武漢巖土所在巖石力學方艙實驗室研發方面取得進展----中國科學院武漢分院

武漢巖土所在巖石力學方艙實驗室研發方面取得進展

發表日期：2024-08-23來源：武漢巖土力學研究所【放大縮小】

巖石力學參數是所有巖石工程設計、施工和運維必需的基礎參數，是開展巖石工程的必要前提。傳統巖石力學參數測試技術和方法需經歷現場取芯—運回實驗室—制樣測試等過程，試驗周期冗長，且不可避免地會對試樣產生擾動，導致巖石力學參數的時效性和準確性達不到要求。更為重要的是，部分工程取芯較少，甚至不能取芯，難以制取標準巖石試樣，上述問題導致巖石工程經常面臨“無法開展傳統巖石力學試驗”、“巖石力學參數測試誤差大”的困境，嚴重制約了我國巖石工程的安全高效建設。

為解決以上問題，武漢巖土所巖體工程多場耦合效應研究團隊研發了巖石力學方艙實驗室（圖1），搭建了車載式巖石力學參數測試綜合平臺，在工程現場開展高效的物理力學試驗?？紤]巖體工程現場地質構造的復雜特性，分別針對全尺寸巖芯、標準尺寸巖樣、小尺寸巖塊等不同尺度，研發了巖心連續刻劃、毫米級壓痕等巖石力學測試新技術，突破了傳統壓縮試驗制樣要求高、測試效率低、離散性大的局限性，能夠在不破壞巖塊完整性的情況下精準測出強度參數，快速且準確獲取巖石孔隙分布、波速、抗壓強度、粘聚力、內摩擦角、泊松比、斷裂韌性、硬度、地應力等力學參數，以滿足不同地質環境下的巖石力學參數需求。

1.全尺寸巖芯：對于現場鉆孔獲取的全尺寸巖芯柱，自主研發了巖芯連續刻劃試驗裝置（圖2），刻劃試驗僅對巖芯表面造成輕微刮擦損傷，避免了傳統壓縮試驗繁瑣的制樣步驟，解決了傳統巖石力學實驗方法對巖芯破壞性使用的頑疾，極大提升了巖石強度測試的效率與便利性，為巖石力學參數測試提供了一種行之有效的新技術手段。率先設計出滾珠型線性可變差動變壓器，通過編寫刀頭移動控制程序實現了刻劃深度的動態調整，保證刀頭實際切削巖塊的深度恒定，有效提升了巖塊強度、摩擦角以及粘聚力參數的計算精度，誤差可控在10%以內。

2.標準尺寸巖芯：針對地質條件較好的巖質地層，方艙實驗室可自行制取巖芯標準試件，同時裝配有小型壓縮試驗機，并自主研發了適用于三軸壓縮試驗的巖芯夾持器、靜音閉環伺服加載裝置（圖3），能夠在現場高效開展單軸/常規三軸壓縮試驗，其中最大圍壓可達100MPa，最大軸向力600kN。

3.小尺寸巖塊：對于破碎、高應力地層，常規取芯存在較大困難，現場只能獲取小尺寸巖塊。研制了適用于小尺寸巖塊的超聲波測試裝置（圖4），并開發了縱波、橫波波速的自動化測試軟件，能夠快速拾取波速信息，突破了以往小尺寸巖塊波速難以精準測試的限制。同時，搭載了適用于小尺寸巖塊的低場磁共振波譜儀（圖5），實現了亞微觀尺度下孔徑分布及孔隙度的準確測定。此外，發展了基于毫米級壓頭的小尺寸巖塊壓痕測試方法（圖6），研發了自動陣列移動+循環壓痕+結果處理等系列技術，并研制出適用于毫米壓痕的二維應力加載裝置，實現了原位水平應力下彈性模量的多次自動化測試，克服了難以獲取標準尺寸巖芯的困難。

4.數值實驗：考慮現場巖石力學試驗樣本數量受限，發展了考慮各向異性、損傷、塑性機理的跨尺度力學模型，研發了微觀基因識別→均勻化力學建?！鷱椥詤翟u估→數值試驗方法，提出了基于線性和非線性均勻化的巖石彈性參數評估、數值試驗方法，并開發了巖石力學數值實驗APP小程序（圖7），實現從巖屑-巖塊的跨尺度上對巖石力學參數的準確測試和評估。

該巖石力學方艙實驗室在某大型水封地下洞庫、青海共和干熱巖、川藏鐵路、塔里木深層油氣田、古龍頁巖油氣田等多項國家重大項目中成功應用，準確、高效地提供了巖石力學參數，有力支撐了工程的高效和安全建設。相關成果發表論文2篇，授權發明專利4項，相關研究得到了國家青年人才項目、國家重點研發計劃國際合作項目（No. 2022YFE0137200）資助。

已發表論文：

（1）https://doi.org/10.1007/s11440-018-0691-0

（2）http://ytlx.whrsm.ac.cn/EN/10.16285/j.rsm.2022.0742

????已授權發明專利：

（1）一種巖石宏觀壓入測試系統，ZL202210276274.8

（2）Rock high-stress high-temperature micro-nano indentation test system. Publication No. US-2021-0123844-A1.

（3）一種巖石高應力高溫微納米壓痕試驗系統，ZL201911009396.5

（4）一種基于納米壓痕試驗測定花崗巖宏觀力學性質的試驗方法，ZL201710539143.3