巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)新技術(shù)和新設(shè)備

【摘要】巖石力學(xué)主要是采用了力學(xué)原理及其方法對(duì)其巖石力學(xué)進(jìn)行研究，以及和力學(xué)相關(guān)聯(lián)的一門(mén)新興科學(xué)。巖石力學(xué)不僅和國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)、資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、減災(zāi)防災(zāi)等有密切的聯(lián)系，具有重要的實(shí)用價(jià)值，并且是力學(xué)與地學(xué)相結(jié)合的一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科。隨著人類(lèi)社會(huì)不斷的發(fā)展，礦業(yè)開(kāi)采深度也是越來(lái)越深，斷層破碎帶以及軟弱夾層也是越來(lái)越多，巖石力學(xué)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(xué)性能，查明工程巖體中的應(yīng)力與變形的狀態(tài)，進(jìn)而解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中所遇到的隧道、邊坡、壩基等的安全和穩(wěn)定問(wèn)題。因此，巖石力學(xué)在地學(xué)領(lǐng)域中也占有重要的地位。本文就結(jié)合作者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的新技術(shù)及其新設(shè)備進(jìn)行探討，以供借鑒參考。

【關(guān)鍵詞】巖石力學(xué)；實(shí)驗(yàn)；新技術(shù)；新設(shè)備

前言

下面主要結(jié)合最新的巖石力學(xué)測(cè)試技術(shù)，介紹了巖石力學(xué)測(cè)試技術(shù)的試驗(yàn)方法和設(shè)備，包括巖石分類(lèi)回彈試驗(yàn)、巖石耐崩解試驗(yàn)、巖石剪切試驗(yàn)、巖石三軸試驗(yàn)、巖石滲透性試驗(yàn)和巖石三軸流變?cè)囼?yàn)，為巖石力學(xué)試驗(yàn)提供了新的方法和依據(jù)。

1 巖石力學(xué)的研究要點(diǎn)

人類(lèi)對(duì)巖石的力學(xué)性狀的認(rèn)識(shí)是從試驗(yàn)開(kāi)始的，巖石力學(xué)理論的形成、發(fā)展與試驗(yàn)方法息息相關(guān)。巖石的力學(xué)性態(tài)包括巖石在所處物理、化學(xué)環(huán)境下的強(qiáng)度、變形及其動(dòng)力學(xué)特性和滲透性等。巖石力學(xué)性態(tài)的研究方法主要是現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有測(cè)量巖體原位變形性能和強(qiáng)度性能的承壓板試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)三軸壓縮試驗(yàn)和巖體滲透性試驗(yàn)等；室內(nèi)試驗(yàn)有單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切、滲透試驗(yàn)等?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖體進(jìn)行，室內(nèi)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用規(guī)定尺寸的巖塊試件在模擬的溫、壓條件下進(jìn)行，在試件受力變形過(guò)程中測(cè)量其各種力學(xué)量之間的關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)可以測(cè)出巖體和巖塊的彈性常數(shù)E、v和各種強(qiáng)度值，以及滲透系數(shù)k等。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以得出巖石的破壞準(zhǔn)則、屈服條件和表示應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、時(shí)間等之間關(guān)系的本構(gòu)方程。目前對(duì)巖石較常用的破壞準(zhǔn)則有庫(kù)侖準(zhǔn)則、莫爾準(zhǔn)則和格里菲斯準(zhǔn)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(kù)侖屈服條件等。至于巖石的本構(gòu)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(gòu)方程。下文就介紹巖石力學(xué)測(cè)試的最新方法與相關(guān)儀器設(shè)備。

2 巖石力學(xué)的試驗(yàn)方法及設(shè)備

2.1 巖石分類(lèi)回彈試驗(yàn)

巖石分類(lèi)回彈試驗(yàn)用于巖石分類(lèi)。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(shù)據(jù)。可沿著芯的長(zhǎng)度獲取一系列數(shù)據(jù)以得到平均回彈值。

2.2 巖石耐崩解試驗(yàn)

在現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外關(guān)于巖石崩解性的試驗(yàn)有兩種：耐崩解性試驗(yàn)和普通崩解試驗(yàn)。耐崩解試驗(yàn)方法的規(guī)范主要有國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）1979年建議的方法和1999年發(fā)布的中國(guó)工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50266-99）中的耐崩解性試驗(yàn)方法，這兩種試驗(yàn)規(guī)程大致相同，均是將試驗(yàn)樣品在105℃-110℃下烘干2-6小時(shí)冷卻，放入孔徑為2mm的金屬網(wǎng)圓筒中，置入水中以20r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)10分鐘，取出樣品烘干稱(chēng)量，之后循環(huán)做一次，最后用原樣品的烘干質(zhì)量和殘留樣品烘干質(zhì)量求出巖石耐崩解指數(shù)。

巖石耐崩解儀可以測(cè)量巖石由于干濕交替后，抵抗崩解的耐久性能。該設(shè)備包括一個(gè)裝在基座上的驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置以每分鐘20轉(zhuǎn)的速度帶動(dòng)2-4個(gè)鼓形試驗(yàn)箱。箱內(nèi)注水，水位低于軸線20mm。試驗(yàn)箱體由2mm絲網(wǎng)制成，直徑140mm，長(zhǎng)度100mm。

2.3 巖石剪切試驗(yàn)

巖石的抗剪強(qiáng)度是巖石對(duì)剪切破壞的極限抵抗能力。通常采用快速直剪試驗(yàn)測(cè)定巖石的抗剪強(qiáng)度。此試驗(yàn)一般可測(cè)定：a.混凝土與巖石膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度；b.巖石軟弱結(jié)構(gòu)面（包括夾泥和不夾泥的層面，節(jié)理裂縫面和斷層帶等）的抗剪強(qiáng)度；c.巖石本身的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)巖石的含水狀態(tài)可根據(jù)需要采用天然含水狀態(tài)、飽和狀態(tài)或其他含水狀態(tài)。

巖石剪切系統(tǒng)（RSI）是通用的系統(tǒng)可以完成天然或人工巖石節(jié)理的固結(jié)和剪切過(guò)程，巖樣直徑最大達(dá)83mm。

該系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制的單元，該單元利用微步進(jìn)馬達(dá)來(lái)控制和施加垂直荷載和水平位移。內(nèi)置的電子元件控制試驗(yàn)并實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。在最新的Windows平臺(tái)下運(yùn)行電腦控制的程序。程序可以顯示最新的當(dāng)前的狀態(tài)并實(shí)時(shí)繪制試驗(yàn)過(guò)程的圖形。系統(tǒng)也允許操作者在試驗(yàn)過(guò)程中的任意階段改變?cè)囼?yàn)過(guò)程和狀態(tài)。

2.4 巖石三軸試驗(yàn)

巖石三軸壓縮試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)三軸試驗(yàn)），實(shí)質(zhì)是對(duì)處于三向受壓環(huán)境中的地殼巖體的力學(xué)性狀的一種模擬。相對(duì)于其它一些所謂的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，三軸實(shí)驗(yàn)屬較復(fù)雜的高級(jí)實(shí)驗(yàn)，它可以獲取相應(yīng)于巖體不同圍壓（或深度）的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比，以及準(zhǔn)確的凝聚力C和內(nèi)摩擦角等數(shù)據(jù)。若使用三軸侍服壓力機(jī)，還能得到應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）的全程曲線，進(jìn)而獲得巖石的殘余應(yīng)力、永久變形數(shù)據(jù)等。這些都是一些重大工程建設(shè)、巖石力學(xué)和某些地學(xué)項(xiàng)目研究及應(yīng)用中必不可少的重要參數(shù)。

W+B提供的高剛度測(cè)試系統(tǒng)可以研究巖石的無(wú)側(cè)向剛度壓縮測(cè)試、三軸測(cè)試、彎曲測(cè)試、直接拉伸、壓碎測(cè)試，研究巖石的無(wú)側(cè)向剛度壓縮測(cè)試、三軸測(cè)試、彎曲測(cè)試、直接拉伸、壓碎測(cè)試、蠕變測(cè)試等。

在巖石力學(xué)測(cè)試領(lǐng)域，W+B提供的高剛度測(cè)試系統(tǒng)的最大測(cè)試范圍可以達(dá)到10000kN。W+B還可以提供不同的穩(wěn)壓加強(qiáng)系統(tǒng)，數(shù)字式控制器提供附加的通道用于數(shù)據(jù)采集，以及多通道控制功能，此外還可以提供其他的巖石測(cè)試系統(tǒng)，以及各種制樣工具。

結(jié)束語(yǔ)：

總而言之，本文就介紹了巖石力學(xué)試驗(yàn)的最新進(jìn)展、試驗(yàn)的方法，以及相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備，為巖石力學(xué)試驗(yàn)提供出一定的依據(jù)。

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