂隙中，在岩石颗粒间形成水膜，削弱颗粒间的胶结力，降低颗粒间的摩擦系数，使得岩石破坏时所克服的黏聚力和内摩擦角减小。含水率越高，岩石颗粒间的胶结力越弱，粒间摩擦系数越小，岩石的黏聚力和内摩擦角越小。
将黏聚力和内摩擦角的拟合公式代入式(2)，得到岩样抗剪强度与含水率关系为
τ=-1.10e0.2ω+3.89+σtan(-1.19ω+42.53)
(3)
式中，ω为岩样含水率，%。
基于此，对Mohr-Coulomb准则进行修正。根据已知干燥岩样的黏聚力和内摩擦角值，建立考虑含水率影响的岩石Mohr-Coulomb准则，见式(4)。式(4)可为水-岩作用相关理论和数值计算提供一定的参考。
(4)
3.4 不同含水率岩样剪切破坏特征
为研究含水率对砂质泥岩岩样剪切破坏特征的影响，以3 MPa法向应力为例，得到岩样直剪破坏特征如图11所示。
由图11可知，切向力加载过程中，不同含水率岩样均是端部与压头接触应力集中处先产生宏观主裂隙，之后内部裂隙沿主裂隙扩展、汇聚和贯通。含水率越高，岩样主裂隙附近的衍生裂隙越多。这是因为岩石是具有非均质性和各向异性的多孔介质材料，当水进入岩石内部孔隙和裂隙后，岩石的矿物组分、孔隙结构和大小、裂隙形态和方向等均会发生改变，且含水率越高，改变越大。因此含水岩样主裂隙附近会产生与主裂隙方向不同的衍生裂隙。与含水岩样相比，干燥岩样宏观主裂隙较为平整;饱和岩样随着切向力加载，颗粒间相互摩擦和错动，岩样宏观主裂隙附近出现松散的矿物颗粒，说明水作用弱化了岩样内部颗粒的胶结程度。
图11 不同含水率砂质泥岩直剪破坏特征
Fig.11 Characteristics of direct shear failure of sandy mudstones with different moisture content
4 含水率对砂质泥岩声发射特征的影响
声发射是岩石破坏过程中的一种伴生现象，蕴含着岩石内部破坏过程的重要信息。声发射监测已经成为岩石力学特性和损伤演化规律研究的重要手段。在不同含水率砂质泥岩直剪试验中进行声发射监测，获取不同含水率岩石在剪切破坏过程中的声发射特征变化规律，以研究含水率对岩石剪切破坏过程中能量释放大小、裂隙发育尺度和发育类型等的影响。
4.1 不同含水率岩样累计声发射特征
声发射累计计数能够反映岩样内部裂隙形成和扩展过程中所释放出的总能量和内部损伤积累程度。图12为3 MPa法向应力条件下，不同含水率砂质泥岩直剪试验中剪应力及声发射累计计数随时间变化曲线。
图12 不同含水率砂质泥岩剪应力-累计计数-时间曲线
Fig.12 Shear stress-cumulative count-time curves of sandy mudstones with different moisture content
由图12可知，不同含水率砂质泥岩岩样的剪应力随时间变化规律一致，具有阶段性:由A到B，岩样剪应力-时间曲线下凹，斜率逐渐增加，这是因为砂质泥岩内部存在原生孔隙和微裂隙，在剪应力作用下逐渐被压密，将该阶段称为压密阶段;由B到C，岩样剪应力随时间变化呈线性增大，将该阶段称为弹性阶段;由C到D，岩样剪应力-时间曲线上凹，部分试样的剪应力-时间曲线在该阶段出现波动，说明该阶段岩样产生塑性变形，将该阶段称为塑性阶段;D点为剪应力-时间曲线峰值点，D点剪应力为岩样峰值剪应力(即岩样抗剪强度)，D点过后曲线开始下降，表明岩样已经发生破坏，将D～E称为破坏阶段。
砂质泥岩岩样声发射累计计数-时间曲线与剪应力-时间曲线类似，随时间不断增长且具有阶段性:压密阶段(A～B)，该阶段岩样声发射活动很少，内部孔隙逐渐压密、闭合，微裂隙很少，几乎没有能量释放;随着荷载增加，岩样逐渐进入弹性阶段(B～C)，该阶段声发射累计计数-时间曲线呈线性增长;屈服阶段(C～D)声发射累计计数-时间曲线斜率增大(含水率越小，曲线斜率变化越明显)，岩样产生不可逆的损伤裂隙并迅速汇聚，直到岩样产生破坏(D点);D点是剪峰值应力点，D点过后是破坏阶段(D～E);D点附近声发射累计计数-时间曲线骤增，说明此时岩样释放大量声发射信号和应变能。对比图9可知，随着含水率的增长，岩样声发射计数逐渐减小，这是因为水的作用改变了岩样的内部结构，弱化了岩样强度，使岩样表面和内部裂隙贯通所需能量降低，岩样破坏时释放的应变能减小。含水率越高，岩样声发射累计计数越小:干燥岩样声发射累计计数达5 951次，而含水率2%岩样降至2 257次，含水率4%岩样1 549次，饱和岩样声发射累计计数仅404次，与干燥岩样相比降低了93.2%。这是因为水进入岩样孔隙，减少矿物颗粒间的接触，弱化颗粒间的胶结作用，使得诱导岩样裂隙扩展所需能量减小，岩样破坏时产生的微裂隙数量减少。
4.2 不同含水率岩样裂隙发育类型
SHIOTANI等[30]对岩石剪切试验过程中声发射RA值(上升时间/幅值，ms/dB)进行了详细的计算，认为脆性岩石在破坏时产生的裂隙主要分为拉张裂隙和剪切裂隙，RA值与裂隙种类充分对应——较低RA值对应剪切裂隙，较高RA值对应张拉裂隙。
以3 MPa法向应力为例，绘制不同含水率岩样剪应力、声发射RA值和时间的变化关系如图13所示。
图13 不同含水率岩样剪应力、RA值与时间变化关系
Fig.13 Change relationships between shear stress,RA value and time of rock specimens with different moisture contents
由图13可知，不同含水率岩样RA值变化规律大体一致:压密阶段，声发射RA值非常少，岩样内部原生裂隙被压密，无新裂隙产生;弹性阶段声发射RA值非常低，均小于1.5 ms/dB，表明此时岩样内部主要发生原生缺陷闭合及新生裂隙扩展，新生裂隙基本是剪切裂隙;屈服阶段频繁出现低RA值，说明此阶段内部裂隙以剪切裂隙为主，岩样内部损伤过程活跃，新生裂隙在主裂隙附近扩展、汇聚;随着荷载继续增大，岩样微裂隙扩展速度加快，在峰值剪应力附近出现较高RA值，表明此阶段产生张拉裂隙;破坏阶段岩样产生以剪切裂隙为主的拉剪复合裂隙。随着含水率增加，岩样声发射RA值数量减小，活跃程度降低。这是由于水作用改变了岩样内部结构，弱化岩样强度，内部裂隙易于沿主裂隙方向扩展，使得岩样内部裂隙数目减少;饱和岩样在屈服阶段出现较高RA值，表明在该阶段产生了张拉裂隙，反映了水对岩样强度的弱化作用。
在直剪试验中，不同含水率砂质泥岩破坏时均产生张拉裂隙。岩石内部结构和矿物组分不同，具有非均质性和各向异性，在荷载作用下，应力重新分布后产生拉应力，含水率越高，应力分布状态变化越大。除此之外，岩样受剪应力的同时也受正应力影响，在泊松效应下会产生拉应力。在屈服阶段至峰值附近时，岩样损伤严重，整体强度降低，在拉应力作用下产生张拉裂隙。
4.3 不同含水率岩样的裂隙发育程度
Gutenberg和Richter在进行地震频率和震级研究中，首先提出了用于描述震源尺度分布比例的b值和著名的G-R关系式[31]:
ln N=a+bM
(5)
式中，N为M+ΔM范围内地震次数;a为地震活动程度常数;b为常数，表示大小地震数量的比例；M为地震震级。
在计算岩石声发射b值时，一般用声发射振幅反映声发射事件大小，并将声发射振幅除以20来代替地震震级M，得到
ln[N(A/20)]=a+b(A/20)
(6)
式中，A为声发射事件幅值，dB;N(A/20)为幅值大于等于A/20的声发射事件次数。
声发射b值能够反映岩石裂隙发育程度:b值增大，岩样以小尺度裂隙发育为主;b值减小，岩样以大尺度裂隙扩展为主;b值变化幅度小的岩样内部裂隙以渐进式扩展;b值变化幅度大意味着岩样的突发式失稳[32]。
为便于b值研究，本文按照应力水平(剪应力除以抗剪强度)将岩样由初始加载至峰值的剪应力-时间曲线段划分成7部分，选取的应力水平分别为:0.143，0.286，0.429，0.572，0.715，0.858和1.000(由于加载方式为位移控制，且各岩样尺寸相同，因此加载时间、剪切位移和剪应变是对应的)。令声发射振幅间隔Δ(A/20)为0.5 dB，通过文献[33]介绍的最小二乘法计算b值。
以3 MPa法向应力为例，不同含水率砂质泥岩剪应力、b值和时间关系如图14所示。
图14 不同含水率砂质泥岩剪应力-b值-时间曲线
Fig.14 Shear stress-b value-time curves of sandy mudstones with different moisture content
由图14可知，声发射b值较好地反映了不同含水率岩样在直剪试验各阶段裂隙扩展发育规律:弹性阶段声发射b值均呈增长趋势，且增长幅度较小，表明该阶段岩样内部微小裂隙萌生，缓慢稳定发育;屈服阶段b值骤降，这是因为该阶段岩样内部裂隙在主裂隙附近不稳定扩展、汇聚，形成大尺度裂隙;峰值剪应力前，干燥岩样和含水率2%岩样b值持续降低，而4%含水率岩样和饱和岩样b值升高，说明破坏时低含水率岩样内部呈大尺度裂隙扩展，而高含水率岩样内部裂隙尺度较小。这是因为含水率较高时，水的作用使得岩石内部应力重新分布，应力集中程度降低，小尺度微裂隙发育较为分散;而含水率较低时，岩石内部应力集中程度高，小尺度微裂隙集中扩展、汇聚和贯通，最终形成大尺度宏观裂隙。
5 讨 论
本文建立的考虑含水率影响的岩石Mohr-Coulomb准则，能够为水-岩作用相关理论和数值计算研究提供一定的参考。例如，在富水巷道/工作面围岩控制，承压水上或下采煤防突，以及地下水库煤柱坝体稳定性分析等研究中，均应充分考虑岩石内部含水率的动态变化，以及因含水率变化导致的岩石强度的改变。
由岩石直剪破坏特征(图11)发现，随着含水率增加，岩石主裂隙附近的衍生裂隙增多，而通过岩石声发射累计计数-时间曲线(图12)得到，含水率越高，岩样声发射累计计数越少，微裂隙数量越少。2者并不矛盾。这是因为图11反映的是肉眼可见的宏观裂隙，而图12中的声发射事件反映的是岩石微裂隙的发育和扩展。随着含水率的增加，岩石内部应力集中程度减小，应力状态减弱，产生的微裂隙数量减少，微裂隙扩展方向较为分散。而干燥岩石产生的微裂隙数量多，且微裂隙扩展方向较为集中，与剪应力方向大致相同，因此在宏观表现为一条主剪切裂隙。
6 结 论
(1)砂质泥岩具有水平层理结构，主要矿物为石英、黏土、白云母和炭屑;粉砂质碎屑质量分数为40%，泥质质量分数约为60%;黏土矿物占整体矿物成分的75%，主要成分为高岭石和伊蒙混层;砂质泥岩自然吸水过程中，含水率随时间变化分3个阶段:快速增长阶段(0～18 h)，平均增长速率0.264%/h；缓慢增长阶段(18～42 h)，平均增长速率0.003 7%/h；稳定阶段(42 h～)。
(2)随着含水率增加，砂质泥岩抗剪强度、黏聚力和内摩擦角分别呈指数、负指数和线性降低，宏观主裂隙的平整度逐渐下降;由干燥到饱和，砂质泥岩黏聚力由2.66 MPa下降到0.58 MPa，降低了78.3%，内摩擦角由42.54°下降到35.05°，降低了17.6%;根据直剪试验结果，建立考虑含水率影响的砂质泥岩Mohr-Coulomb准则。
(3)随着含水率的升高，砂质泥岩声发射累计计数逐渐减小:由干燥到饱和，声发射累计计数减小了93.2%(3 MPa法向应力条件下);随着含水率的增加，砂质泥岩破坏时的裂隙尺度减小:低含水率(干燥和含水率2%)岩样呈大尺度张拉裂隙破坏，高含水率(含水率4%和饱和)岩样呈小尺度张拉裂隙破坏。
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