本站原创关键词：岩体原位试验新技术；水电工程；应用
近年来，随着科学技术的发展，推出了柔性承压板法岩体原位流变试验技术、复杂应力路径岩体原位高压真三轴试验技术、坚硬岩体破坏时效原位三轴流变试验技术、声发射定位技术研究岩体变形式破坏机理测试等，并在部分大型水电工程复杂岩体力学研究中得到应用。
一、柔性承压板法岩体原位流变试验
岩体原位流变试验的关键是加压方法和加载设备。加压上，三轴加压流变试验获得流变模型相对简单，但试验过程复杂；柔性承压板法流变试验过程简单，但流变模型及计算公式复杂。对于岩体流变试验设备，一要保持施加压力长期稳定，二是潮湿环境中保证数据采集系统正常工作。为此，研制YLB－60现场岩体流变试验设备，提出了柔性承压板法岩体原位流变试验技术，推导了柔性承压板加载五参量广义Kelvin模型等岩体蠕变公式（式1、图1）。式中: w为岩体变形；f 为柔性承压板加载系数；P 为施加压力；μ为岩体泊松比；K为岩体体积模量；t为加压时间；EH，E1，E2 分别为不同原件弹性模量(见图1)；η1，η2 分别为不同原件黏滞系数。
图1 五参量广义Kelvin 模型
柔性承压板法岩体原位流变试验场如图2，获得典型曲线如图3，采用非线性最小二乘法拟合反演岩体蠕变五参量广义Kelvin 模型参数。研究表明: 五参量广义Kelvin 模型与试验曲线相关性明显优于三参量广义Kelvin 模型( 图4) 。
图2 柔性承压板法岩体原位流变试验场景
图3 柔性承压板法岩体流变试验典型曲线
二、复杂应力路径下岩体原位高围压真三轴试验技术
针对某深埋引水隧洞开挖高应力复杂应力路径岩石力学问题，研制了TXGW-20 型微机控制现场岩体真三轴伺服试验系统。试验系统提供15 MPa 围压和20 MN 轴向载荷，试样尺寸为50 cm× 50cm×100cm。采用先进的微机控制伺服试验技图4 广义Kelvin 模型拟合曲线及拟合参数
术，可获得高压真三轴复杂应力路径、包括破坏后在内的全过程应力-应变试验曲线，实现σ1＞σ2≥σ3 真三轴试验。通过配置声发射设备观测岩体渐进破坏过程，进一步深化复杂应力路径岩体破坏机理研究。
在某引水隧洞埋深2 300 m的试验洞内，对T2b大理岩开展了岩体高压卸围压路径岩体原位真三轴试验，试点地质描述见图5，试验场景见图6，自动采集3 个方向的全过程应力-应变试验曲线见图7。试验轴向应力σ1 = 65.50 MPa，中间主应力σ2 = 11.15 MPa，最小主应力σ3 从11． 15 MPa卸载至2.16 MPa破坏。
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图5 试验前试样地质描述及试验后试样破坏形态
图6 岩体真三轴卸围压试验场景
图7 岩体真三轴卸围压试验全过程曲线
三、坚硬岩体破坏时效原位三轴流变试验技术
研制现场岩体原位三轴流变试验系统。该试验系统适应力强、三向压力伺服自动稳压精度高、压力和变形数据全过程采集、声发射定位技术实时监控岩体微破裂发展过程等特点，能无人值守试验。采用现场岩体原位三轴流变试验技术，对某二级引水隧洞T2b 大理岩开展了不同应力路径岩体破坏时效特征研究，获得岩体真三轴加载流变试验曲线见图8。通过对试验曲线以及声发射定位监控成果分析，获得T2b大理岩破坏时效特性及岩体蠕变模型和参数等成果。
图8 锦屏大理岩真三轴加载流变试验曲线
四、岩体破坏机理研究声发射定位测试技术
1、岩体直剪试验声发射定位测试岩体直剪试验布置于试验洞侧壁，剪切面试件尺寸50 cm ( 长) × 50 cm ( 宽) ，施加法向应力2.65 MPa。剪切应力按预估最大值分12 级施加，每隔5 min 加荷一级，直至岩体剪切破坏。剪应力-剪位移关系曲线见图9 所示，岩体直剪试验过程中声发射信号单位时间撞击率见图10，不同剪切应力声发射定位见图11。声发射定位技术对岩体直剪破坏过程进行了详细刻画: 随着剪切应力的增加，微破裂先在后区产生，后转向前区，最后破裂贯通形成宏观破裂面。这
图9 剪应力-剪切位移曲线
图10 声发射信号撞击率变化曲线
图11 岩体直剪试验声发射定位图
与先前的岩体剪切破坏从前端开始的研究成果有很大的不同，表明裂隙岩体直剪破坏机理的复杂性。
2、岩体三轴试验声发射定位测试
岩体三轴试验应力路径为:σ2和σ3加载至7.5 MPa，σ1加载至37 M源于：毕业论文理工www.808so.com
Pa，逐级卸载σ3，卸载速率为0.16 MPa /min，至1.2 MPa试样破坏，整个试验过程持续时间为9 728 s。
试验过程中采用SAMOS 声发射系统进行声发射测试，声发射信号撞击率柱状图见图12；根据声发射源三维定位技术，获得三轴试验过程中岩体内部声发射事件定位结果见图13。为了更清晰地表示试验过程中岩体内部声发射事件的发生发展过程，根据试验的应力路径对图13 进行分解，获得各级应力状态岩体声发射事件定位图( 见图14) 。
3、地下洞室开挖围岩松弛声发射定位测试
采用SH-Ⅱ-SRM 声发射在线监测系统，对地下洞室开挖过程进行声发射监测。通过声发射定位技术研究洞室围岩松弛破坏的发生、发展和演变规律，可为围岩松弛机制的研究与围岩加固设计提供依据。试验洞为城门洞型，开挖后洞室断面尺寸为13 m( 高) ×6.5 m( 宽) 。设置A'，B'2 个监测断面
图12 声发射信号撞击率柱状图( 4#通道)
图13 岩体三轴试验声发射事件定位图
图14 三轴试验过程中声发射事件分步定位图
共4 个监测钻孔对第3 层开挖过程进行声发射监测，监测布置见图15。底板声发射累积曲线见图16，在爆破后1 h 内为底板松弛声发射事件集中突发期，1h 后底板声发射事件还在缓慢发生，表明岩体松弛具有时效性。
图15 开挖声发射监测布置图( B'断面)
图16 K0+27－30 m 洞段开挖底板声发射事件累积曲线
图17 为K0+27－30 m 洞段开挖时试验洞底板声发射事件定位图，可明显看到底板岩体松弛( 微破裂) 范围。
图18 K0+27－30 m 洞段开挖底板声发射事件定位图
结论
将这项研发和引进的岩体原位试验新技术应用在几个大型的水电工程复杂岩体力学研究上，得到了真三轴应力状态卸围压路径岩体变形破坏机理、深部岩体破坏时效特征和流变特性、复杂岩体洞室开挖围岩松弛演变规律等初步研究成果。在这些原位试验新技术基础上，结合光纤传感和远程通讯技术，重点研发岩体原位试验可视化技术和数值模拟试验技术，实现对岩体变形破坏过程的精细测试，探索岩体微细观破坏机理、演变规律及其与宏观破坏特征之间的复杂关系，揭示复杂地质条件坝基、边坡和地下洞室岩体变形破坏规律。
参考文献：
张宜虎,周火明,邬爱清,钟作武,秦磊.基于质量分级的岩体变形模量统计[J].岩石力学与工程学报.2011(03).
周火明,杨宇,张宜虎,范雷,左永振,王祥.多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程精细测试[J].岩石力学与工程学报.2010(03).