第三章　深埋岩石破裂损伤特性试验方法

第一节　概述

试验研究是岩石力学问题研究中一项极其重要而不可缺少的工作,利用特定的试验揭示岩体工程材料的力学属性,确定其相关参数,并根据试验成果建立相关的本构模型和强度准则,这些都需要大量的试验资料。

水利水电工程和岩体或者岩石的力学性质密切相关,因此,从尺度方面上可以分为室内试验和现场试验。在现场岩体中存在大量的节理、裂隙等地质构造,在室内进行的小尺度试验不能较好地反映这些地质特征,与工程现场的实际情况不相吻合,导致研究人员对于室内试验所获得的结果褒贬不一。但是从目前国内外试验的研究成果看,绝大部分的试验资料仍取自室内试验结果。主要原因在于:现场试验尽管有很多优点,但其主要缺点是规模大,投入的人力物力多,耗资巨大,加之现场影响因素多,难以严格控制试验条件,尤其是现场的试验成果很难准确解释,影响了试验成果的二次应用。室内试验主要以岩块为研究对象,虽然岩块经过了开挖卸荷、钻孔取样等多种应力释放作用的影响,并且不能够真实反映现场岩体的真实结构特征,但室内试验的边界条件和试验对象更容易控制,相对现场试验来说更容易获得准确的试验成果,更容易被人们所接受,所以现在室内试验仍然是岩石力学研究最主要的基础数据来源。通过室内试验的数据分析,辅以现场的监测和检测成果,将室内试验成果推广到现场工程中,是目前比较主流的一种试验方法[6]。

随着科技的进步,声发射、声波、CT、微震、电镜扫描、光纤光栅等先进的仪器设备都已经投入到岩石材料力学性质的试验研究中,并获得了大量的有价值的研究成果,新的量测仪器和试验设备也在不断地开发和研制过程中,大大促进了岩石力学试验技术的进步。同时计算机技术不断应用于试验领域,通过和伺服控制系统相结合,实现了对施加荷载的自动控制以及对试验数据的采集和处理;通过声发射技术结合先进的定位算法,能够完成对加载岩样中破裂活动的精确捕捉和准确定位。这些新设备、新仪器的投入使用,提高了试验结果的准确性,使得试验过程更加贴近现场实际情况,试验成果更能准确揭示岩石材料的力学性质。

锦屏二级水电站引水隧洞的高地应力及复杂的地质条件在国内外尚不多见,缺乏相关可供借鉴的先例和工程经验,给引水隧洞的围岩稳定性评价和支护优化设计提出了巨大的挑战。而围岩稳定性和支护优化研究的基础之一是了解和把握岩石力学特性,深埋高应力是锦屏二级水电工程的重要特点,以大理岩为主的岩体在高应力条件下的力学特性如何,是需要查明的一项基础性问题。

根据我国水电工程关于岩体力学特性的工作流程和技术要求,室内常规单轴试验、常规三轴试验、现场承压板试验、现场剪切试验等是了解围岩特性和获得相关岩体力学参数的主要试验手段。应该说,这些试验工作都是在现行规程规范等技术文件规定下的常规性工作,这些工作方法和成果是否能满足了解锦屏深埋大理岩力学特性的需要,是值得关注的问题。由于锦屏二级引水隧洞的特殊性,必将出现一系列的常规试验技术无法解释和研究的问题,无法满足对大理岩力学特性深化描述的要求,需要借助于一些非常规的创新性的试验技术以满足工程建设的需要。

本章从基本的岩石力学特性入手,介绍了深埋条件下岩石力学特性和由此确定的试验方法以及针对锦屏二级深埋大理岩的具体应用,最后介绍了锦屏二级现场综合原位试验和数值试验的相关成果,供研究人员参考。