岩石力学室内试验技术的若干进展

1、岩石力学室内试验技术的假设干进展论文摘要：室内岩石力学试验是了解岩石力学特性的重要途径，其具有可以进行长期观测、能够严格控制试验环境的条件、可以排除次要的影响因素、花费少等优点，在岩石力学学科的开展中起着重要作用。本文将就岩石力学常规试验技术、岩石流变试验技术、岩石力学耦合试验技术、细观及微观测试技术等方面的进展做了详细介绍，并就下一步的可能开展方向做了展望。论文关键词：岩石,力学,室内,试验,技术1前言岩石材料具较为明显的非线弹性、非均一性、空间各向异性与不连续性等特点，其是在十分复杂的物理化学作用下由多种矿物成分组合而成的，其中各种矿物成分颗粒的晶格排列、力学性质及其相互间连接方式都存在着

2、差异，这些都决定了岩石的复杂的力学特性。随着人类对大自然改造步伐的加速，各类涉及水利、土木、交通与国防的大型岩土工程的施工建设，所遇到的相应岩石力学问题也越来越复杂。室内岩石力学试验是了解岩石力学特性的重要途径，其具有可以进行长期观测、能够严格控制试验环境的条件、可以排除次要的影响因素、物资设备允许屡次重复使用与花费耗材相对较少等优点，因此室内岩石力学试验开展的十分普遍。随着科学技术开展的日新月异，许多新技术、新材料和新方法都被应用于室内岩石力学试验，不断推动着室内岩石力学试验测试技术与仪器设备的更新换代。本文将就岩石力学室内试验技术的假设干进展进行2岩石力学性质常规试验技术试验是理论联系实际

3、，实践验证理论的一条纽带，为了解岩石强度与负荷变形等根本性质，通常对岩石试样进行单轴压缩、三轴压缩和剪切试验。由于技术、材料等方面的原因，国内试验设备制造起步较晚。1964年由长春材料试验机厂研制的长江-500型岩石试验机是当时国内大型岩石三轴压缩试验设备的代表，其轴向最大载荷为500吨，侧向最大压力为1500公斤/厘米；长江-500型岩石试验机能够测试岩石在围压下的强度，但无法给出加载过程中的应力-应变曲线。70年代末80年代初昆明勘测设计院研制了一台大型三轴仪，试样直径70cm，高度140cm，最大轴向荷载300吨，设计最大侧向应力1.5MPa。1993年中国科学院武汉岩土力学研究所采用计

4、算机直接控制和自适应控制技术，研制了一套功能多样化、体积小的RMT-64岩石力学试验系统，该系统集岩石单轴、三轴与剪切试验功能于一体，最大垂直载荷600kN，最大水平静载荷400kN。葛修润院士采用该试验系统，对岩石的I型和型分类进行了研究分析。目前该系统已经升级到型号RMT-150C，最大垂直载荷1000kN，最大水平静载荷500kN，三轴室最高围压50MPa，最大压缩变形量5mm，最大剪切变形量15mm；该设备在一定程度上代表着国内常规岩石力学室内试验测试技术水平。3岩石流变力学特性试验技术岩土工程稳定性的时间效应越来越得到人们的注重，许多岩土工程的变形与失稳破坏并不是瞬时间立即就发生的，

5、而是随时间的推移不断开展最终完成的。由于流变现象的普遍存在，对岩石流变力学特性的试验研究是十分必要的。1981年长江办与长春试验机厂采用了气液增压技术来施加试验力，共同研制了国内真正意义上第一台岩石剪切流变仪，该流变仪的参数是：最大法向压力150kN、最大剪切力200kN，仪器操作与数据测量均为人工手动控制。1982年同济大学研制了RV-84型岩体弱面剪切流变仪，利用该设备，对完整岩块、岩石结构面、冻土、软粘土等的剪切流变以及压缩流变进行详细的分析研究。2004年长江科学院与长春市朝阳试验仪器共同研制出了一台大吨位、高围压微机控制电液伺服岩石三轴流变试验机RLW-2000微机控制岩石三轴流变仪

6、;，该流变仪最大轴压10000kN、最大围压70MPa，仪器的轴压和围压加载系统均采用闭环伺服液压加载方式控制，设计的岩石变形传感器可以在高围压下直接测量岩石的轴向及径向变形，试验过程计算机控制全数字测控器，测控器控制系统的加载装置。2007年河海大学、法国里尔科技大学与法国国家科研中心共同研发了一套岩石全自动流变伺服仪。设备由加压系统、恒定稳压装置、液压传递系统、压力室装置、水压系统、恒温系统、降温循环系统以及自动采集系统组成，可实行全计算机控制与分析、操作全自动化，保证平安、实时、精确的分析流变全过程，自动采集的数据可与计算机交换，实现流变全过程数字化成图，围压的施压范围为060MPa，最

7、大偏压达200MPa，变形测量是由高精度的两LVDT与一个环向测量器来测定。该设备体积小、重力轻、精度高、功能全可以用来进行常规压缩，流变试验，温度应力渗流耦合试验，化学腐蚀试验等。2021年同济大学开发了一台节理剪切渗流耦合试验系统，该系统包括法向和切向力加载系统、水压加载系统和渗流剪切盒3局部；最大法向和切向荷载均为600kN，最大渗透压力为0.5MPa，可以实现常法向刚度的加载方式，水压加载系统是用类似针筒注射器;的装置完成，在试验过程中可分别测量进水口和出水口处的水压和流量；渗流剪切盒可以保证节理在进行剪切渗流试验中，一定压力的渗流水会沿指定路径流过节理面，且不发生渗漏。4岩石力学耦合

8、试验技术5岩石真三轴试验技术自从默里尔(Murrell，1965)、汉丁(Handin，1967)和茂木清夫(Mogi，1967)等通过三轴围压下的压缩试验和拉伸试验的比拟，发现莫尔包络线的显假设差异以后，中主应力对岩石强度的影响引起国内外学者的重视。考虑到工程岩体所处的应力状态多是三维的，三个主应力彼此并不相等，研究模拟天然岩体复杂应力状态的岩石真三轴试验机显得尤为重要。为了对岩石试件施加真三轴应力，从60年代开始许多学者研制了用三对固体活塞对立方体或长方体岩石试件加三个主应力的试验装置。但是，由于试件和固体传压件之间的摩阻力的影响，使试验结果失真而没有定型推广。于是，学者们又在改善试件上的

9、应力分布方面进行了攻关并取得一些进展。如霍杰姆和库克(Hojemcook，1968)研制出了用薄铜液压囊施加和的岩石真三轴装置；70年代初，日本东京大学茂木清夫教授Mogi，1969研制成功用液压施加，其它两个主应力仍用固体活塞施加、采取适当减摩措施的岩石真三轴压缩仪，并发表了多篇国际公认的论文，从此岩石高压真三轴仪根本定型。随后，国外的INSTRON、SHIMADZU、MTS等公司凭借其强大研发能力，在真三轴仪的研制上进一步改良，形成成熟产品。INSTRON公司生产的真三轴仪在世界各地应用较为广泛。我国真三轴仪的研制始于80年代，水电部中南勘测设计院和湖南省水利水电勘测设计院80年代初开始研

10、制岩石真三轴仪。中科院武汉岩土力学所于1989年成功研制RT3型真三轴仪样机，该设备最大轴向荷载为200吨，最大横向荷载为100吨，应变和变形测试精度可以到达0.001mm。1994年武汉水利电力大学研制了国内第一台带伺服控制的大型真三轴试验机DMS-800，该设备能进行三轴及平面应变问题模型试验，主要用于大型地下洞室群的设计、施工及运营期围岩稳定与支护的研究，试样为尺寸1000mm的立方体。2005年中国矿业大学研制了一套能进行岩石三轴拉压、拉剪等多种组合试验和对不同加卸载过程进行模拟的真三轴试验系统。该设备最大压力450kN，最大拉力75kN。加载方式可以实现三向荷载独立控制，可单向拉、压

11、，亦可一向受拉、两向受压或三向受压。试验数据采用静态应变测试系统进行采集和处理，由数据采集箱、微型计算机及相关的支持软件组成。此外，重庆大学、吉林工业大学、成都理工大学、河海大学、香港理工大学等也开展了类似的研究，并有真三轴状态下岩石试验研究成果发表。但与国外的产品相比拟，国内真三轴仪研究或改造仍处初级阶段，设备相对笨重、操作复杂，在压力伺服控制、软硬件制作、数据自动采集及处理等方面尚存在较大差距。6岩石声学试验岩石介质超声波测试技术是近年来开展起来的一种新技术,它通过测定超声波穿透岩石或岩体后声波信号的声学参数超声波波速、衰减系数、波形、频率、频谱、振幅等的变化，间接地了解岩石或岩体的物理力

12、学特性及结构特征，可以确定岩石的动弹性模量、动剪切模量、泊松比等相关参数，也可以利用超声波在岩石内传播的速度对岩石的均一性进行判断并分级。与静力学方法相比具有简便、快捷、可靠、经济及无破损等特点，这种测试技术已得到国内外岩土工程界的广泛重视。2021年西南石油大学基于实三轴岩石力学测试系统，将实验机标准的水力压头由承压型声波换能器替换，换能器纵波激发中心频率为960kHz，横波激发中心频率为620kHz，测量精度为0.1s，轴向工作承受压力可达430MPa；研究低孔低渗砂岩在三轴和单轴加载过程中声波波速、幅度、频谱特性的变化特征。岩石受力变形时,在岩体内的孔洞、裂隙及断层等原生缺陷周围会促使岩

13、石内微裂纹的产生和扩展贯穿将,使得岩石内储存的局部能量以应力波的形式突然释放出来,而产生岩石的声发射。声发射探测技术就是通过研究材料在破裂过程中释放出的弹性波的特征来研究材料内部断裂状态和力学特性的一种试验方法。目前，绝大多数声发射试验都是基于岩石单轴压缩或是剪切试验开展的，国内有许多高校与科研机构都利用常规的试验设备配装上岩石声发射信号监测仪来完成实时测试，没有成套的系统。由美国引进的MTS系统，功能强大，测试精度高，配套有声发射监测系统可以较好地对声发射事件自动计数、存储，可与计算机通讯，实现对声发射的实时监测，并可进行波形和参数的分析；MTS系统是当前公认的岩石声发射测试的理想设备。四川

14、大学、武汉理工大学对MTS系统进行了改良，将声发射探头安装至轴向压力头垫块内或是压力室外侧壁上，可以实现不同围压下岩石三轴声发射试验。7岩石的细观、微观测试技术岩石的细观、微观测试技术主要包括岩石CT、红外线、数字化扫描成像等内容。近年来，计算机断层识别技术即CT(ComputerizedTomography)技术以其具有无扰动、可多层面分析、机制明确等诸多优点受到岩土工程研究者的关注。20世纪80年代初，人们开始将可见光和近红外卫星遥感图像用于地震活动区的线形构造和现代构造运动研究；90年代初，国家地震局地球物理研究所将遥感红外技术应用于岩石力学实验研究。2001年以来，中国矿业大学采用红外

15、辐射探测装置TVS-8100MK型红外热像仪，进行了不同应力路径条件下岩石破裂过程与失稳破坏预兆的研究；该红外仪该温度灵敏度为0.025，图像分辨率为320象素x240象素，图像采集速率最高可达60F/s。8技术展望随着许多根底工程建设、水电工程建设、核废料处理等多项大规模的工程建设的开工，使得岩土试验的开展越来越多、越来越广泛，而且对试验的要求和试验难度也越来越高，相应的多种全新的、高档次、高科技水平的岩土试验设备相继被研发并投入使用。预计以下岩石力学实验设备会得到进一步的开展与应用：1考虑HTM相互耦合的岩石结构面的剪切流变试验技术及三轴流变试验技术；2高温高压下岩石室内三轴试验全过程测试

16、技术；3岩石试验全过程中的微观及细观实时测试技术；室内试验设备也会一直朝着精确度高、功能强大、稳定可靠、智能管理、操作简便与体积轻便方向开展下去。参考文献1 徐志英.岩石力学. 北京:中国水利水电出版社,1981,1.2 王思敬.中国岩石力学与工程世纪成就. 南京:河海大学出版社, 2004,9.3 孙 钧. 迎接新世纪的岩石力学假设干进展. 第五届全国岩石力学与工程大会论文集, 上海:中国科学技术出版社, 1998:1-10.4 董学晟.水工岩石力学. 北京:中国水利水电出版社,2004,8.5 张永兴.岩石力学. 北京:中国建筑工业出版社,2004,7.6 葛修润,周百海. 岩石力学室内试

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