巖石力學試驗新技術和新設備

黃小林

摘要：人類對巖石力學性質的認識始于實驗，巖石力學理論的形成和發展與測試方法密切相關。巖石的機械特性包括其在物理和化學環境中的強度、變形、動力學和滲透性。巖石力學是利用力學原理和方法研究巖石力學及與力學有關的現象的一門新科學。它不僅與國民經濟基礎設施、資源開發、環境保護、減災防災等密切相關，而且具有重要的實用價值，是與地球科學相結合的基礎學科。許多人造結構位于地殼巖石之上或之中。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測試方法和設備，包括巖石分類斥力試驗、巖石坍塌試驗、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。

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

引言

隨著人類社會的發展，采礦的深度越來越深，建筑物、水壩、地下開挖、露天采礦的規模越來越大。巖石力學是近幾十年來在這種背景下發展起來的一門學科。研究的目的是了解巖石的物理力學特性，了解工程巖體的應力應變條件，以解決腔室、隧道、邊坡、壩基等問題。各工程部門在國民經濟建設中的安全穩定問題。因此，巖石力學在地球科學領域也占有重要地位。巖石有許多不同尺度的不連續性，如裂縫、節理和斷層。巖石的這些性質決定了巖石力學研究對象的復雜性。

巖石力學特性的研究方法主要是現場和室內試驗。現場試驗包括支撐板試驗和剪切試驗，測量基巖的原位變形能力和強度性能，現場三軸壓縮試驗和巖石滲透試驗，室內試驗包括單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸膨脹和收縮，在工程現場對巖石進行直剪、貫入試驗等現場試驗，室內試驗在實驗室模擬溫度和壓力條件下，對規定尺寸的巖塊試件進行室內試驗，在試驗期間測量試樣的機械量。試件受力與變形過程的關系。通過試驗，可以測得巖石的彈性常數E、v，以及各種強度值和滲透系數k。可以對實驗數據進行處理和分析，以獲得失效準則、屈服條件以及應力、應變、溫度和時間之間關系的本構方程。目前，常用的巖石斷裂判據有庫侖判據、莫爾判據和格里菲斯判據。除了眾所周知的胡克定律外，還有許多反映巖石彈性、粘彈性、粘彈性和粘彈性特性的本構方程。本文主要介紹最新的巖石動力學試驗方法及相關儀器設備。

一、 測試目標和步驟

試驗的主要目的是獲得試件的單軸抗壓強度、根據各種載荷循環的單軸壓縮峰值強度、內摩擦角、內聚力、彈性模量、泊松比和應力-應變關系曲線，并為后續研究微裂紋體積應變在加載過程中的變化規律提供相關數據。

（1） 選取一個試驗巖樣，用游標卡尺測量巖樣上下徑兩次，長度測量兩次，并作相關記錄計算。巖樣試驗前取巖樣的平均直徑和平均長度（2） 巖樣放置在試驗機承載板的中心（3） 軸向和徑向引伸計安裝如下.每個引伸計腳與巖樣表面充分接觸，引伸針長度在正常范圍內（4） 施加位移控制載荷，設置必要的參數，啟動高壓啟動載荷和試驗全過程數據采集系統自動采集載荷和應變值，停止試驗，直至巖樣失效，取出巖樣，拍照，記錄說明。

二、單軸壓縮試驗

為了了解巖石的基本性質，首先采集了三個巖石樣品，進行了常規的三軸壓縮試驗，應力應變曲線可以分為以下幾個步驟：（1）初始壓縮階段：應力-應變曲線略微向上，切向斜率逐漸增大，但接近彈性。它通常不會導致不可恢復的突變。在單軸應力狀態下，這一步很重要，而在常規三軸應力狀態下，隨著約束壓力的增加，巖樣內部的微裂紋等初始缺陷在約束壓力的作用下被大大壓縮。如果看圖中的應力-徑向應變關系曲線，可以看出該階段巖石的徑向變形不明顯有。 （2）彈性變形階段：巖樣處于穩定加載狀態，應力應變曲線接近直線，類似于線彈性工作階段，但不是嚴格的線彈性。這一步主要涉及基礎可恢復彈性變形，但也有少量不可恢復的塑性變形。（3）非彈性變形階段：該階段的起點稱為屈服點，直至應力-應變曲線向下彎曲，切向斜率逐漸減慢。新的裂紋通常在最大應力下出現在內部。即使應力在這個階段沒有變化，由于開裂過程引起的顯著應力集中，微裂紋繼續擴展。在發生的變形中，不可逆塑性變形逐漸增加，徑向應變的變化率明顯高于軸向應變的變化率。對于脆性巖石，隨著約束壓力的增加，這一階段變得越來越明顯。 （4）斷裂階段：當應力達到最大強度時，巖石進入斷裂階段后應力-應變曲線的切線斜率由0變為負值，巖石強度迅速下降。這一階段的巖體形成過程稱為破裂過程，當巖體完全失去承載力時，就認為是破壞。隨著約束壓力的增加，該階段的變形逐漸從脆性變為韌性。

三、3T循環單軸壓縮試驗

采用循環荷載試驗方法對被試巖石的阻尼比和阻尼系數進行試驗試驗和計算分析的綜合討論。在第一個加載和卸載循環中，軸向塑性應變分別約為0.0015%、0.0025% 和0.0018%。加載截面曲線和卸載截面曲線形成一個滯后回線。在第一次加載和卸載循環完成時，由于每組試樣的阻尼特性，大面積的典型動態應力-應變曲線表明，動態應變隨著加載和卸載循環的增加而增加。表明塑性變形隨周期增加而增大，但相比之下，當動應力幅值和動應力周期相等時，砂巖得到的滯后回線比較接近，是一個“密集”的滯后回線。同時，經過第二次振蕩周期后，砂巖的裝卸循環形成的滯后回線的面積總是大于前一次砂巖得到的滯后回線的面積。同時，發現每個周期都會產生一個磁滯回線。這意味著每個力循環都會產生能量損失。所以負載循環越多，能量損失就越多。大部分能量損失發生在從卸載到加載的過程中，而在從加載到卸載的過程中幾乎沒有發生能量損失。

結語

從建筑模型和能量分析的角度研究巖石與我們通常對巖石的看法不同，從而為相關巖石問題的研究發展了新的思路。同時，在得到巖石的結構方程后，通過應力應變曲線對巖石的能量轉換進行計算分析，從微觀的角度了解巖石的變形和斷裂全過程并加以控制。通過控制巖石能量的轉化方式來破壞巖石。巖石能量演化理論是巖石力學的一個新領域，具有廣闊的應用前景。

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