巖石力學室內試驗技術的進展

　　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性等特點，其是在十分復雜的物理化學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、力學性質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雜的力學特性。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，所遇到的相應巖石力學問題也越來越復雜。室內巖石力學試驗是了解巖石力學特性的重要途徑，其具有可以進行長期觀測、能夠嚴格控制試驗環境的條件、可以排除次要的影響因素、物資設備允許多次重復使用與花費耗材相對較少等優點，因此室內巖石力學試驗開展的十分普遍。隨著科學技術發展的日新月異，許多新技術、新材料和新方法都被應用于室內巖石力學試驗，不斷推動著室內巖石力學試驗測試技術與儀器設備的更新換代。本文將就巖石力學室內試驗技術的若干進展進行

　　2巖石力學性質常規試驗技術

　　試驗是理論聯系實際，實踐驗證理論的一條紐帶，為了解巖石強度與負荷變形等基本性質，通常對巖石試樣進行單軸壓縮、三軸壓縮和剪切試驗。由于技術、材料等方面的原因，國內試驗設備制造起步較晚。1964年由長春材料試驗機廠研制的長江-500型巖石試驗機是當時國內大型巖石三軸壓縮試驗設備的代表，其軸向最大載荷為500噸，側向最大壓力為1500公斤/厘米;長江-500型巖石試驗機能夠測試巖石在圍壓下的強度，但無法給出加載過程中的應力-應變曲線。70年代末80年代初昆明勘測設計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，設計最大側向應力1.5MPa。1993年中國科學院武漢巖土力學研究所采用計算機直接控制和自適應控制技術，研制了一套功能多樣化、體積小的RMT-64巖石力學試驗系統，該系統集巖石單軸、三軸與剪切試驗功能于一體，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系統，對巖石的I型和Ⅱ型分類進行了研究分析。目前該系統已經升級到型號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;該設備在一定程度上代表著國內常規巖石力學室內試驗測試技術水平。

　　3巖石流變力學特性試驗技術

　　巖土工程穩定性的時間效應越來越得到人們的注重，許多巖土工程的變形與失穩破壞并不是瞬時間立即就發生的，而是隨時間的推移不斷發展最終完成的。由于流變現象的普遍存在，對巖石流變力學特性的試驗研究是十分必要的。

　　1981年長江辦與長春試驗機廠采用了氣液增壓技術來施加試驗力，共同研制了國內真正意義上第一臺巖石剪切流變儀，該流變儀的參數是：最大法向壓力150kN、最大剪切力200kN，儀器操作與數據測量均為人工手動控制。1982年同濟大學研制了RV-84型巖體弱面剪切流變儀，利用該設備，對完整巖塊、巖石結構面、凍土、軟粘土等的剪切流變以及壓縮流變進行詳細的分析研究。

　　2004年長江科學院與長春市朝陽試驗儀器有限公司共同研制出了一臺大噸位、高圍壓微機控制電液伺服巖石三軸流變試驗機“RLW-2000微機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均采用閉環伺服液壓加載方式控制，設計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，試驗過程計算機控制全數字測控器，測控器控制系統的加載裝置。

　　2007年河海大學、法國里爾科技大學與法國國家科研中心共同研發了一套巖石全自動流變伺服儀。設備由加壓系統、恒定穩壓裝置、液壓傳遞系統、壓力室裝置、水壓系統、恒溫系統、降溫循環系統以及自動采集系統組成，可實行全計算機控制與分析、操作全自動化，保證安全、實時、精確的分析流變全過程，自動采集的數據可與計算機交換，實現流變全過程數字化成圖，圍壓的施壓范圍為0～60MPa，最大偏壓達200MPa，變形測量是由高精度的兩LVDT與一個環向測量器來測定。該設備體積小、重力輕、精度高、功能全可以用來進行常規壓縮，流變試驗，溫度應力滲流耦合試驗，化學腐蝕試驗等。

　　2008年同濟大學開發了一臺節理剪切–滲流耦合試驗系統，該系統包括法向和切向力加載系統、水壓加載系統和滲流剪切盒3部分;最大法向和切向荷載均為600kN，最大滲透壓力為0.5MPa，可以實現常法向剛度的加載方式，水壓加載系統是用類似“針筒注射器”的裝置完成，在試驗過程中可分別測量進水口和出水口處的水壓和流量;滲流剪切盒可以保證節理在進行剪切滲流試驗中，一定壓力的滲流水會沿指定路徑流過節理面，且不發生滲漏。

　　4巖石力學耦合試驗技術

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