岩石力学试验新技术和新设备

摘 要： 本文结合最新的岩石力学测试技术，介绍了岩石力学测试技术的试验方法和设备，包括岩石分类回弹试验、岩石耐崩解试验、岩石剪切试验、岩石三轴试验、岩石渗透性试验和岩石三轴流变试验，为岩石力学试验提供了新的方法和依据。

关键词： 岩石力学试验 岩石分类回弹 耐崩解 三轴试验 三轴流变

1.引言

岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学，以及与力学有关现象的一门新兴科学。它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，而且是力学和地学相结合的一个基础学科。人类建造的大量构筑物都是位于地壳岩石之上或之中。随着人类社会的发展，矿业开采的深度越来越深，建筑物、水坝、地下硐室、露天开采等的规模越来越大，遇到的恶劣地质环境如不良岩体、断层破碎带、软弱夹层等也越来越多。岩石力学就是在这种背景下于近几十年内发展起来的一门学科。其研究目的，就是要了解岩石的物理―力学性能，查明工程岩体中的应力和变形状态，以解决国民经济建设中各工程部门所遇到的硐室、隧道、边坡、坝基等的安全和稳定问题。因此，岩石力学在地学领域中也占有重要的地位。岩石中存在着大量不同尺度的不连续面，如裂隙、节理、断层等。岩石的这些特点决定了岩石力学研究对象的复杂性。

人类对岩石的力学性状的认识是从试验开始的，岩石力学理论的形成、发展与试验方法息息相关。岩石的力学性态包括岩石在所处物理、化学环境下的强度、变形及其动力学特性和渗透性等。岩石力学性态的研究方法主要是现场和室内试验。现场试验有测量岩体原位变形性能和强度性能的承压板试验和剪切试验、现场三轴压缩试验和岩体渗透性试验等；室内试验有单轴压缩、三轴压缩、单轴拉伸、直接剪切、渗透试验等。现场试验在工程现场对岩体进行，室内试验在实验室内用规定尺寸的岩块试件在模拟的温、压条件下进行，在试件受力变形过程中测量其各种力学量之间的关系。通过试验可以测出岩体和岩块的弹性常数E、v和各种强度值，以及渗透系数k等。对实验数据进行处理和分析，可以得出岩石的破坏准则、屈服条件和表示应力、应变、温度、时间等之间关系的本构方程。目前对岩石较常用的破坏准则有库仑准则、莫尔准则和格里菲斯准则，屈服条件有特雷斯卡屈服条件、德鲁克―普拉格屈服条件、莫尔―库仑屈服条件等。至于岩石的本构方程，除了熟知的胡克定律之外，还有反映岩石弹塑性、黏弹性、粘塑性和粘弹塑性性能的诸多本构方程。

本文主要介绍了岩石力学测试的最新方法和相关仪器设备。

2.试验方法及设备

2.1岩石分类回弹试验

岩石分类回弹试验用于岩石分类，如图1所示。通常将圆柱形的岩芯放在水平位置，锤击岩芯以获得回弹数据。可沿着芯的长度获取一系列数据以得到平均回弹值。

试验仪器：岩石分类回弹仪

产品型号：45―D0561

生产厂商：意大利Controls公司

Fig.1 Rock category rebound testing system

2.2 岩石耐崩解试验

目前国内外关于岩石崩解性的试验有两种：耐崩解性试验和普通崩解试验。耐崩解试验方法的规范主要有国际岩石力学学会（ISRM）1979年建议的方法和1999年的中国工程岩体试验方法标准（GB/T50266―99）中的耐崩解性试验方法，这两种试验规程大致相同，均是将试验样品在105℃―110℃下烘干2―6小时冷却，放入孔径为2mm的金属网圆筒中，置入水中以20r/min的速度转动10分钟，取出样品烘干称量，之后循环做一次，最后用原样品的烘干质量和残留样品烘干质量求出岩石耐崩解指数。图2所示为岩石耐崩解仪。

试验仪器：岩石耐崩解仪

产品型号：45-D0546

生产厂商：意大利Controls公司

Fig.2Rock slake-durability testing system

该设备可以测量岩石由于干湿交替后，抵抗崩解的耐久性能。该设备包括一个装在基座上的驱动装置，该驱动装置以每分钟20转的速度带动2―4个鼓形试验箱。箱内注水，水位低于轴线20mm。试验箱体由2mm丝网制成，直径140mm，长度100mm。

2.3岩石剪切试验

岩石的抗剪强度是岩石对剪切破坏的极限抵抗能力。通常采用快速直剪试验测定岩石的抗剪强度。此试验一般可测定：a.混凝土与岩石胶结面的抗剪强度；b.岩石软弱结构面（包括夹泥和不夹泥的层面，节理裂缝面和断层带等）的抗剪强度；c.岩石本身的抗剪强度。试验时岩石的含水状态可根据需要采用天然含水状态、饱和状态或其他含水状态。

试验仪器：岩石剪切试验系统

产品型号：RSI-ShearTrac-Ⅱ

生产厂商：美国Geocomp公司

Fig.3 Rock shear testing system

岩石剪切系统（RSI）是通用的系统，如图3所示，可以完成天然或人工岩石节理的固结和剪切过程，岩样直径最大达83mm。

该系统包括计算机控制的单元，该单元利用微步进马达来控制和施加垂直荷载和水平位移。内置的电子元件控制试验并实时显示数据。在最新的Windows平台下运行电脑控制的程序。程序可以显示最新的当前的状态并实时绘制试验过程的图形。系统也允许操作者在试验过程中的任意阶段改变试验过程和状态。

适用的试验标准：

Fig.4 Relationship between shear force and shear displacement in rock

2.4 岩石三轴试验

岩石三轴压缩试验（简称三轴试验），实质是对处于三向受压环境中的地壳岩体的力学性状的一种模拟。相对于其它一些所谓的常规实验，三轴实验属较复杂的高级实验，它可以获取相应于岩体不同围压（或深度）的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比，以及准确的凝聚力C和内摩擦角等数据。若使用三轴侍服压力机，还能得到应力―应变（σ―ε）的全程曲线，进而获得岩石的残余应力、永久变形数据等。这些都是一些重大工程建设、岩石力学和某些地学项目研究及应用中必不可少的重要参数。

试验仪器：岩石三轴试验仪

生产厂商：瑞士W+B公司

Fig.5 Rock triaxial compression testing system

本系统可以研究岩石的无侧向刚度压缩测试、三轴测试、弯曲测试、直接拉伸、压碎测试，研究岩石的无侧向刚度压缩测试、三轴测试、弯曲测试、直接拉伸、压碎测试、蠕变测试等。

在岩石力学测试领域，W＋B提供的高刚度测试系统的最大测试范围可以达到10000kN。W＋B还可以提供不同的稳压加强系统，数字式控制器提供附加的通道用于数据采集，以及多通道控制功能，此外还可以提供其他的岩石测试系统，以及各种制样工具。

使用W+B岩石三轴试验仪进行了岩石三轴试验。岩样采自石太铁路客运专线太行山隧道工程施工现场，为膏溶角砾岩。其外观多呈灰白至黄褐色，由角砾和粘土矿物胶结而成。经X射线粉晶衍射分析，主要矿物成分和含量为石英35%，方解石20%，伊利石15%，绿泥石15%，白云石10%，长石5%。岩样从施工现场封装运回后，采用干法加工成50mm×100mm的标准试件。

下图所示为岩石三轴试验应力―应变关系曲线：

Fig.6 Relationship between stress and strain in rock

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2.5 岩石渗透性试验

渗透率表征岩石通过流体的能力，是液体矿藏勘探和开采必须研究的主要参数之一，也是水域工程要着力研究的参数。岩石的渗透特性不但与岩石的孔隙结构，孔隙连通状况密切相关，而且和通过岩石孔隙的流体性质有直接的关系［３］。室内渗透性测试方法主要可分为两大类：一类是稳压法，即测试过程保持试样两端水压差不变。另一类是压力脉冲法，其通过测量试样两端容器水压力差随时间的变化来测定岩石的渗透性，不需要测量流量［４］。

岩石渗透性试验仪测定岩石的渗透系数，能反映岩石微裂缝的发育程度。岩石渗透性试验仪用于测试在三轴室内受高围压作用的岩石试样的渗透性。试样的水力梯度通过恒压系统提供，流过试样的水通过量管收集。包括：恒压系统、三轴室、渗透上帽、量管、支架等。岩石渗透性试验仪提供了可以无限细分的稳定围压，与Hoke三轴室合用，用于在室内测量岩石试样在有围压条件下的渗透性。

试验仪器：岩石渗透性试验仪

生产厂商：意大利Controls公司

岩石渗透性试验仪恒压系统分为油和水恒压系统，如图7所示。最大输出压力3500kPa，压力范围：0―3500kPa，岩石三轴室的最大试样尺寸54.74×100mm。

Fig.7Rock permeability testing system

2.6 岩石三轴流变试验

岩石流变力学试验不仅是了解岩石流变力学特性的最重要手段，而且是构建岩石流变本构模型的重要基础。水利水电工程高坝坝基大多建于硬岩岩基上，高坝的建设往往伴随着岩石高陡边坡和大型地下洞室群的岩石工程问题，为了预测岩石工程的长期稳定性，有必要开展硬岩的流变力学特性研究尤其是三轴流变试验研究［５］。

试验仪器：岩石三轴流变试验系统

生产厂商：法国TOP INDUSTRIE公司

三轴流变仪是由法国Top Industrie公司生产，由控制系统、油源、轴压系统、围压系统、渗流系统、温度系统六个部分及各种传感器组成，传感器部分包括位移、载荷、压力、温度等专业测量元件，主要用于开展岩石类材料在应力、温度、渗流、化学腐蚀耦合条件下的流变试验。可以完成的试验：单轴压缩试验、单轴压缩流变试验、三轴压缩试验、三轴压缩流变试验、高温三轴压缩试验、高温三轴流变试验、孔隙水压三轴压缩试验、化学溶液渗流三轴压缩试验。

主要技术参数：

试样尺寸：Φ20×40mm、Φ37.5×75mm、Φ50×100mm

最大轴压：600kN

最大围压：60MPa

温度：常温～90℃

最大渗透压力：60MPa

试验力长时间稳定度＜±2％

连续工作时间＞1200小时

3.结语

本文介绍了岩石力学试验的最新进展和试验方法，以及相应的试验设备，为岩石力学试验提供了依据和参考。

参考文献：

［1］傅冰骏.岩石力学研究的现状和未来［C］.全国岩土与工程学术大会报告，2003.

［2］李亚林，高雷，郭德顺.岩石三轴压缩实验的强度特性及应用［J］.华南地震，2006，12，（4）：73-78.

［3］胡江春，王红芳，何满潮等.岩石的渗透特性试验研究［J］.中原工学院学报，2006，17，（3）：1-3.

［4］黄润秋，徐德敏，付小敏等.岩石高压渗透试验装置的研制与开发［J］.岩石与力学工程学报，2008，27，（10）：1981-1992.

［5］杨圣奇.岩石流变力学特性的研究及其工程应用［D］.南京：河海大学，2006..

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