巖體力學試驗和測試

通過巖體力學實驗手段，瞭解岩石和巖體的力學性能、變形、破壞規律，以及各種構築物對巖體所引起的各種物理、力學效應，為工程設計、施工提供所需要的參數。

早期的岩石試驗以完整的巖塊室內試驗為主，很少考慮巖體的結構特性對巖體的力學性質的影響。20世紀60年代左右，由於巖體結構理論的提出，已經較多的注意到巖體的結構特性對巖體物理、力學性質的影響。在此期間，現場的大型巖體試件的力學試驗得到較快的發展和普遍重視。70年代初，中國在葛洲壩水利工程進行大型抗力體試驗,其尺寸達11.65×1.70×2.35米。各種現場巖體力學試驗方法與技術得到較快發展。70年代後期，巖體力學試驗的特點是以具代表性的典型地質單元的力學試驗與地質研究相結合，室內岩石試驗與現場巖體試驗相結合，研究符合巖體特性的本構方程，為巖體工程設計給出符合實際情況的力學參數。這使表徵巖體性態的觀測技術得到進一步發展，成為巖體穩定性評價的主要依據。

巖體力學試驗通常遵循以下原則：①巖體力學試驗與地質研究相結合；②巖體力學試驗原理與模擬實際巖體力學作用相結合；③典型地質單元現場原位大型試驗與室內取樣試驗相結合；④定量的數值量測分析與巖體力學作用機制研究相結合。

即巖塊力學試驗,主要包括:巖塊抗拉、抗剪、抗壓試驗及流變試驗。

巖塊抗拉試驗　有直接拉伸法及間接拉伸法，後者包括劈裂法、彎曲試驗法及徑向擴張法。目前廣泛採用的劈裂法，也稱巴西試驗法，已有50餘年的歷史，一般採用直徑5釐米，厚3釐米左右的圓盤岩心，用對徑壓縮荷載確定巖塊的拉伸強度。

巖塊抗剪試驗　包括抗剪斷試驗和結構面摩擦試驗，前者用於完整巖塊；後者則用於巖體中的結構面，且都用摩擦角和內聚力表示其強度參數。試驗時需逐級施加法嚮應力以便獲得用以計算及值的-曲線。過去大多采用多試件法，近來使用單試件法，亦獲得較好效果。巖塊雙面剪試驗儀(圖1)是巖塊抗剪試驗比較理想的試驗儀器，能夠獲得可靠數據。

巖體力學試驗和測試巖塊抗壓試驗　包括單軸抗壓試驗、等圍壓三軸抗壓試驗及不等圍壓三軸抗壓試驗。它是室內岩石力學試驗最重要的內容，可以測定巖塊的強度、變形等各種力學參數。近來發展了三向不等壓的剛性三軸儀，試件尺寸10×10×23釐米,垂直荷載200噸，側向最大荷載55噸。

流變試驗　巖體的應力和變形與時間有關的特性稱為流變,前者稱應力鬆弛,後者稱蠕變（或稱徐變）。應力鬆弛是受力巖塊在變形恆定的條件下，其中的應力隨時間減少的過程；蠕變則是指在應力不變的條件下，變形隨時間而發生變化的過程。目前，將軟弱巖體或軟弱夾層的長期強度問題也列為流變研究的內容。岩石的蠕變過程包括三個階段（圖2）：過渡蠕變階段或減速蠕變階段，定常蠕變階段或第二蠕變階段及加速蠕變階段或第三蠕變階段，後者常導致蠕變脆斷破壞。目前，已採用了各種流變試驗機，需在恆温、恆濕的試驗條件下進行，排除各種外界因素的干擾。

巖體力學試驗和測試直接在現場進行，由於試樣尺寸較大，試件的最小線性尺寸為30釐米左右，大者達數米甚至10米左右，因此能夠充分體現巖體的結構特性對其力學參數的影響。它主要體現在：①尺寸效應。即巖體的力學參數通常要比巖塊的力學參數低，且隨着試件尺寸增加而逐漸降低，直至達到某一臨界尺寸後巖體的力學參數才基本上保持恆定而較少變化（圖3）。為了能夠獲得表徵巖體特性的力學參數,通常要求巖體試件至少要包含300個結構體。②各向異性效應。由於巖體中結構面的分佈組合不同,使巖體的力學性質表現出明顯的各向異性,這種由巖體結構而引起的各向異性稱為結構各向異性。這對層狀巖體表現得更加突出。③爬坡效應。主要指結構面的摩擦抗剪強度具有隨結構面的狀態不同而變化的特性，這在巖塊試驗條件下很難表現出來。因此，巖體結構面抗剪試驗，常需根據結構面的性質和狀態進行爬坡角校正。

巖體力學試驗和測試除了抗拉試驗外，現場巖體力學試驗具有與室內試驗相同的試驗原理及試驗方法，可獲得相應的代表巖體特性的力學參數。

原位變形試驗　主要是測定供工程設計用的變形參數。荷載板試驗最為常用，有剛性壓板和柔性壓板兩種。水工壓力隧洞多用環形法，因施加壓力的方法不同又可分壓水法、橡皮囊法及徑向千斤頂法。刻槽狹縫法因方法簡單且實測結果比較可靠，已獲得廣泛應用。為了避免洞壁開挖時鬆動圍巖的影響，近來發展了鑽孔側脹儀。目前，常採用全孔壁加壓及鑽孔千斤頂局部加壓兩種鑽孔側脹儀。

地應力量測　地應力也稱天然應力、原巖應力、初始應力,均指地殼巖體中未經開挖擾動的應力(見巖體中應力)。由於工程開挖,使一定範圍巖體中的應力受到擾動而重新分佈，這種應力稱為擾動應力或二次應力。地應力由多種應力組成，諸如地質構造應力和構造殘餘應力，巖體自重應力、地温應力以及地下水的靜壓等。在通常情況下，構造應力和巖體自重應力是地應力中最主要的成分及經常起作用的因素。因此，從地應力量測的結果中減去巖體重力應力場，便可用來評價地質構造應力特性。

地應力對工程巖體的穩定性有重要的影響，工程實踐中常需定量確定工程範圍內地應力的狀態。目前，定量確定地應力大小和方向的有效方法是進行現場巖體應力量測。地應力量測包括絕對應力量測和應力變化量測兩類。前者常用於套孔和鑽孔孔底應力解除技術，後者則用於長期觀測。30年代以來發展了多種應力量測方法，這些量測方法雖然基於不同原理，但大多屬於間接量測。應力量測方法主要分四種類型:①鑽孔形變式變形計;②鑽孔應變計；③水力劈裂法；④鑽孔包體式應力計。目前，工程上常用“門塞”應變計、鑽孔三軸應變計、鑽孔變形計及壓磁應力計。國際上廣泛使用鑽孔三軸應變計，其突出的優點是可以利用一個鑽孔測定巖體中的三維應力狀態。水力劈裂法逐漸得到推廣應用，其最大測深可達5000餘米，對於量測地殼深部的應力狀態有重要意義。

巖體現場觀測　由於巖體結構條件的複雜性，工程狀態預報的可靠性較差，因而鑑別巖體性態的現場觀測越來越受重視。一般在工程具有典型意義的區段或部位建立觀測站，對某些隨時間而變化或與工程活動有關的參數進行觀測，包括巖體賦存環境和巖體力學作用觀測，前者如地下水的水位、流速和流量觀測，地熱地温觀測；後者如地面沉降和邊坡位移觀測、巖體的變形和應力觀測等。巖體現場觀測的目的在於監測巖體的穩定性，以及與巖體穩定直接有關的巖體的變形和應力。鑽孔多點位移計在地下工程、壩基和邊坡工程中得到普遍應用。撓度計和傾斜計可以指示邊坡滑動面的位置和變形情況，各種壓力盒、應力磚和鋼弦應變計可觀測巖體與混凝土及錨杆等受力狀態。對於大面積的巖體變形觀測，除精密三角測量和水準測量外，還有激光測距、立體攝影、數學電視觀測等新的技術和方法（見精密工程測量）。

巖體的變形觀測結果，不但可以直接用於巖體力學作用監測，進行穩定性分析和預報，而且可以利用數值計算方法進行位移反饋分析，獲得表徵巖體特性的變形參數和巖體中的初始應力狀態。

彈性波測試　根據工作頻率，可分為超聲波法、聲波法及地震法等。①超聲波法主要用於室內岩石試件測試。②聲波法用於小範圍工程圍巖測試。③地震法則用於大範圍量測。聲波量測在地下工程中被廣泛應用，其頻率為幾千赫至幾百千赫。由於聲波在巖體中的傳播速度與巖體的密度、彈性參數和結構特性有關，工程實踐中,利用聲波（縱波和橫波）的波速和振幅衰減,可以計算確定巖體的動態彈性參數、評價巖體的強度、測定開挖圍巖的鬆動圈，觀測巖體灌漿加固的效果以及進行巖體的工程地質分類或地質評價。巖體在破壞過程中必然要釋放出應變能，產生一系列的聲發射現象。聲發射監測便是根據巖體聲發射現象的各種參數，諸如頻度、振幅分佈、振動持續時間和能率等,評價巖體的穩定性,監測地下建築物的安全和預測巖體的急劇破壞。在實驗條件下，還可以利用巖體聲發射現象的凱澤效應，定量評價巖體中的應力狀態。

模型的試驗方法主要是應用一定配比的人工材料，製成一定比例的幾何模型，然後對模型施加荷載或進行開挖，觀測模型中的應力、變形及破壞現象，推斷分析實際巖體中的應力、變形和破壞。主要有光彈試驗和相似材料模擬。

光彈試驗　利用光敏材料受力變形時的雙折射現象，觀測其中存在的等色線和等傾線，確定模型中應力分佈狀態。在巖體力學研究中可以模擬裂隙或巖體的不連續性對應力分佈狀態的影響。

相似材料模擬　分為機制模擬和工程模擬。機制模擬偏重於研究巖體失穩的主要因素、變形、破壞的機制和方式，以及其發展過程。工程模擬是定量或準定量的相似模擬方法，可以直接獲得按比例的巖體應力和變形，因而要求試驗模型必須嚴格遵守相似定理。由於巖體力學中的問題很難保證嚴格的相似原理和巖體的非線性特性，所以在使用過程中具有一定的困難。巖體力學模擬試驗中自重力的模擬比較困難，而底面摩擦試驗非常簡單，可以有效的模擬巖體的體積力，比較方便地觀測在自重作用下邊坡或洞體開挖後的變形發展過程，對巖體工程的定性機制模擬有重要的價值。近年來，模擬試驗的發展趨勢是和計算及原位現場觀測相結合。