巖石力學實驗新技術和新設備

【摘要】巖石力學主要是采用了力學原理及其方法對其巖石力學進行研究，以及和力學相關聯的一門新興科學。巖石力學不僅和國民經濟基礎建設、資源開發、環境保護、減災防災等有密切的聯系，具有重要的實用價值，并且是力學與地學相結合的一個基礎學科。隨著人類社會不斷的發展，礦業開采深度也是越來越深，斷層破碎帶以及軟弱夾層也是越來越多，巖石力學在其背景下，得到了大力的研究，研究目的在于了解巖石物理--力學性能，查明工程巖體中的應力與變形的狀態，進而解決國民經濟建設中所遇到的隧道、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。本文就結合作者的實際工作經驗，對巖石力學實驗的新技術及其新設備進行探討，以供借鑒參考。

【關鍵詞】巖石力學；實驗；新技術；新設備

前言

下面主要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。

1 巖石力學的研究要點

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?，F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。下文就介紹巖石力學測試的最新方法與相關儀器設備。

2 巖石力學的試驗方法及設備

2.1 巖石分類回彈試驗

巖石分類回彈試驗用于巖石分類。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?？裳刂镜拈L度獲取一系列數據以得到平均回彈值。

2.2 巖石耐崩解試驗

在現階段，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。

巖石耐崩解儀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。

巖石剪切系統（RSI）是通用的系統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。

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。

W+B提供的高剛度測試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。

結束語：

總而言之，本文就介紹了巖石力學試驗的最新進展、試驗的方法，以及相關試驗設備，為巖石力學試驗提供出一定的依據。

參考文獻：

[1]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.

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