巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展

　　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(diǎn)，其是在十分復(fù)雜的物理化學(xué)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(xué)性質(zhì)及其相互間連接方式都存在著差異，這些都決定了巖石的復(fù)雜的力學(xué)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(shè)，所遇到的相應(yīng)巖石力學(xué)問題也越來越復(fù)雜。室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)是了解巖石力學(xué)特性的重要途徑，其具有可以進(jìn)行長期觀測、能夠嚴(yán)格控制試驗(yàn)環(huán)境的條件、可以排除次要的影響因素、物資設(shè)備允許多次重復(fù)使用與花費(fèi)耗材相對較少等優(yōu)點(diǎn)，因此室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)開展的十分普遍。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，許多新技術(shù)、新材料和新方法都被應(yīng)用于室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，不斷推動著室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)測試技術(shù)與儀器設(shè)備的更新?lián)Q代。本文將就巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)的若干進(jìn)展進(jìn)行

　　2巖石力學(xué)性質(zhì)常規(guī)試驗(yàn)技術(shù)

　　試驗(yàn)是理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)踐驗(yàn)證理論的一條紐帶，為了解巖石強(qiáng)度與負(fù)荷變形等基本性質(zhì)，通常對巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮、三軸壓縮和剪切試驗(yàn)。由于技術(shù)、材料等方面的原因，國內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備制造起步較晚。1964年由長春材料試驗(yàn)機(jī)廠研制的長江-500型巖石試驗(yàn)機(jī)是當(dāng)時(shí)國內(nèi)大型巖石三軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備的代表，其軸向最大載荷為500噸，側(cè)向最大壓力為1500公斤/厘米;長江-500型巖石試驗(yàn)機(jī)能夠測試巖石在圍壓下的強(qiáng)度，但無法給出加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。70年代末80年代初昆明勘測設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)最大側(cè)向應(yīng)力1.5MPa。1993年中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所采用計(jì)算機(jī)直接控制和自適應(yīng)控制技術(shù)，研制了一套功能多樣化、體積小的RMT-64巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集巖石單軸、三軸與剪切試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)，對巖石的I型和Ⅱ型分類進(jìn)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(shè)備在一定程度上代表著國內(nèi)常規(guī)巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)測試技術(shù)水平。

　　3巖石流變力學(xué)特性試驗(yàn)技術(shù)

　　巖土工程穩(wěn)定性的時(shí)間效應(yīng)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(shí)間立即就發(fā)生的，而是隨時(shí)間的推移不斷發(fā)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(xué)特性的試驗(yàn)研究是十分必要的。

　　1981年長江辦與長春試驗(yàn)機(jī)廠采用了氣液增壓技術(shù)來施加試驗(yàn)力，共同研制了國內(nèi)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(jì)大學(xué)研制了RV-84型巖體弱面剪切流變儀，利用該設(shè)備，對完整巖塊、巖石結(jié)構(gòu)面、凍土、軟粘土等的剪切流變以及壓縮流變進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

　　2004年長江科學(xué)院與長春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司共同研制出了一臺大噸位、高圍壓微機(jī)控制電液伺服巖石三軸流變試驗(yàn)機(jī)“RLW-2000微機(jī)控制巖石三軸流變儀”，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(shè)計(jì)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(yàn)過程計(jì)算機(jī)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(xué)、法國里爾科技大學(xué)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(shè)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(shí)行全計(jì)算機(jī)控制與分析、操作全自動化，保證安全、實(shí)時(shí)、精確的分析流變?nèi)^程，自動采集的數(shù)據(jù)可與計(jì)算機(jī)交換，實(shí)現(xiàn)流變?nèi)^程數(shù)字化成圖，圍壓的施壓范圍為0～60MPa，最大偏壓達(dá)200MPa，變形測量是由高精度的兩LVDT與一個(gè)環(huán)向測量器來測定。該設(shè)備體積小、重力輕、精度高、功能全可以用來進(jìn)行常規(guī)壓縮，流變試驗(yàn)，溫度應(yīng)力滲流耦合試驗(yàn)，化學(xué)腐蝕試驗(yàn)等。

　　2008年同濟(jì)大學(xué)開發(fā)了一臺節(jié)理剪切–滲流耦合試驗(yàn)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部分;最大法向和切向荷載均為600kN，最大滲透壓力為0.5MPa，可以實(shí)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(yàn)過程中可分別測量進(jìn)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(jìn)行剪切滲流試驗(yàn)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(xué)耦合試驗(yàn)技術(shù)

　　80年代開始，隨著在核廢料地質(zhì)處置庫研究的需求，國內(nèi)外學(xué)者開始了熱(Thermal)、液(Hydraulic)、力(Mechanical)及其相互耦合條件下巖石力學(xué)特性研究，并研制或改造成功了一些試驗(yàn)設(shè)備。