什么是岩体力学试验和测试?

什么是岩体力学试验和测试?

[拼音]：yanti lixue shiyan he ceshi

[外文]：mechanical testing and measuring of rock mass

通过岩体力学实验手段，了解岩石和岩体的力学性能、变形、破坏规律，以及各种构筑物对岩体所引起的各种物理、力学效应，为工程设计、施工提供所需要的参数。

早期的岩石试验以完整的岩块室内试验为主，很少考虑岩体的结构特性对岩体的力学性质的影响。20世纪60年代左右，由于岩体结构理论的提出，已经较多的注意到岩体的结构特性对岩体物理、力学性质的影响。在此期间，现场的大型岩体试件的力学试验得到较快的发展和普遍重视。70年代初，中国在葛洲坝水利工程进行大型抗力体试验，其尺寸达11.65×1.70×2.35米。各种现场岩体力学试验方法与技术得到较快发展。70年代后期，岩体力学试验的特点是以具代表性的典型地质单元的力学试验与地质研究相结合，室内岩石试验与现场岩体试验相结合，研究符合岩体特性的本构方程，为岩体工程设计给出符合实际情况的力学参数。这使表征岩体性态的观测技术得到进一步发展，成为岩体稳定性评价的主要依据。

岩体力学试验通常遵循以下原则：

（1）岩体力学试验与地质研究相结合；

（2）岩体力学试验原理与模拟实际岩体力学作用相结合；

（3）典型地质单元现场原位大型试验与室内取样试验相结合；

（4）定量的数值量测分析与岩体力学作用机制研究相结合。

室内岩石力学试验

即岩块力学试验，主要包括:岩块抗拉、抗剪、抗压试验及流变试验。

岩块抗拉试验

有直接拉伸法及间接拉伸法，后者包括劈裂法、弯曲试验法及径向扩张法。目前广泛采用的劈裂法，也称巴西试验法，已有50余年的历史，一般采用直径5厘米，厚3厘米左右的圆盘岩心，用对径压缩荷载确定岩块的拉伸强度。

岩块抗剪试验

包括抗剪断试验和结构面摩擦试验，前者用于完整岩块；后者则用于岩体中的结构面，且都用摩擦角╃和内聚力с表示其强度参数。试验时需逐级施加法向应力 σn以便获得用以计算 ╃及 с值的σn-τ曲线。过去大多采用多试件法，近来使用单试件法，亦获得较好效果。岩块双面剪试验仪(图1)是岩块抗剪试验比较理想的试验仪器，能够获得可靠数据。

岩块抗压试验

包括单轴抗压试验、等围压三轴抗压试验及不等围压三轴抗压试验。它是室内岩石力学试验最重要的内容，可以测定岩块的强度、变形等各种力学参数。近来发展了三向不等压的刚性三轴仪，试件尺寸10×10×23厘米，垂直荷载200吨，侧向最大荷载55吨。

流变试验

岩体的应力和变形与时间有关的特性称为流变，前者称应力松弛，后者称蠕变（或称徐变）。应力松弛是受力岩块在变形恒定的条件下，其中的应力随时间减少的过程；蠕变则是指在应力不变的条件下，变形随时间而发生变化的过程。目前，将软弱岩体或软弱夹层的长期强度问题也列为流变研究的内容。岩石的蠕变过程包括三个阶段（图2）：过渡蠕变阶段或减速蠕变阶段，定常蠕变阶段或第二蠕变阶段及加速蠕变阶段或第三蠕变阶段，后者常导致蠕变脆断破坏。目前，已采用了各种流变试验机，需在恒温、恒湿的试验条件下进行，排除各种外界因素的干扰。

原位岩体力学试验

直接在现场进行，由于试样尺寸较大，试件的最小线性尺寸为30厘米左右，大者达数米甚至10米左右，因此能够充分体现岩体的结构特性对其力学参数的影响。它主要体现在：

（1）尺寸效应。即岩体的力学参数通常要比岩块的力学参数低，且随着试件尺寸增加而逐渐降低，直至达到某一临界尺寸后岩体的力学参数才基本上保持恒定而较少变化（图3）。为了能够获得表征岩体特性的力学参数，通常要求岩体试件至少要包含300个结构体。

（2）各向异性效应。由于岩体中结构面的分布组合不同，使岩体的力学性质表现出明显的各向异性，这种由岩体结构而引起的各向异性称为结构各向异性。这对层状岩体表现得更加突出。

（3）爬坡效应。主要指结构面的摩擦抗剪强度具有随结构面的状态不同而变化的特性，这在岩块试验条件下很难表现出来。因此，岩体结构面抗剪试验，常需根据结构面的性质和状态进行爬坡角校正。

除了抗拉试验外，现场岩体力学试验具有与室内试验相同的试验原理及试验方法，可获得相应的代表岩体特性的力学参数。

原位变形试验

主要是测定供工程设计用的变形参数。荷载板试验最为常用，有刚性压板和柔性压板两种。水工压力隧洞多用环形法，因施加压力的方法不同又可分压水法、橡皮囊法及径向千斤顶法。刻槽狭缝法因方法简单且实测结果比较可靠，已获得广泛应用。为了避免洞壁开挖时松动围岩的影响，近来发展了钻孔侧胀仪。目前，常采用全孔壁加压及钻孔千斤顶局部加压两种钻孔侧胀仪。

现场测试与观测

工程上常用的测试和观测方法有：

地应力量测

地应力也称天然应力、原岩应力、初始应力，均指地壳岩体中未经开挖扰动的应力(见岩体中应力)。由于工程开挖，使一定范围岩体中的应力受到扰动而重新分布，这种应力称为扰动应力或二次应力。地应力由多种应力组成，诸如地质构造应力和构造残余应力，岩体自重应力、地温应力以及地下水的静压等。在通常情况下，构造应力和岩体自重应力是地应力中最主要的成分及经常起作用的因素。因此，从地应力量测的结果中减去岩体重力应力场，便可用来评价地质构造应力特性。

地应力对工程岩体的稳定性有重要的影响，工程实践中常需定量确定工程范围内地应力的状态。目前，定量确定地应力大小和方向的有效方法是进行现场岩体应力量测。地应力量测包括绝对应力量测和应力变化量测两类。前者常用于套孔和钻孔孔底应力解除技术，后者则用于长期观测。30年代以来发展了多种应力量测方法，这些量测方法虽然基于不同原理，但大多属于间接量测。应力量测方法主要分四种类型：

（1）钻孔形变式变形计；

（2）钻孔应变计；

（3）水力劈裂法；

（4）钻孔包体式应力计。目前，工程上常用“门塞”应变计、钻孔三轴应变计、钻孔变形计及压磁应力计。国际上广泛使用钻孔三轴应变计，其突出的优点是可以利用一个钻孔测定岩体中的三维应力状态。水力劈裂法逐渐得到推广应用，其最大测深可达5000余米，对于量测地壳深部的应力状态有重要意义。

岩体现场观测

由于岩体结构条件的复杂性，工程状态预报的可靠性较差，因而鉴别岩体性态的现场观测越来越受重视。一般在工程具有典型意义的区段或部位建立观测站，对某些随时间而变化或与工程活动有关的参数进行观测，包括岩体赋存环境和岩体力学作用观测，前者如地下水的水位、流速和流量观测，地热地温观测；后者如地面沉降和边坡位移观测、岩体的变形和应力观测等。岩体现场观测的目的在于监测岩体的稳定性，以及与岩体稳定直接有关的岩体的变形和应力。钻孔多点位移计在地下工程、坝基和边坡工程中得到普遍应用。挠度计和倾斜计可以指示边坡滑动面的位置和变形情况，各种压力盒、应力砖和钢弦应变计可观测岩体与混凝土及锚杆等受力状态。对于大面积的岩体变形观测，除精密三角测量和水准测量外，还有激光测距、立体摄影、数学电视观测等新的技术和方法（见精密工程测量）。

岩体的变形观测结果，不但可以直接用于岩体力学作用监测，进行稳定性分析和预报，而且可以利用数值计算方法进行位移反馈分析，获得表征岩体特性的变形参数和岩体中的初始应力状态。

d性波测试

根据工作频率，可分为超声波法、声波法及地震法等。

（1）超声波法主要用于室内岩石试件测试。

（2）声波法用于小范围工程围岩测试。

（3）地震法则用于大范围量测。声波量测在地下工程中被广泛应用，其频率为几千赫至几百千赫。由于声波在岩体中的传播速度与岩体的密度、d性参数和结构特性有关，工程实践中，利用声波（纵波和横波）的波速和振幅衰减，可以计算确定岩体的动态d性参数、评价岩体的强度、测定开挖围岩的松动圈，观测岩体灌浆加固的效果以及进行岩体的工程地质分类或地质评价。岩体在破坏过程中必然要释放出应变能，产生一系列的声发射现象。声发射监测便是根据岩体声发射现象的各种参数，诸如频度、振幅分布、振动持续时间和能率等，评价岩体的稳定性，监测地下建筑物的安全和预测岩体的急剧破坏。在实验条件下，还可以利用岩体声发射现象的凯泽效应，定量评价岩体中的应力状态。

模型试验

模型的试验方法主要是应用一定配比的人工材料，制成一定比例的几何模型，然后对模型施加荷载或进行开挖，观测模型中的应力、变形及破坏现象，推断分析实际岩体中的应力、变形和破坏。主要有光d试验和相似材料模拟。

光d试验

利用光敏材料受力变形时的双折射现象，观测其中存在的等色线和等倾线，确定模型中应力分布状态。在岩体力学研究中可以模拟裂隙或岩体的不连续性对应力分布状态的影响。

相似材料模拟

分为机制模拟和工程模拟。机制模拟偏重于研究岩体失稳的主要因素、变形、破坏的机制和方式，以及其发展过程。工程模拟是定量或准定量的相似模拟方法，可以直接获得按比例的岩体应力和变形，因而要求试验模型必须严格遵守相似定理。由于岩体力学中的问题很难保证严格的相似原理和岩体的非线性特性，所以在使用过程中具有一定的困难。岩体力学模拟试验中自重力的模拟比较困难，而底面摩擦试验非常简单，可以有效的模拟岩体的体积力，比较方便地观测在自重作用下边坡或洞体开挖后的变形发展过程，对岩体工程的定性机制模拟有重要的价值。近年来，模拟试验的发展趋势是和计算及原位现场观测相结合。