巖石力學室內試驗技術的若干進展

1、巖石力學室內試驗技術的假設干進展論文摘要：室內巖石力學試驗是了解巖石力學特性的重要途徑，其具有可以進行長期觀測、能夠嚴格控制試驗環(huán)境的條件、可以排除次要的影響因素、花費少等優(yōu)點，在巖石力學學科的開展中起著重要作用。本文將就巖石力學常規(guī)試驗技術、巖石流變試驗技術、巖石力學耦合試驗技術、細觀及微觀測試技術等方面的進展做了詳細介紹，并就下一步的可能開展方向做了展望。論文關鍵詞：巖石,力學,室內,試驗,技術1前言巖石材料具較為明顯的非線彈性、非均一性、空間各向異性與不連續(xù)性等特點，其是在十分復雜的物理化學作用下由多種礦物成分組合而成的，其中各種礦物成分顆粒的晶格排列、力學性質及其相互間連接方式都存在著

2、差異，這些都決定了巖石的復雜的力學特性。隨著人類對大自然改造步伐的加速，各類涉及水利、土木、交通與國防的大型巖土工程的施工建設，所遇到的相應巖石力學問題也越來越復雜。室內巖石力學試驗是了解巖石力學特性的重要途徑，其具有可以進行長期觀測、能夠嚴格控制試驗環(huán)境的條件、可以排除次要的影響因素、物資設備允許屢次重復使用與花費耗材相對較少等優(yōu)點，因此室內巖石力學試驗開展的十分普遍。隨著科學技術開展的日新月異，許多新技術、新材料和新方法都被應用于室內巖石力學試驗，不斷推動著室內巖石力學試驗測試技術與儀器設備的更新?lián)Q代。本文將就巖石力學室內試驗技術的假設干進展進行2巖石力學性質常規(guī)試驗技術試驗是理論聯(lián)系實際

3、，實踐驗證理論的一條紐帶，為了解巖石強度與負荷變形等根本性質，通常對巖石試樣進行單軸壓縮、三軸壓縮和剪切試驗。由于技術、材料等方面的原因，國內試驗設備制造起步較晚。1964年由長春材料試驗機廠研制的長江-500型巖石試驗機是當時國內大型巖石三軸壓縮試驗設備的代表，其軸向最大載荷為500噸，側向最大壓力為1500公斤/厘米；長江-500型巖石試驗機能夠測試巖石在圍壓下的強度，但無法給出加載過程中的應力-應變曲線。70年代末80年代初昆明勘測設計院研制了一臺大型三軸儀，試樣直徑70cm，高度140cm，最大軸向荷載300噸，設計最大側向應力1.5MPa。1993年中國科學院武漢巖土力學研究所采用計

4、算機直接控制和自適應控制技術，研制了一套功能多樣化、體積小的RMT-64巖石力學試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)集巖石單軸、三軸與剪切試驗功能于一體，最大垂直載荷600kN，最大水平靜載荷400kN。葛修潤院士采用該試驗系統(tǒng)，對巖石的I型和型分類進行了研究分析。目前該系統(tǒng)已經(jīng)升級到型號RMT-150C，最大垂直載荷1000kN，最大水平靜載荷500kN，三軸室最高圍壓50MPa，最大壓縮變形量5mm，最大剪切變形量15mm；該設備在一定程度上代表著國內常規(guī)巖石力學室內試驗測試技術水平。3巖石流變力學特性試驗技術巖土工程穩(wěn)定性的時間效應越來越得到人們的注重，許多巖土工程的變形與失穩(wěn)破壞并不是瞬時間立即就發(fā)生的，

5、而是隨時間的推移不斷開展最終完成的。由于流變現(xiàn)象的普遍存在，對巖石流變力學特性的試驗研究是十分必要的。1981年長江辦與長春試驗機廠采用了氣液增壓技術來施加試驗力，共同研制了國內真正意義上第一臺巖石剪切流變儀，該流變儀的參數(shù)是：最大法向壓力150kN、最大剪切力200kN，儀器操作與數(shù)據(jù)測量均為人工手動控制。1982年同濟大學研制了RV-84型巖體弱面剪切流變儀，利用該設備，對完整巖塊、巖石結構面、凍土、軟粘土等的剪切流變以及壓縮流變進行詳細的分析研究。2004年長江科學院與長春市朝陽試驗儀器共同研制出了一臺大噸位、高圍壓微機控制電液伺服巖石三軸流變試驗機RLW-2000微機控制巖石三軸流變儀

6、;，該流變儀最大軸壓10000kN、最大圍壓70MPa，儀器的軸壓和圍壓加載系統(tǒng)均采用閉環(huán)伺服液壓加載方式控制，設計的巖石變形傳感器可以在高圍壓下直接測量巖石的軸向及徑向變形，試驗過程計算機控制全數(shù)字測控器，測控器控制系統(tǒng)的加載裝置。2007年河海大學、法國里爾科技大學與法國國家科研中心共同研發(fā)了一套巖石全自動流變伺服儀。設備由加壓系統(tǒng)、恒定穩(wěn)壓裝置、液壓傳遞系統(tǒng)、壓力室裝置、水壓系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、降溫循環(huán)系統(tǒng)以及自動采集系統(tǒng)組成，可實行全計算機控制與分析、操作全自動化，保證平安、實時、精確的分析流變全過程，自動采集的數(shù)據(jù)可與計算機交換，實現(xiàn)流變全過程數(shù)字化成圖，圍壓的施壓范圍為060MPa，最

7、大偏壓達200MPa，變形測量是由高精度的兩LVDT與一個環(huán)向測量器來測定。該設備體積小、重力輕、精度高、功能全可以用來進行常規(guī)壓縮，流變試驗，溫度應力滲流耦合試驗，化學腐蝕試驗等。2021年同濟大學開發(fā)了一臺節(jié)理剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括法向和切向力加載系統(tǒng)、水壓加載系統(tǒng)和滲流剪切盒3局部；最大法向和切向荷載均為600kN，最大滲透壓力為0.5MPa，可以實現(xiàn)常法向剛度的加載方式，水壓加載系統(tǒng)是用類似針筒注射器;的裝置完成，在試驗過程中可分別測量進水口和出水口處的水壓和流量；滲流剪切盒可以保證節(jié)理在進行剪切滲流試驗中，一定壓力的滲流水會沿指定路徑流過節(jié)理面，且不發(fā)生滲漏。4巖石力學耦合

8、試驗技術5巖石真三軸試驗技術自從默里爾(Murrell，1965)、漢丁(Handin，1967)和茂木清夫(Mogi，1967)等通過三軸圍壓下的壓縮試驗和拉伸試驗的比擬，發(fā)現(xiàn)莫爾包絡線的顯假設差異以后，中主應力對巖石強度的影響引起國內外學者的重視?？紤]到工程巖體所處的應力狀態(tài)多是三維的，三個主應力彼此并不相等，研究模擬天然巖體復雜應力狀態(tài)的巖石真三軸試驗機顯得尤為重要。為了對巖石試件施加真三軸應力，從60年代開始許多學者研制了用三對固體活塞對立方體或長方體巖石試件加三個主應力的試驗裝置。但是，由于試件和固體傳壓件之間的摩阻力的影響，使試驗結果失真而沒有定型推廣。于是，學者們又在改善試件上的

9、應力分布方面進行了攻關并取得一些進展。如霍杰姆和庫克(Hojemcook，1968)研制出了用薄銅液壓囊施加和的巖石真三軸裝置；70年代初，日本東京大學茂木清夫教授Mogi，1969研制成功用液壓施加，其它兩個主應力仍用固體活塞施加、采取適當減摩措施的巖石真三軸壓縮儀，并發(fā)表了多篇國際公認的論文，從此巖石高壓真三軸儀根本定型。隨后，國外的INSTRON、SHIMADZU、MTS等公司憑借其強大研發(fā)能力，在真三軸儀的研制上進一步改良，形成成熟產(chǎn)品。INSTRON公司生產(chǎn)的真三軸儀在世界各地應用較為廣泛。我國真三軸儀的研制始于80年代，水電部中南勘測設計院和湖南省水利水電勘測設計院80年代初開始研

10、制巖石真三軸儀。中科院武漢巖土力學所于1989年成功研制RT3型真三軸儀樣機，該設備最大軸向荷載為200噸，最大橫向荷載為100噸，應變和變形測試精度可以到達0.001mm。1994年武漢水利電力大學研制了國內第一臺帶伺服控制的大型真三軸試驗機DMS-800，該設備能進行三軸及平面應變問題模型試驗，主要用于大型地下洞室群的設計、施工及運營期圍巖穩(wěn)定與支護的研究，試樣為尺寸1000mm的立方體。2005年中國礦業(yè)大學研制了一套能進行巖石三軸拉壓、拉剪等多種組合試驗和對不同加卸載過程進行模擬的真三軸試驗系統(tǒng)。該設備最大壓力450kN，最大拉力75kN。加載方式可以實現(xiàn)三向荷載獨立控制，可單向拉、壓

11、，亦可一向受拉、兩向受壓或三向受壓。試驗數(shù)據(jù)采用靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行采集和處理，由數(shù)據(jù)采集箱、微型計算機及相關的支持軟件組成。此外，重慶大學、吉林工業(yè)大學、成都理工大學、河海大學、香港理工大學等也開展了類似的研究，并有真三軸狀態(tài)下巖石試驗研究成果發(fā)表。但與國外的產(chǎn)品相比擬，國內真三軸儀研究或改造仍處初級階段，設備相對笨重、操作復雜，在壓力伺服控制、軟硬件制作、數(shù)據(jù)自動采集及處理等方面尚存在較大差距。6巖石聲學試驗巖石介質超聲波測試技術是近年來開展起來的一種新技術,它通過測定超聲波穿透巖石或巖體后聲波信號的聲學參數(shù)超聲波波速、衰減系數(shù)、波形、頻率、頻譜、振幅等的變化，間接地了解巖石或巖體的物理力

12、學特性及結構特征，可以確定巖石的動彈性模量、動剪切模量、泊松比等相關參數(shù)，也可以利用超聲波在巖石內傳播的速度對巖石的均一性進行判斷并分級。與靜力學方法相比具有簡便、快捷、可靠、經(jīng)濟及無破損等特點，這種測試技術已得到國內外巖土工程界的廣泛重視。2021年西南石油大學基于實三軸巖石力學測試系統(tǒng)，將實驗機標準的水力壓頭由承壓型聲波換能器替換，換能器縱波激發(fā)中心頻率為960kHz，橫波激發(fā)中心頻率為620kHz，測量精度為0.1s，軸向工作承受壓力可達430MPa；研究低孔低滲砂巖在三軸和單軸加載過程中聲波波速、幅度、頻譜特性的變化特征。巖石受力變形時,在巖體內的孔洞、裂隙及斷層等原生缺陷周圍會促使巖

13、石內微裂紋的產(chǎn)生和擴展貫穿將,使得巖石內儲存的局部能量以應力波的形式突然釋放出來,而產(chǎn)生巖石的聲發(fā)射。聲發(fā)射探測技術就是通過研究材料在破裂過程中釋放出的彈性波的特征來研究材料內部斷裂狀態(tài)和力學特性的一種試驗方法。目前，絕大多數(shù)聲發(fā)射試驗都是基于巖石單軸壓縮或是剪切試驗開展的，國內有許多高校與科研機構都利用常規(guī)的試驗設備配裝上巖石聲發(fā)射信號監(jiān)測儀來完成實時測試，沒有成套的系統(tǒng)。由美國引進的MTS系統(tǒng)，功能強大，測試精度高，配套有聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)可以較好地對聲發(fā)射事件自動計數(shù)、存儲，可與計算機通訊，實現(xiàn)對聲發(fā)射的實時監(jiān)測，并可進行波形和參數(shù)的分析；MTS系統(tǒng)是當前公認的巖石聲發(fā)射測試的理想設備。四川

14、大學、武漢理工大學對MTS系統(tǒng)進行了改良，將聲發(fā)射探頭安裝至軸向壓力頭墊塊內或是壓力室外側壁上，可以實現(xiàn)不同圍壓下巖石三軸聲發(fā)射試驗。7巖石的細觀、微觀測試技術巖石的細觀、微觀測試技術主要包括巖石CT、紅外線、數(shù)字化掃描成像等內容。近年來，計算機斷層識別技術即CT(ComputerizedTomography)技術以其具有無擾動、可多層面分析、機制明確等諸多優(yōu)點受到巖土工程研究者的關注。20世紀80年代初，人們開始將可見光和近紅外衛(wèi)星遙感圖像用于地震活動區(qū)的線形構造和現(xiàn)代構造運動研究；90年代初，國家地震局地球物理研究所將遙感紅外技術應用于巖石力學實驗研究。2001年以來，中國礦業(yè)大學采用紅外

15、輻射探測裝置TVS-8100MK型紅外熱像儀，進行了不同應力路徑條件下巖石破裂過程與失穩(wěn)破壞預兆的研究；該紅外儀該溫度靈敏度為0.025，圖像分辨率為320象素x240象素，圖像采集速率最高可達60F/s。8技術展望隨著許多根底工程建設、水電工程建設、核廢料處理等多項大規(guī)模的工程建設的開工，使得巖土試驗的開展越來越多、越來越廣泛，而且對試驗的要求和試驗難度也越來越高，相應的多種全新的、高檔次、高科技水平的巖土試驗設備相繼被研發(fā)并投入使用。預計以下巖石力學實驗設備會得到進一步的開展與應用：1考慮HTM相互耦合的巖石結構面的剪切流變試驗技術及三軸流變試驗技術；2高溫高壓下巖石室內三軸試驗全過程測試

16、技術；3巖石試驗全過程中的微觀及細觀實時測試技術；室內試驗設備也會一直朝著精確度高、功能強大、穩(wěn)定可靠、智能管理、操作簡便與體積輕便方向開展下去。參考文獻1 徐志英.巖石力學. 北京:中國水利水電出版社,1981,1.2 王思敬.中國巖石力學與工程世紀成就. 南京:河海大學出版社, 2004,9.3 孫 鈞. 迎接新世紀的巖石力學假設干進展. 第五屆全國巖石力學與工程大會論文集, 上海:中國科學技術出版社, 1998:1-10.4 董學晟.水工巖石力學. 北京:中國水利水電出版社,2004,8.5 張永興.巖石力學. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004,7.6 葛修潤,周百海. 巖石力學室內試

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