岩体工程多赋存于水环境中，并常处于饱和状态。环境中的水进入岩体孔隙后易发生水岩相互作用，将改变岩石的矿物组成和微细观结构，引起强度、变形等物理力学性能的劣化。为保证水环境中岩体工程的稳定性，研究饱和岩石的水软化特性和机制十分必要。目前，许多学者对多种饱和岩石的水软化特性进行了研究。普遍认为，岩石饱和后强度降低，弹性模量减小，泊松比增加，摩擦系数减小。如周翠英等[1]发现泥岩饱和后，其强度下降了约90%。Mann等[2]对3种饱和砂岩进行压缩试验，发现弹性模量减小了6%～19%。熊德国等[3]得到砂岩、砂质泥岩和泥岩的抗压强度水软化系数（饱和岩石抗压强度与干燥岩石抗压强度之比）范围为0.58～0.94。Zhu等[4]得到大理岩饱和后，单轴抗压强度减小了29.18%，泊松比增加13.90%。黄弈茗[5]通过剪切试验得到饱和灰岩的摩擦系数降低了25%。Chen等[6]、Erguler等[7]和Vasarhelyi[8]发现凝灰岩饱和后强度降低了2%～88%。工程上常将单轴抗压强度小于20 MPa的岩石称为软岩，20～40 MPa的称为中硬岩，大于40 MPa的称为硬岩。总结来看，目前软岩的水软化特性研究成果丰富，硬岩的水软化特性研究存在不足。为合理解释饱和岩石力学性能的劣化现象，一些学者提出了诸如黏土矿物软化、矿物颗粒摩擦力下降、孔隙水压力等水软化机制[9-13]。然而，受限于试验手段和分析方法，饱和岩石力学性能劣化的物理力学机制尚未达成共识，试验成果多，理论分析成果少。Zhu等[4]综合已有试验成果发现，硬岩的水软化机制可能包括：机制一，黏土矿物软化；机制二，孔隙水压力作用；机制三，摩擦弱化效应；机制四，应力腐蚀。其中，机制一、四分别存在于含黏土矿物和石英矿物的岩石中，且机制一已被公认。机制二、三（统称水岩作用机制，下同）普遍存在于各类饱和岩石中，受到了广泛。值得提出的是，上述水软化机制常常同时存在，并相互影响。因此，排除其他针对某一个或几个特定水软化机制，定性和定量描述其存在条件和作用程度成为亟待解决的问题。
声发射（acoustic emission，AE）是材料加载过程中局部应变能释放所产生的瞬态弹性波，因其可以反映材料内部裂隙发育和破坏特性而被广泛应用于岩石力学中[14-15]。声发射信号的分析方法主要包括参数分析和波形分析。目前一些学者利用声发射特征参数，如声发射事件率、声发射振铃计数、能量等，研究含水岩石的破坏特性[16-18]。虽然声发射参数分析能反映饱和岩石破坏的一些释能特征，但将复杂难懂的波形信号抽象成一系列的参数来加以描述，难免会遗失波形所携带的一些重要的信息。近年来，一些学者开始研究声发射波形信号的频谱特征[14, 19-20]。关于声发射频谱在含水岩石破坏特性研究中的运用，少量学者收获了十分有限的成果。例如，Chugh等[21]、Read等[22]分析了干燥和含水岩石的声发射波形信号的主频差异。张艳博等[23]发现饱和砂岩的声发射信号主频主要分布在35～60 kHz，且主频范围比干燥砂岩集中。然而，基于声发射波形，特别是波形信号的主频统计特征，分析饱和岩石的微观破坏特性进而研究水岩作用机制的成果鲜有报道。
为分析饱和岩石水岩作用机制的存在条件和作用程度，本文选取不含黏土和硅质矿物的典型硬岩，以排除机制一、四的影响，开展硬岩在干燥、饱和状态下的单轴压缩声发射试验，分析压缩强度、弹性模量、破裂形态等力学软化特性，探讨饱和硬岩破坏的声发射波形信号主频统计特征。结合力学软化特性和声发射主频统计特征，研究硬岩水岩作用机制的存在条件和作用程度。研究成果可丰富饱和硬岩力学软化特性的研究内容，并为量化描述水岩作用机制的研究提供新的视角和途径。
（1）硬岩饱和后力学软化特性明显，单轴抗压强度和弹性模量减小，出现更多张拉裂纹和张拉破坏面。
（2）硬岩破坏释放的声发射信号存在双主频现象，且与岩石类型和含水状态无关。硬岩饱和后，声发射高主频带信号明显减少，低主频带信号显著增加。
（3）水岩作用机制之孔隙水压力是不含黏土、硅质矿物硬岩性能劣化的主导因素，其作用强弱与声发射低主频信号多少存在对应关系，且取决于矿物成分和孔隙结构。
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《岩土工程学报》2023年第4期全文阅读
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