巖石力學試驗新技術和新設備

　　摘 要： 本文結合最新的巖石力學測試技術，介紹了巖石力學測試技術的試驗方法和設備，包括巖石分類回彈試驗、巖石耐崩解試驗、巖石剪切試驗、巖石三軸試驗、巖石滲透性試驗和巖石三軸流變試驗，為巖石力學試驗提供了新的方法和依據。
　　關鍵詞： 巖石力學試驗 巖石分類回彈 耐崩解 三軸試驗 三軸流變
　　
　　1.引言
　　巖石力學是運用力學原理和方法來研究巖石的力學，以及與力學有關現象的一門新興科學。它不僅與國民經濟基礎建設、資源開發、環境保護、減災防災有密切聯系，具有重要的實用價值，而且是力學和地學相結合的一個基礎學科。人類建造的大量構筑物都是位于地殼巖石之上或之中。隨著人類社會的發展，礦業開采的深度越來越深，建筑物、水壩、地下硐室、露天開采等的規模越來越大，遇到的惡劣地質環境如不良巖體、斷層破碎帶、軟弱夾層等也越來越多。巖石力學就是在這種背景下于近幾十年內發展起來的一門學科。其研究目的，就是要了解巖石的物理—力學性能，查明工程巖體中的應力和變形狀態，以解決國民經濟建設中各工程部門所遇到的硐室、隧道、邊坡、壩基等的安全和穩定問題。因此，巖石力學在地學領域中也占有重要的地位。巖石中存在著大量不同尺度的不連續面，如裂隙、節理、斷層等。巖石的這些特點決定了巖石力學研究對象的復雜性。
　　人類對巖石的力學性狀的認識是從試驗開始的，巖石力學理論的形成、發展與試驗方法息息相關。巖石的力學性態包括巖石在所處物理、化學環境下的強度、變形及其動力學特性和滲透性等。巖石力學性態的研究方法主要是現場和室內試驗。現場試驗有測量巖體原位變形性能和強度性能的承壓板試驗和剪切試驗、現場三軸壓縮試驗和巖體滲透性試驗等；室內試驗有單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切、滲透試驗等。現場試驗在工程現場對巖體進行，室內試驗在實驗室內用規定尺寸的巖塊試件在模擬的溫、壓條件下進行，在試件受力變形過程中測量其各種力學量之間的關系。通過試驗可以測出巖體和巖塊的彈性常數E、v和各種強度值，以及滲透系數k等。對實驗數據進行處理和分析，可以得出巖石的破壞準則、屈服條件和表示應力、應變、溫度、時間等之間關系的本構方程。目前對巖石較常用的破壞準則有庫侖準則、莫爾準則和格里菲斯準則，屈服條件有特雷斯卡屈服條件、德魯克—普拉格屈服條件、莫爾—庫侖屈服條件等。至于巖石的本構方程，除了熟知的胡克定律之外，還有反映巖石彈塑性、黏彈性、粘塑性和粘彈塑性性能的諸多本構方程。
　　本文主要介紹了巖石力學測試的最新方法和相關儀器設備。
　　2.試驗方法及設備
　　2.1巖石分類回彈試驗
　　巖石分類回彈試驗用于巖石分類，如圖1所示。通常將圓柱形的巖芯放在水平位置，錘擊巖芯以獲得回彈數據。可沿著芯的長度獲取一系列數據以得到平均回彈值。
　　試驗儀器：巖石分類回彈儀
　　產品型號：45—D0561
　　生產廠商：意大利Controls公司
　　Fig.1 Rock category rebound testing system
　　2.2 巖石耐崩解試驗
　　目前國內外關于巖石崩解性的試驗有兩種：耐崩解性試驗和普通崩解試驗。耐崩解試驗方法的規范主要有國際巖石力學學會（ISRM）1979年建議的方法和1999年發布的中國工程巖體試驗方法標準（GB/T50266—99）中的耐崩解性試驗方法，這兩種試驗規程大致相同，均是將試驗樣品在105℃—110℃下烘干2—6小時冷卻，放入孔徑為2mm的金屬網圓筒中，置入水中以20r/min的速度轉動10分鐘，取出樣品烘干稱量，之后循環做一次，最后用原樣品的烘干質量和殘留樣品烘干質量求出巖石耐崩解指數。圖2所示為巖石耐崩解儀。
　　試驗儀器：巖石耐崩解儀
　　產品型號：45-D0546
　　生產廠商：意大利Controls公司
　　Fig.2Rock slake-durability testing system
　　該設備可以測量巖石由于干濕交替后，抵抗崩解的耐久性能。該設備包括一個裝在基座上的驅動裝置，該驅動裝置以每分鐘20轉的速度帶動2—4個鼓形試驗箱。箱內注水，水位低于軸線20mm。試驗箱體由2mm絲網制成，直徑140mm，長度100mm。
　　2.3巖石剪切試驗
　　巖石的抗剪強度是巖石對剪切破壞的極限抵抗能力。通常采用快速直剪試驗測定巖石的抗剪強度。此試驗一般可測定：a.混凝土與巖石膠結面的抗剪強度；b.巖石軟弱結構面（包括夾泥和不夾泥的層面，節理裂縫面和斷層帶等）的抗剪強度；c.巖石本身的抗剪強度。試驗時巖石的含水狀態可根據需要采用天然含水狀態、飽和狀態或其他含水狀態。
　　試驗儀器：巖石剪切試驗系統
　　產品型號：RSI-ShearTrac-Ⅱ
　　生產廠商：美國Geocomp公司
　　Fig.3 Rock shear testing system
　　巖石剪切系統（RSI）是通用的系統，如圖3所示，可以完成天然或人工巖石節理的固結和剪切過程，巖樣直徑最大達83mm。
　　該系統包括計算機控制的單元，該單元利用微步進馬達來控制和施加垂直荷載和水平位移。內置的電子元件控制試驗并實時顯示數據。在最新的Windows平臺下運行電腦控制的程序。程序可以顯示最新的當前的狀態并實時繪制試驗過程的圖形。系統也允許操作者在試驗過程中的任意階段改變試驗過程和狀態。
　　適用的試驗標準：
　　Fig.4 Relationship between shear force and shear displacement in rock
　　2.4 巖石三軸試驗
　　巖石三軸壓縮試驗（簡稱三軸試驗），實質是對處于三向受壓環境中的地殼巖體的力學性狀的一種模擬。相對于其它一些所謂的常規實驗，三軸實驗屬較復雜的高級實驗，它可以獲取相應于巖體不同圍壓（或深度）的抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比，以及準確的凝聚力C和內摩擦角等數據。若使用三軸侍服壓力機，還能得到應力—應變（σ—ε）的全程曲線，進而獲得巖石的殘余應力、永久變形數據等。這些都是一些重大工程建設、巖石力學和某些地學項目研究及應用中必不可少的重要參數。
　　試驗儀器：巖石三軸試驗儀
　　生產廠商：瑞士W+B公司
　　Fig.5 Rock triaxial compression testing system
　　本系統可以研究巖石的無側向剛度壓縮測試、三軸測試、彎曲測試、直接拉伸、壓碎測試，研究巖石的無側向剛度壓縮測試、三軸測試、彎曲測試、直接拉伸、壓碎測試、蠕變測試等。
　　在巖石力學測試領域，W＋B提供的高剛度測試系統的最大測試范圍可以達到10000kN。W＋B還可以提供不同的穩壓加強系統，數字式控制器提供附加的通道用于數據采集，以及多通道控制功能，此外還可以提供其他的巖石測試系統，以及各種制樣工具。
　　使用W+B巖石三軸試驗儀進行了巖石三軸試驗。巖樣采自石太鐵路客運專線太行山隧道工程施工現場，為膏溶角礫巖。其外觀多呈灰白至黃褐色，由角礫和粘土礦物膠結而成。經X射線粉晶衍射分析，主要礦物成分和含量為石英35%，方解石20%，伊利石15%，綠泥石15%，白云石10%，長石5%。巖樣從施工現場封裝運回后，采用干法加工成50mm×100mm的標準試件。
　　下圖所示為巖石三軸試驗應力—應變關系曲線：
　　Fig.6 Relationship between stress and strain in rock
　　
　　2.5 巖石滲透性試驗
　　滲透率表征巖石通過流體的能力，是液體礦藏勘探和開采必須研究的主要參數之一，也是水域工程要著力研究的參數。巖石的滲透特性不但與巖石的孔隙結構，孔隙連通狀況密切相關，而且和通過巖石孔隙的流體性質有直接的關系［３］。室內滲透性測試方法主要可分為兩大類：一類是穩壓法，即測試過程保持試樣兩端水壓差不變。另一類是壓力脈沖法，其通過測量試樣兩端容器水壓力差隨時間的變化來測定巖石的滲透性，不需要測量流量［４］。
　　巖石滲透性試驗儀測定巖石的滲透系數，能反映巖石微裂縫的發育程度。巖石滲透性試驗儀用于測試在三軸室內受高圍壓作用的巖石試樣的滲透性。試樣的水力梯度通過恒壓系統提供，流過試樣的水通過量管收集。包括：恒壓系統、三軸室、滲透上帽、量管、支架等。巖石滲透性試驗儀提供了可以無限細分的穩定圍壓，與Hoke三軸室合用，用于在室內測量巖石試樣在有圍壓條件下的滲透性。
　　試驗儀器：巖石滲透性試驗儀
　　生產廠商：意大利Controls公司
　　巖石滲透性試驗儀恒壓系統分為油和水恒壓系統，如圖7所示。最大輸出壓力3500kPa，壓力范圍：0—3500kPa，巖石三軸室的最大試樣尺寸54.74×100mm。
　　Fig.7Rock permeability testing system
　　2.6 巖石三軸流變試驗
　　巖石流變力學試驗不僅是了解巖石流變力學特性的最重要手段，而且是構建巖石流變本構模型的重要基礎。水利水電工程高壩壩基大多建于硬巖巖基上，高壩的建設往往伴隨著巖石高陡邊坡和大型地下洞室群的巖石工程問題，為了預測巖石工程的長期穩定性，有必要開展硬巖的流變力學特性研究尤其是三軸流變試驗研究［５］。
　　試驗儀器：巖石三軸流變試驗系統
　　生產廠商：法國TOP INDUSTRIE公司
　　三軸流變儀是由法國Top Industrie公司生產，由控制系統、油源、軸壓系統、圍壓系統、滲流系統、溫度系統六個部分及各種傳感器組成，傳感器部分包括位移、載荷、壓力、溫度等專業測量元件，主要用于開展巖石類材料在應力、溫度、滲流、化學腐蝕耦合條件下的流變試驗。可以完成的試驗：單軸壓縮試驗、單軸壓縮流變試驗、三軸壓縮試驗、三軸壓縮流變試驗、高溫三軸壓縮試驗、高溫三軸流變試驗、孔隙水壓三軸壓縮試驗、化學溶液滲流三軸壓縮試驗。
　　主要技術參數：
　　試樣尺寸：Φ20×40mm、Φ37.5×75mm、Φ50×100mm
　　最大軸壓：600kN
　　最大圍壓：60MPa
　　溫度：常溫～90℃
　　最大滲透壓力：60MPa
　　試驗力長時間穩定度＜±2％
　　連續工作時間＞1200小時
　　3.結語
　　本文介紹了巖石力學試驗的最新進展和試驗方法，以及相應的試驗設備，為巖石力學試驗提供了依據和參考。
　　
　　參考文獻：
　　［1］傅冰駿.巖石力學研究的現狀和未來［C］.全國巖土與工程學術大會報告，2003.
　　［2］李亞林，高雷，郭德順.巖石三軸壓縮實驗的強度特性及應用［J］.華南地震，2006，12，（4）：73-78.
　　［3］胡江春，王紅芳，何滿潮等.巖石的滲透特性試驗研究［J］.中原工學院學報，2006，17，（3）：1-3.
　　［4］黃潤秋，徐德敏，付小敏等.巖石高壓滲透試驗裝置的研制與開發［J］.巖石與力學工程學報，2008，27，（10）：1981-1992.
　　［5］楊圣奇.巖石流變力學特性的研究及其工程應用［D］.南京：河海大學，2006..
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文