岩石力学试验技术

岩石力学现场试验技术

【摘要】：岩体现场试验成为岩石工程设计和施工中必不可少的了解岩体力学性能的手段[]1，本文通过对岩体现场试验的总结，全面的认识了岩石力学当中岩

体的现场试验技术。只有深入正确的认识了岩体的试验技术，才能更好地解决工程当中的一些实际问题，因此，岩体的现场试验对研究岩石力学以及工程有着十分重要意义。岩石的力学性质，一方面取决于它的受力条件，另一方面还受岩体的地质特征及其赋存环境的影响。通过岩体的现场试验，可以更好的了解岩石的力学性能。

【关键词】：岩石力学，现场试验技术，流变特性，物理模型 1引言

岩石力学试验及其试验技术是岩石专业中最基本的内容，是岩石力学理论

及其工程应用研究的基础。我国的岩石力学试验研究工作最早起步于1958年三峡工程的岩石力学试验研究，1958年6月国家科委决定组织中国科学院、水利电力部、建工部等部门的下属单位及相关高等院校协作攻关，并于同年成立了三峡岩基专题研究组，为我国岩石力学试验技术的发展以及对岩石力学研究工作的

重视和促进奠定了基础[]2。半个世纪以来，岩石力学岩石力学试验及其试验技术

的研究为解决我国水利、能源、交通、矿山、人防、和铁道领域工程中的岩石力学问题作出了重大贡献；另一方面，随着工程实践的积累和深入，岩石力学试验技术也在不断的完善与发展。

2 试验技术

早期人们对岩石的认识是建立在室内岩石力学试验基础上的，随着科学技术的发展和岩石力学研究的不断深入，人们认识到室内岩石力学试验并不能完全代表工程岩体的力学性能。主要原因是由于漫长的地质年代经受多次的构造运动作用和侵蚀、剥蚀、风化作用，在岩

体中有许多的结构面，其产状、规模和性状各不相同。岩体可以看做是不连续面与岩块结构复合体，不连续结构面的存在大大降低了岩体的力学性能。所以，室内岩块试验与现场岩体试验有很大的差别。岩体的现场试验可以按多种形式分类，比如可以按照受力方式、受荷过程测试参数等进行分类。但总的来说，岩体现场试验可以为动力学试验和静力学试验二大类。静力试验包括岩体变形试验、现场岩体强度试验、岩体应力测试和岩体原位观测。动力学岩体现场试验主要是岩体波动试验，这是一种间接的测试方法，通过测试岩体的动力学参数间接推测岩体的力学参数，它可以预测岩体的强度变形参数、岩体的地应力、岩体的完整性及内部结构等等，由于这种方法对岩体的扰动比静力法小并且成本比较低廉、操作方便，所以这将逐渐成为岩体现场试验的主要发展方向。

2.1 岩体现场变形试验

岩体变形试验主要用来测定岩体的变形指标，比如变形模量、泊松比等等。

主要有承压板法、钻孔变形测量法、狭缝法、隧洞压水变形、单轴压缩法和三轴压缩法等。其中以承压板法、钻孔变形测量法和三轴压缩法比较好。但他们各自有自己的优点和缺点。承压板法方法简单易做、与岩体的实际状态比较接近，它可以适用于各类岩体。但承压板刚度不容易确定，计算公式均质的连续介质与实际出入比较大。狭缝法的设备轻便、安装简单，但这种方法只能在测岩体表层，较高的压力下岩体易产生裂缝，所以压力比较高，这种方法一般只适用于低压条件。钻孔变形测量法扰动岩体比较小，不用挖试验洞。可以利用已有的钻孔设备轻便，可以在岩体声部进行,它的缺点是孔小，影响岩体的范围小，沿钻孔方向不能求得弹性模量、孔壁光洁度要求比较高，它适用于，连续介质岩体。水压隧洞法可以直接求得洞壁围岩的承载力、受力面积大、代表性强。同时还可以代替结构试验。它比较费时间、费力、工程量比较大、变形测量比较困难。

2.2 岩石流变力学特性试验

岩石的流变性质试验设备的研制和开发一直为学术界及工程界所

重视。198年，长江科学院与长春试验机厂采用了气液增压技术施加试验力，共同研发了国内真正意义上的第一台剪切流变仪，该流变仪最大法向荷载150KN、最大剪切荷

载200KN[]3。二十世纪八十年代中期长江科学院成功多功能软岩剪切流变仪，

，中国科学院的地球物理研究所并且可以自动记录剪应力～剪切位移的全过程[]

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研制出具有量测试样内孔隙压力，并能对试样施加温度的三轴压缩流变仪。

近几年来，国内多家研制出高围压条件下的岩石三轴压缩流变试验系统。2004年长江科学院与长春市朝阳试验仪器有限公司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”[]5，该流变仪最大的轴压为2000KN/最大的围压是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。2007年，河海大学引进一套岩石全自动流变伺服仪，该试验系统围压的施加范围是0～60MPa，最大的偏压达到200MPa。

3 岩体的物理模型试验技术

岩体的物理模型试验主要以地质力学模型试验为代表。地质力学试验模型是研究建筑物及其基础破坏稳定全过程和破坏机理的直观而有效的手段。它不仅能研究结构与基础的联合作用问题，而且可以比较全面的模拟各地的地质结构。长江科学院在国内采用这种试验方法并成功的应用于葛洲坝二江泄水闸加固工程中。以长江科学院、清华大学、河海大学、中国水科院、华北水利学院等单位完成的“地质力学模型试验技术及其在坝工建设中的应用”获得国家科技进步二等奖[]7。

在引进具有国际领先水平的意大利结构模型试验研究所地质力学模型试验技术的基础上，深化了地质力学模型的试验技术宅工程中的应用水平。其中最具有代表性的是三峡左岸厂房坝段整体的地质力学

模型试验，它模拟左岸厂房14个坝段及直到临时船闸的非溢流坝段，是仅次于伊泰普大坝模型的世界第二大模型[]8。在试验中不仅研制了新型模型材料，还首次在模型中埋设了内部位移计测

量节理和断层的相对位移。，为试验提供了重要成果，而且首次实现试验过程实时监测和自动化测量。二十世纪九十年代以来，地质力学模型在水利水电工程大坝及地下洞室工程安全评价中获得广泛应用，包括清江隔河岩重力拱坝、枸皮滩双江双曲拱坝、口双曲拱坝、洛渡拱坝、锦屏一级双曲拱坝地质力学模型试验，

解决了诸多工程中的关键技术问题[]9。目前，地质力学模型越来越成熟，国内已

经有许多单位达到了较高的水平，比如在模拟试验技术上，清华大学用小块体模拟岩石分级区及裂隙空间分布；四川大学用变温材料模拟软弱夹层强度降低，得出了强度储备安全系数。在地下洞室的开挖试验设备方面，研制出了特大型，多功能，智能性的模拟试验装置，并在工程中得到了较好的应用。三峡大学，成都理工大学等单位在考虑人工降雨和水库水位变化作用下的滑坡地质力学物理模

型试验[]10，在三峡库区中得到了较好的应用。由于目前应力与波速的关系仍然

没有一个完整的理论模型，因而在地应力的测试中并不多见。一些学者通过现场弹性波测试岩体的破碎区，塑性区以及弹性区来确定岩体的应力松弛区以及应力集中区，从而定性的分析出岩体的应力状态，这种分析不能给出定量的分析结果；另一些学者则首先对现场岩芯试件进行实验标定，取得波速与应力的拟合关系，然后对现场进行弹性波测试，运用测试曲线与标定曲线反求围岩压力或者岩体的地应力，这样的方法可以给出定量的结果。

4 结语

岩石力学是一门密切联系工程建设实际的新兴学科。岩石力学试验是这门学科中的最基础性的内容。合理的测试并确定可靠的岩石力学参数，不仅是岩石力学的重要组成部分，而且是工程地质评价和工程优化设计的基本数据，对工程的安全性以及经济性的影响极为重大。

由于我们研究的对象是一种十分复杂的工程地质体，仅通过试验的手段肯定很不够；另一方面，即使是对试验资料本身进行分析，也常常发现由于试验代表性的限制，其试验成果也或多或少有一定的局限性。由于岩石的力学性质极为复杂，许多的问题还无法单纯的依靠理论计算来解决，在岩石力学领域，脚踏实地，深入现场，丰富工程实践经验也是一个十分重要的环节。

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