巖石力學(xué)是一門研究巖石力學(xué)性質(zhì)及其相關(guān)現(xiàn)象的科學(xué)，其應(yīng)用范圍廣泛，涉及到國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、減災(zāi)防災(zāi)等多個(gè)領(lǐng)域。人類對巖石力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識始于試驗(yàn)，而巖石力學(xué)理論的形成和發(fā)展也與試驗(yàn)方法緊密相連。
巖石的力學(xué)性質(zhì)包括強(qiáng)度、變形、動力學(xué)特性和滲透性等方面。這些性質(zhì)會受到巖石所處的物理和化學(xué)環(huán)境的影響。研究巖石力學(xué)性質(zhì)的方法主要是現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)。
現(xiàn)場試驗(yàn)包括三軸壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和巖體滲透性試驗(yàn)等，可以測量巖體原位變形性能和強(qiáng)度性能。室內(nèi)試驗(yàn)則包括單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切、滲透試驗(yàn)等，可以模擬不同條件下的巖石力學(xué)行為。
動態(tài)巖石三軸 高壓巖石三軸 大型巖石直剪儀
通過這些加載方式，我們可以系統(tǒng)地測量巖石試樣在各種應(yīng)力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)性質(zhì)。而且，改變加載條件，如壓力大小、加載速率等，可以進(jìn)一步研究巖石試樣的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、變形特性以及破壞機(jī)制等關(guān)鍵參數(shù)。
巖石三軸實(shí)驗(yàn)原理
巖石三軸力學(xué)試驗(yàn)是一種綜合性的研究方法，用于深入探究巖石材料的力學(xué)性質(zhì)。通過分別模擬地殼中的水平地應(yīng)力、垂直應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力，該試驗(yàn)?zāi)軌蛉娴亟沂編r石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形和破壞過程。
在試驗(yàn)過程中，第一軸的徑向加載通過施加垂直于巖石試樣截面的壓力，真實(shí)地模擬了地殼中的水平地應(yīng)力作用。第二軸的軸向加載則通過施加垂直于巖石試樣軸向的壓力，成功地模擬了地殼中的垂直應(yīng)力作用。而第三軸的背景加載在巖石試樣周圍施加恒定的側(cè)向壓力，使得巖石材料處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，從而更準(zhǔn)確地反映了地殼中的真實(shí)應(yīng)力環(huán)境。
三維物體中的主應(yīng)力(作用在剪應(yīng)力為零的平面上的最大和最小正應(yīng)力)為三(σ1> σ2> σ3)。實(shí)際上，主應(yīng)力可能不同。但在實(shí)驗(yàn)室三軸試驗(yàn)中，中間應(yīng)力σ2等于σ3。三軸試驗(yàn)中施加的主應(yīng)力如圖1所示。
三軸試驗(yàn)中施加在圓柱形巖石樣品上的主應(yīng)力(σ1> σ2= σ3)
圍壓是確定的，并在試驗(yàn)過程中保持不變。樣品最初被各向同性地加載，直到主應(yīng)力等于預(yù)定的圍壓。然后，軸向應(yīng)力σ1以一定的速率增加，直到試樣破壞，并記錄最大σ1。
圖1 巖石三軸加載原理圖
見上述巖石三軸加載原理圖中1-為密封裝置、2-圍壓，3-底座，4-出液口，5巖石試樣，6-乳膠膜，7-進(jìn)液口
進(jìn)行所有施加的主應(yīng)力都不相同的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是有挑戰(zhàn)性的，并且沒有被廣泛使用。這種方法被稱為多軸或真三軸試驗(yàn)。（點(diǎn)擊這里參見東北大學(xué)案例）
三軸試驗(yàn)中施加在方形巖石樣品上的主應(yīng)力(σ1> σ2＞ σ3)
GDSTTA真三軸
巖石三軸試樣制作
在巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，測試樣品通過巖心鉆探獲得，并且必須選擇能代表被檢查巖層的樣品。應(yīng)在鉆探日期后的30天內(nèi)對試樣進(jìn)行測試，以保持其初始狀態(tài)(如自然含水量)。
首要步驟是挑選滿足要求的巖石試樣，并將其切割、研磨至規(guī)定的幾何形狀，通常是圓柱體或立方體。這個(gè)步驟非常重要，因?yàn)樵嚇拥男螤詈统叽鐣绊懙皆囼?yàn)的結(jié)果和數(shù)據(jù)的可靠性。
應(yīng)該指出的是，飽和度或孔隙壓力的增加在巖石力學(xué)中并不是一個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)閹r石的孔隙度比土壤的孔隙度低得多，因此測試干燥或飽和樣品不會對結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。
在加工巖石試樣時(shí)，需要使用精密的切割機(jī)和磨床等設(shè)備，以確保試樣的表面平整、光滑，并且?guī)缀涡螤罘弦?。同時(shí)，還需要對試樣進(jìn)行干燥處理，以消除水分對試驗(yàn)結(jié)果的影響。
在試樣制備完成之后，需要進(jìn)行測量，以確定其原始的幾何尺寸和重量。這些數(shù)據(jù)將用于計(jì)算試樣的力學(xué)性質(zhì)，樣品形狀如為圓柱形，直徑必須在38到54毫米之間。直徑通過在樣品的頂部、中部和底部進(jìn)行測量得出，公差為0.1毫米。高度與直徑(H/D)之比必須在2.0和3.0之間。高度應(yīng)精確到毫米。此外，最大工裝碎片的尺寸最大應(yīng)為樣品直徑的10%。樣品的末端必須平滑，以便頂部和底部表面平坦，公差為0.01 mm。這確保了施加的載荷均勻地傳遞到樣品上，并且沒有載荷偏心。樣品的側(cè)面必須光滑，且不存在0.3毫米公差范圍內(nèi)的不規(guī)則性。
巖石三軸實(shí)驗(yàn)過程
將一個(gè)圓柱形巖石標(biāo)本放在一個(gè)專門設(shè)計(jì)的小室中(如Hoek小室)。一種特殊設(shè)計(jì)的薄膜貼在壓力室上，使其保持密封。側(cè)向壓力是流體靜力的，通過泵入膜中的液體(通常是油)施加。使用能夠在1%精度內(nèi)調(diào)節(jié)壓力的液壓泵或伺服馬達(dá)。試樣被鋼制球形座軸向包圍。為了獲得樣品的垂直和圓周變形，可以使用應(yīng)變儀。然而，在進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)，并不強(qiáng)制記錄應(yīng)變響應(yīng)。下圖B給出了Hoek壓力室和組裝在一起進(jìn)行三軸試驗(yàn)的零件的示意圖。
然后將Hoek壓力室放入加載裝置中，該裝置用于向樣品施加垂直載荷?，F(xiàn)代加載系統(tǒng)是以恒定速率施加液壓的伺服控制裝置。選擇加載速率(kN/s ),使樣品在大約10分鐘(5-15分鐘)內(nèi)破壞。如果已經(jīng)有關(guān)于常數(shù)σ3下的最大σ1的數(shù)據(jù)(從以前的測試中獲得)，則可以計(jì)算出該比率。否則，應(yīng)根據(jù)對被測材料行為的現(xiàn)有知識做出合理的假設(shè).側(cè)向壓力以與軸向載荷相同的速率施加，直到達(dá)到規(guī)定值。一旦達(dá)到該圍壓，其精度應(yīng)保持在2%以內(nèi)。
加載機(jī)器必須堅(jiān)固，足以施加巖石樣品破壞所需的最大壓力。此外，應(yīng)經(jīng)常校準(zhǔn)它，以正確得出負(fù)載測量值。
結(jié)果和計(jì)算
三軸試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)包括樣品尺寸、側(cè)壓力σ3、軸向載荷P、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間(必須在要求的范圍內(nèi)),以及變形測量值(如果使用了應(yīng)變儀)。
首先，樣品的橫截面積計(jì)算如下:
其中D是樣品的直徑。
軸向應(yīng)力由軸向載荷除以試樣的橫截面積得出:
其中P是軸向載荷。
如果記錄了變形測量值，則繪制樣品的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)圖。軸向和周向應(yīng)變eA和eC分別計(jì)算如下:
其中R是應(yīng)變計(jì)的初始電阻，δR是變形引起的電阻變化，kis是應(yīng)變計(jì)系數(shù)。經(jīng)過一系列至少3次三軸試驗(yàn)后，得出巖石樣品的破壞包絡(luò)線。巖石力學(xué)中最常用的破壞標(biāo)準(zhǔn)是:
-
莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則
-
霍克-布朗(H-B)破壞準(zhǔn)則
M-C破壞準(zhǔn)則將剪切強(qiáng)度和作用在破壞面上的法向有效應(yīng)力聯(lián)系起來。它也可以用主應(yīng)力表示為:
其中t是材料的剪切強(qiáng)度，c是內(nèi)聚力，φ是摩擦角，σn是作用在破壞面上的正應(yīng)力，σ1和σ3是主應(yīng)力。
M-C準(zhǔn)則因其簡單性和在巖土工程中的普遍接受性而被采用。然而，H-B準(zhǔn)則是基于許多巖石類型的一系列實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)發(fā)展起來的，這些試驗(yàn)表明，巖石脆性破壞中的主應(yīng)力之間存在非線性相關(guān)性。
H-B準(zhǔn)則中的主應(yīng)力相關(guān)性表示為:
其中σci是單軸抗壓強(qiáng)度，mi是基于巖石類型的常數(shù)，σ1和σ3是主應(yīng)力。
在不同側(cè)壓力下進(jìn)行至少3次三軸試驗(yàn)后，繪制出所選標(biāo)準(zhǔn)的最佳擬合包絡(luò)線，并推導(dǎo)出每個(gè)包絡(luò)線的參數(shù)(M-C中的內(nèi)聚力、摩擦角和mi，H-B中的σci)。然而，在H-B準(zhǔn)則中，大多數(shù)情況下σci已經(jīng)由材料的單軸壓縮試驗(yàn)確定。確保樣品來自相同的巖心或巖塊，并呈現(xiàn)相似的特性，這一點(diǎn)至關(guān)重要。這可以通過視覺觀察來實(shí)現(xiàn)。
圖3 基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和M-C和H-B標(biāo)準(zhǔn)最佳擬合包絡(luò)線的主應(yīng)力圖
推導(dǎo)M-C和H-B標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的示例
假設(shè)對特定類型的巖石試樣進(jìn)行了4次三軸試驗(yàn)。表1列出了預(yù)先確定的側(cè)向應(yīng)力和相應(yīng)的軸向應(yīng)力:
表1 三軸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)示例
結(jié)果用最佳擬合M-C和H-B包絡(luò)繪制在圖3中。
圖3是基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和M-C和H-B標(biāo)準(zhǔn)最佳擬合包絡(luò)線的主應(yīng)力圖。
基于最佳擬合曲線，表2中給出了兩個(gè)失效標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)。
表2:基于實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)的H-B和M-C標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)出參數(shù)
結(jié)束語
巖石力學(xué)的研究不僅具有理論意義，還具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。例如，在土木工程、地質(zhì)工程、采礦工程等領(lǐng)域中，巖石力學(xué)的研究成果被廣泛應(yīng)用于巖土工程設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測等方面。此外，巖石力學(xué)的研究還可以為資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、減災(zāi)防災(zāi)等方面提供重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，巖石力學(xué)的研究方法和手段也不斷更新和完善。例如，數(shù)值模擬技術(shù)、非接觸式測量技術(shù)、X射線CT掃描技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用，使得巖石力學(xué)的研究更加精確和深入。同時(shí)，巖石力學(xué)研究領(lǐng)域也不斷拓展，涉及到地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，形成了多學(xué)科交叉的研究格局。
GDS動態(tài)巖石三軸測試系統(tǒng)
Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression: Revised version, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Volume 20, Issue 6, 1983, Pages 285-290, ISSN 0148-9062, doi.org/10.1016/0148-9062(83)90598-3.
https://www.geoengineer.org/education/laboratory-testing/triaxial-compression-test-in-rock
