岩石力学试验新技术和新设备

黄小林

摘要：人类对岩石力学性质的认识始于实验，岩石力学理论的形成和发展与测试方法密切相关。岩石的机械特性包括其在物理和化学环境中的强度、变形、动力学和渗透性。岩石力学是利用力学原理和方法研究岩石力学及与力学有关的现象的一门新科学。它不仅与国民经济基础设施、资源开发、环境保护、减灾防灾等密切相关，而且具有重要的实用价值，是与地球科学相结合的基础学科。许多人造结构位于地壳岩石之上或之中。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测试方法和设备，包括岩石分类斥力试验、岩石坍塌试验、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。

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

引言

随着人类社会的发展，采矿的深度越来越深，建筑物、水坝、地下开挖、露天采矿的规模越来越大。岩石力学是近几十年来在这种背景下发展起来的一门学科。研究的目的是了解岩石的物理力学特性，了解工程岩体的应力应变条件，以解决腔室、隧道、边坡、坝基等问题。各工程部门在国民经济建设中的安全稳定问题。因此，岩石力学在地球科学领域也占有重要地位。岩石有许多不同尺度的不连续性，如裂缝、节理和断层。岩石的这些性质决定了岩石力学研究对象的复杂性。

岩石力学特性的研究方法主要是现场和室内试验。现场试验包括支撑板试验和剪切试验，测量基岩的原位变形能力和强度性能，现场三轴压缩试验和岩石渗透试验，室内试验包括单轴压缩、三轴压缩、单轴拉伸膨胀和收缩，在工程现场对岩石进行直剪、贯入试验等现场试验，室内试验在实验室模拟温度和压力条件下，对规定尺寸的岩块试件进行室内试验，在试验期间测量试样的机械量。试件受力与变形过程的关系。通过试验，可以测得岩石的弹性常数E、v，以及各种强度值和渗透系数k。可以对实验数据进行处理和分析，以获得失效准则、屈服条件以及应力、应变、温度和时间之间关系的本构方程。目前，常用的岩石断裂判据有库仑判据、莫尔判据和格里菲斯判据。除了众所周知的胡克定律外，还有许多反映岩石弹性、粘弹性、粘弹性和粘弹性特性的本构方程。本文主要介绍最新的岩石动力学试验方法及相关仪器设备。

一、 测试目标和步骤

试验的主要目的是获得试件的单轴抗压强度、根据各种载荷循环的单轴压缩峰值强度、内摩擦角、内聚力、弹性模量、泊松比和应力-应变关系曲线，并为后续研究微裂纹体积应变在加载过程中的变化规律提供相关数据。

（1） 选取一个试验岩样，用游标卡尺测量岩样上下径两次，长度测量两次，并作相关记录计算。岩样试验前取岩样的平均直径和平均长度（2） 岩样放置在试验机承载板的中心（3） 轴向和径向引伸计安装如下.每个引伸计脚与岩样表面充分接触，引伸针长度在正常范围内（4） 施加位移控制载荷，设置必要的参数，启动高压启动载荷和试验全过程数据采集系统自动采集载荷和应变值，停止试验，直至岩样失效，取出岩样，拍照，记录说明。

二、单轴压缩试验

为了了解岩石的基本性质，首先采集了三个岩石样品，进行了常规的三轴压缩试验，应力应变曲线可以分为以下几个步骤：（1）初始压缩阶段：应力-应变曲线略微向上，切向斜率逐渐增大，但接近弹性。它通常不会导致不可恢复的突变。在单轴应力状态下，这一步很重要，而在常规三轴应力状态下，随着约束压力的增加，岩样内部的微裂纹等初始缺陷在约束压力的作用下被大大压缩。如果看图中的应力-径向应变关系曲线，可以看出该阶段岩石的径向变形不明显有。 （2）弹性变形阶段：岩样处于稳定加载状态，应力应变曲线接近直线，类似于线弹性工作阶段，但不是严格的线弹性。这一步主要涉及基础可恢复弹性变形，但也有少量不可恢复的塑性变形。（3）非弹性变形阶段：该阶段的起点称为屈服点，直至应力-应变曲线向下弯曲，切向斜率逐渐减慢。新的裂纹通常在最大应力下出现在内部。即使应力在这个阶段没有变化，由于开裂过程引起的显着应力集中，微裂纹继续扩展。在发生的变形中，不可逆塑性变形逐渐增加，径向应变的变化率明显高于轴向应变的变化率。对于脆性岩石，随着约束压力的增加，这一阶段变得越来越明显。 （4）断裂阶段：当应力达到最大强度时，岩石进入断裂阶段后应力-应变曲线的切线斜率由0变为负值，岩石强度迅速下降。这一阶段的岩体形成过程称为破裂过程，当岩体完全失去承载力时，就认为是破坏。随着约束压力的增加，该阶段的变形逐渐从脆性变为韧性。

三、3T循环单轴压缩试验

采用循环荷载试验方法对被试岩石的阻尼比和阻尼系数进行试验试验和计算分析的综合讨论。在第一个加载和卸载循环中，轴向塑性应变分别约为0.0015%、0.0025% 和0.0018%。加载截面曲线和卸载截面曲线形成一个滞后回线。在第一次加载和卸载循环完成時，由于每组试样的阻尼特性，大面积的典型动态应力-应变曲线表明，动态应变随着加载和卸载循环的增加而增加。表明塑性变形随周期增加而增大，但相比之下，当动应力幅值和动应力周期相等时，砂岩得到的滞后回线比较接近，是一个“密集”的滞后回线。同时，经过第二次振荡周期后，砂岩的装卸循环形成的滞后回线的面积总是大于前一次砂岩得到的滞后回线的面积。同时，发现每个周期都会产生一个磁滞回线。这意味着每个力循环都会产生能量损失。所以负载循环越多，能量损失就越多。大部分能量损失发生在从卸载到加载的过程中，而在从加载到卸载的过程中几乎没有发生能量损失。

结语

从建筑模型和能量分析的角度研究岩石与我们通常对岩石的看法不同，从而为相关岩石问题的研究发展了新的思路。同时，在得到岩石的结构方程后，通过应力应变曲线对岩石的能量转换进行计算分析，从微观的角度了解岩石的变形和断裂全过程并加以控制。通过控制岩石能量的转化方式来破坏岩石。岩石能量演化理论是岩石力学的一个新领域，具有广阔的应用前景。

参考文献：

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