巖石力學(xué)試驗(yàn)新技術(shù)和新設(shè)備

黃小林

摘要：人類對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)始于實(shí)驗(yàn)，巖石力學(xué)理論的形成和發(fā)展與測(cè)試方法密切相關(guān)。巖石的機(jī)械特性包括其在物理和化學(xué)環(huán)境中的強(qiáng)度、變形、動(dòng)力學(xué)和滲透性。巖石力學(xué)是利用力學(xué)原理和方法研究巖石力學(xué)及與力學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象的一門新科學(xué)。它不僅與國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、減災(zāi)防災(zāi)等密切相關(guān)，而且具有重要的實(shí)用價(jià)值，是與地球科學(xué)相結(jié)合的基礎(chǔ)學(xué)科。許多人造結(jié)構(gòu)位于地殼巖石之上或之中。本文結(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)的測(cè)試方法和設(shè)備，包括巖石分類斥力試驗(yàn)、巖石坍塌試驗(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)。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)試驗(yàn);巖石分類;回彈耐崩解;三軸試驗(yàn);三軸流變

引言

隨著人類社會(huì)的發(fā)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(guī)模越來越大。巖石力學(xué)是近幾十年來在這種背景下發(fā)展起來的一門學(xué)科。研究的目的是了解巖石的物理力學(xué)特性，了解工程巖體的應(yīng)力應(yīng)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(jīng)濟(jì)建設(shè)中的安全穩(wěn)定問題。因此，巖石力學(xué)在地球科學(xué)領(lǐng)域也占有重要地位。巖石有許多不同尺度的不連續(xù)性，如裂縫、節(jié)理和斷層。巖石的這些性質(zhì)決定了巖石力學(xué)研究對(duì)象的復(fù)雜性。

巖石力學(xué)特性的研究方法主要是現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)包括支撐板試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，測(cè)量基巖的原位變形能力和強(qiáng)度性能，現(xiàn)場三軸壓縮試驗(yàn)和巖石滲透試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)包括單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸膨脹和收縮，在工程現(xiàn)場對(duì)巖石進(jìn)行直剪、貫入試驗(yàn)等現(xiàn)場試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室模擬溫度和壓力條件下，對(duì)規(guī)定尺寸的巖塊試件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，在試驗(yàn)期間測(cè)量試樣的機(jī)械量。試件受力與變形過程的關(guān)系。通過試驗(yàn)，可以測(cè)得巖石的彈性常數(shù)E、v，以及各種強(qiáng)度值和滲透系數(shù)k?？梢詫?duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以獲得失效準(zhǔn)則、屈服條件以及應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和時(shí)間之間關(guān)系的本構(gòu)方程。目前，常用的巖石斷裂判據(jù)有庫侖判據(jù)、莫爾判據(jù)和格里菲斯判據(jù)。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(gòu)方程。本文主要介紹最新的巖石動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法及相關(guān)儀器設(shè)備。

一、 測(cè)試目標(biāo)和步驟

試驗(yàn)的主要目的是獲得試件的單軸抗壓強(qiáng)度、根據(jù)各種載荷循環(huán)的單軸壓縮峰值強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、彈性模量、泊松比和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，并為后續(xù)研究微裂紋體積應(yīng)變?cè)诩虞d過程中的變化規(guī)律提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

（1） 選取一個(gè)試驗(yàn)巖樣，用游標(biāo)卡尺測(cè)量巖樣上下徑兩次，長度測(cè)量兩次，并作相關(guān)記錄計(jì)算。巖樣試驗(yàn)前取巖樣的平均直徑和平均長度（2） 巖樣放置在試驗(yàn)機(jī)承載板的中心（3） 軸向和徑向引伸計(jì)安裝如下.每個(gè)引伸計(jì)腳與巖樣表面充分接觸，引伸針長度在正常范圍內(nèi)（4） 施加位移控制載荷，設(shè)置必要的參數(shù)，啟動(dòng)高壓啟動(dòng)載荷和試驗(yàn)全過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集載荷和應(yīng)變值，停止試驗(yàn)，直至巖樣失效，取出巖樣，拍照，記錄說明。

二、單軸壓縮試驗(yàn)

為了了解巖石的基本性質(zhì)，首先采集了三個(gè)巖石樣品，進(jìn)行了常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為以下幾個(gè)步驟：（1）初始?jí)嚎s階段：應(yīng)力-應(yīng)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(huì)導(dǎo)致不可恢復(fù)的突變。在單軸應(yīng)力狀態(tài)下，這一步很重要，而在常規(guī)三軸應(yīng)力狀態(tài)下，隨著約束壓力的增加，巖樣內(nèi)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(yīng)力-徑向應(yīng)變關(guān)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(wěn)定加載狀態(tài)，應(yīng)力應(yīng)變曲線接近直線，類似于線彈性工作階段，但不是嚴(yán)格的線彈性。這一步主要涉及基礎(chǔ)可恢復(fù)彈性變形，但也有少量不可恢復(fù)的塑性變形。（3）非彈性變形階段：該階段的起點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，直至應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力下出現(xiàn)在內(nèi)部。即使應(yīng)力在這個(gè)階段沒有變化，由于開裂過程引起的顯著應(yīng)力集中，微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。在發(fā)生的變形中，不可逆塑性變形逐漸增加，徑向應(yīng)變的變化率明顯高于軸向應(yīng)變的變化率。對(duì)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(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)，巖石進(jìn)入斷裂階段后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的切線斜率由0變?yōu)樨?fù)值，巖石強(qiáng)度迅速下降。這一階段的巖體形成過程稱為破裂過程，當(dāng)巖體完全失去承載力時(shí)，就認(rèn)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?yōu)轫g性。

三、3T循環(huán)單軸壓縮試驗(yàn)

采用循環(huán)荷載試驗(yàn)方法對(duì)被試巖石的阻尼比和阻尼系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)試驗(yàn)和計(jì)算分析的綜合討論。在第一個(gè)加載和卸載循環(huán)中，軸向塑性應(yīng)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(gè)滯后回線。在第一次加載和卸載循環(huán)完成時(shí)，由于每組試樣的阻尼特性，大面積的典型動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明，動(dòng)態(tài)應(yīng)變隨著加載和卸載循環(huán)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(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值和動(dòng)應(yīng)力周期相等時(shí)，砂巖得到的滯后回線比較接近，是一個(gè)“密集”的滯后回線。同時(shí)，經(jīng)過第二次振蕩周期后，砂巖的裝卸循環(huán)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(shí)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)周期都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁滯回線。這意味著每個(gè)力循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生能量損失。所以負(fù)載循環(huán)越多，能量損失就越多。大部分能量損失發(fā)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(fā)生能量損失。

結(jié)語

從建筑模型和能量分析的角度研究巖石與我們通常對(duì)巖石的看法不同，從而為相關(guān)巖石問題的研究發(fā)展了新的思路。同時(shí)，在得到巖石的結(jié)構(gòu)方程后，通過應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)巖石的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行計(jì)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(zhuǎn)化方式來破壞巖石。巖石能量演化理論是巖石力學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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