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巖石的力學性質包括強度、變形、動力學特性和滲透性等方面。這些性質會受到巖石所處的物理和化學環(huán)境的影響。研究巖石力學性質的方法主要是現(xiàn)場和室內(nèi)試驗。

現(xiàn)場試驗包括三軸壓縮試驗、剪切試驗和巖體滲透性試驗等，可以測量巖體原位變形性能和強度性能。室內(nèi)試驗則包括單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切、滲透試驗等，可以模擬不同條件下的巖石力學行為。

巖石三軸力學試驗是一種綜合性的研究方法，用于深入探究巖石材料的力學性質。通過分別模擬地殼中的水平地應力、垂直應力和側向應力，該試驗能夠全面地揭示巖石在復雜應力狀態(tài)下的變形和破壞過程。

在試驗過程中，第一軸的徑向加載通過施加垂直于巖石試樣截面的壓力，真實地模擬了地殼中的水平地應力作用。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向壓力，使得巖石材料處于三向應力狀態(tài)下，從而更準確地反映了地殼中的真實應力環(huán)境。

三維物體中的主應力(作用在剪應力為零的平面上的最大和最小正應力)為三(σ1> σ2> σ3)。實際上，主應力可能不同。但在實驗室三軸試驗中，中間應力σ2等于σ3。三軸試驗中施加的主應力如圖1所示。

三軸試驗中施加在圓柱形巖石樣品上的主應力(σ1> σ2= σ3)

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-進液口

進行所有施加的主應力都不相同的實驗室試驗是有挑戰(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。（點擊這里參見東北大學案例）

三軸試驗中施加在方形巖石樣品上的主應力(σ1> σ2＞ σ3)

在巖石三軸力學實驗中，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。應在鉆探日期后的30天內(nèi)對試樣進行測試，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。這個步驟非常重要，因為試樣的形狀和尺寸會影響到試驗的結果和數(shù)據(jù)的可靠性。

應該指出的是，飽和度或孔隙壓力的增加在巖石力學中并不是一個關鍵問題，因為巖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果產(chǎn)生顯著影響。

圖2：用于三軸試驗的Hoek壓力室

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。現(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)，則可以計算出該比率。否則，應根據(jù)對被測材料行為的現(xiàn)有知識做出合理的假設.側向壓力以與軸向載荷相同的速率施加，直到達到規(guī)定值。一旦達到該圍壓，其精度應保持在2%以內(nèi)。

加載機器必須堅固，足以施加巖石樣品破壞所需的最大壓力。此外，應經(jīng)常校準它，以正確得出負載測量值。

Controls巖石三軸儀

三軸試驗的原始數(shù)據(jù)包括樣品尺寸、側壓力σ3、軸向載荷P、試驗持續(xù)時間(必須在要求的范圍內(nèi)),以及變形測量值(如果使用了應變儀)。

首先，樣品的橫截面積計算如下:

其中D是樣品的直徑。

軸向應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，則繪制樣品的應力-應變響應圖。軸向和周向應變eA和eC分別計算如下:

其中R是應變計的初始電阻，δR是變形引起的電阻變化，kis是應變計系數(shù)。經(jīng)過一系列至少3次三軸試驗后，得出巖石樣品的破壞包絡線。巖石力學中最常用的破壞標準是:

• 莫爾-庫侖破壞準則

• 霍克-布朗(H-B)破壞準則

M-C破壞準則將剪切強度和作用在破壞面上的法向有效應力聯(lián)系起來。它也可以用主應力表示為:

其中t是材料的剪切強度，c是內(nèi)聚力，φ是摩擦角，σn是作用在破壞面上的正應力，σ1和σ3是主應力。

M-C準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準則是基于許多巖石類型的一系列實驗室試驗發(fā)展起來的，這些試驗表明，巖石脆性破壞中的主應力之間存在非線性相關性。

H-B準則中的主應力相關性表示為:

其中σci是單軸抗壓強度，mi是基于巖石類型的常數(shù)，σ1和σ3是主應力。

在不同側壓力下進行至少3次三軸試驗后，繪制出所選標準的最佳擬合包絡線，并推導出每個包絡線的參數(shù)(M-C中的內(nèi)聚力、摩擦角和mi，H-B中的σci)。然而，在H-B準則中，大多數(shù)情況下σci已經(jīng)由材料的單軸壓縮試驗確定。確保樣品來自相同的巖心或巖塊，并呈現(xiàn)相似的特性，這一點至關重要。這可以通過視覺觀察來實現(xiàn)。

圖3 基于實驗室數(shù)據(jù)和M-C和H-B標準最佳擬合包絡線的主應力圖

推導M-C和H-B標準參數(shù)的示例

假設對特定類型的巖石試樣進行了4次三軸試驗。表1列出了預先確定的側向應力和相應的軸向應力:

表1 三軸試驗結果數(shù)據(jù)示例

結果用最佳擬合M-C和H-B包絡繪制在圖3中。

圖3是基于實驗室數(shù)據(jù)和M-C和H-B標準最佳擬合包絡線的主應力圖。

基于最佳擬合曲線，表2中給出了兩個失效標準的參數(shù)。

隨著科學技術的發(fā)展，巖石力學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、非接觸式測量技術、X射線CT掃描技術等新技術的應用，使得巖石力學的研究更加精確和深入。同時，巖石力學研究領域也不斷拓展，涉及到地質學、物理學、化學等多個學科領域，形成了多學科交叉的研究格局。

參考文獻

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