岩石力学实验投稿

岩石力学实验投稿

《岩土工程学报》是EI检索，但不属于SCI检索。两种学报各有所长，关键是根据自己需要。

《岩石力学与工程学报》和《岩土工程学报》均为EI收录期刊，但没有被SCI收录。Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering (JRMGE) 和《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》为中科院武汉岩土所三大期刊，而且JRMGE于2019年2月已经被SCI收录。

理论源于实践，并需要得到实践的检验。试验是一切科学研究的基础，岩石力学的研究也是从试验开始的，尽管古代有关的试验记录尚未发现，但数千年前埃及和希腊人在修建金字塔及寺庙时，已确实考虑到岩石的强度问题［3］。秦昭王（公元前306～前251年）时李冰父子修建的都江堰，西汉楚襄王刘注（公元前128～前116年）的墓室——徐州龟山汉墓，隋开皇大业（公元581～618年）年间李春修建的赵州桥，1230年建成的英国Wells 大教堂等，都是古代岩体工程的杰出代表，显示了古代人民对岩石力学性质的良好理解。时至今日，利用Google等搜索工具，不难在INTERNET上得到相关图片和文字介绍。当然，没有成功的古代工程也为数不少。正如文献［4］所说，All of the earlier activity was，of course，conducted without the benefit of modern some case the projects were successful，often dramatically so；but，in other case，we know that they were cathedrals were not so fortunate as that at Wells and collapsed during or shortly after construction。

文艺复兴时期Da Vinci的“不同长度铁丝的强度试验”［3］，可能是目前已知最早的力学试验记录（大约公元1500年）。Galielo G在1638年报告了空心梁和实心梁的直接拉伸强度和弯曲强度，在研究弯曲强度时采用了悬臂梁端头加载的方式［5］。

有记载的第一台岩石力学试验机大约是1770年由制造的，其目的是设计Sainte Genevieve教堂的立柱。该试验机利用杠杆系统加载，得到了边长5cm立方体岩石的压缩强度，并注意到长柱体岩石的强度小于立方体岩石的强度。18世纪后期至19世纪初，由于桥梁（石桥和铁桥）的大量兴建，激发了试验机的设计和制造；而每一试验机的设计和制造都将当时的技术水平发挥到极限。19世纪80年代的试验机已经能够自动记录试样的载荷-位移曲线。1865年，第一个商业实验室在伦敦开业，拥有一台载荷1000000 lb的设备，压缩试验的最大试样可以达到长，断面边长32 in。1910年，在Pittsburgh 的兵工厂（Arsenal Ground），后移至 Washington 的标准局（Bureau of Standards），安装了最大压缩载荷10000000 lb的试验机，试样的最大长度也增大到30ft［6］。

图1-1 大理岩常规三轴压缩全程曲线

曲线上数字是围压，单位MPa

在试验机载荷不断增加的同时，试验机的加载方式也在改进完善。由机械加载变为液压加载，由单向加载变为准三向加载（Pseudo-triaxial compression）。即将圆柱体岩样放置在液压腔中，利用油压对岩样进行侧向加载，在维持侧限压力（也称围压Confining pressure or ambient pressure）的同时，对岩样进行轴向压缩。Von Karman 于1911年发表的大理岩（Carvala marble）常规三轴压缩试验曲线是标志性的工作（图1-1），最高围压达到326MPa［7］。试验结果表明，对大理岩而言，脆性只是应力较低时的表现；而在较高应力状态（如地质条件）下，岩石完全可以产生很大的塑性变形而显示出延性。对某些粗晶大理岩围压达到3MPa时，即可显示延性变形特征［8］。

茂木清夫设计了对长方柱体试样进行三向不等压加载的真三轴试验机，从1967年开始发表了一系列文章［9］，论述中间主应力对岩样强度、变形、脆性和延性的作用。图1-2是典型的一组试验结果。随着中间主应力的增加，白云岩（Dunham dolomite）试样的强度有所增加，而屈服过程的塑性变形减小，岩石趋于脆性。脆性破坏消耗的能量小，而延性破坏消耗的能量大。图1-2的试验结果表明，在最小主应力一定时，增加中间主应力对维持岩石的完好并没有多大作用。无疑实际岩体处于复杂的应力状态，其破坏方式需要研究。

真三轴试验可以在三个方向利用固体承压板进行加载［10］，为了减少加载板之间的干涉和摩擦的影响，真三轴试验机后来多采用液压加载最小主应力［11］。

文献［12］介绍了高温高压三轴加载试验机的发展过程、主要特征以及相应的岩石力学试验成果。Griggs 型装置，以固体铅（Pb）或盐（NaCl）作为围压介质，利用两个活塞分别产生围压和主应力差，围压达到3GPa，温度达到1500℃，可以进行长达数月的高温蠕变试验［13，14］。立方加压（Cubic press）系统，利用6个液压缸在3个方向对立方体试样进行真三轴加载，如文献［15，16］利用2MN（200 tons）的立方加压系统对边长42mm的岩样进行试验，700℃的温度从压头传入岩样。如果将圆柱试样置入固体介质内，也可以利用立方加压系统进行高围压、高温试验。文献［17］对直径、长～的石英试样进行围压 7GPa、温度2000℃的三轴压缩试验；文献［18］的立方加压系统，700MPa 的工作压力可以使液压缸载荷达到5 MN（500 tons），可以对直径8mm、长16mm的试样进行围压、主应力差4GPa、温度1000℃的三轴压缩试验，围压介质是叶蜡石（pyrophyllite）。

图1-2 中间主应力对白云岩试样强度和变形的影响

最小主应力σ3=125MPa，曲线上数字是中间主应力σ2，单位：MPa

图1-3 岩石试样单轴压缩的全程曲线［20］

1—查尔考灰色花岗岩Ⅰ；2—印第安纳石灰岩；3—田纳西大理岩；4—查尔考灰色花岗岩Ⅱ；5—玄武岩；6—佐伦霍芬石灰岩

1935年，Spaceth W提出刚性试验机的设想之后，开始了对混凝土全程曲线的研究。此后的30余年，为提高试验机刚度采取了各种措施，主要有提高试验机支架刚度、与岩样并联安装附加刚性设施、减小加载油缸长度等，最后甚至利用水银作为加载液压缸的工作介质。但直到1966年，Cook N G W才在液压-热力混合加载的刚性试验机上，得到岩石试样单轴压缩的全程曲线［19］。全程曲线的获得表明，岩石爆炸式的破坏是由试验机刚度不足引起的，岩石达到强度之后仍然可以承载。标志性的工作是，1968年Wawersik W R对该试验机作了改进，采取人工伺服控制的方法，得到了一系列岩石试样单轴压缩的全程曲线（图1-3），并指出，根据岩样单轴压缩破坏的稳定与否，可以将岩石分为Ⅰ类和Ⅱ类材料［20］。这一观点至今仍存在争论。

近代力学试验机以加载控制和数据采集的计算机处理为主要特征。试验机的刚性支架和反馈控制实现了脆性材料的可控破坏，从而对岩石达到强度极限之后的破坏过程有所认识，并研究岩石破坏过程中的承载、变形特性，开创了岩石力学研究的新纪元。图1-4a是在伺服试验机MTS上得到的煤试样单轴压缩过程中的轴向应力、轴向应变和环向应变，图1-4b对局部曲线作了5：1的放大。试验过程中以试样环向变形增加速率4mm/3600sec控制轴向加载［21］，试验机每秒采样一次，共3600组数据。在加载过程中，煤试样局部会产生脆性破坏，使环向变形突然增大；为维持环向变形的恒定速率，试验机会伺服控制轴向卸载，减小环向变形后再继续进行轴向加载。

图1-4 伺服试验机上得到的煤试样单轴压缩过程

a—试验的全过程；b—局部的放大图

现在，岩石变形引起颗粒结构的细观变化，已经利用电镜扫描、CT技术等进行研究；岩石破坏过程中声音、电磁现象也利用各种设备进行测试［22～27］。

围绕岩爆形成的力学机制，开展了岩石力学试验、岩爆岩石断口电镜扫描和岩爆岩石X射线粉晶衍射成分分析。本节讨论岩石力学试验研究。

如前所述，岩体现场变形破裂现象为研究岩爆的形成过程提供了1：1的原型试验成果。为了解其形成演化过程的力学机制，开展了室内岩石力学试验研究。

单轴压缩下岩石破坏后区破坏型式的试验研究

Wawersik(1968)根据单轴压缩试验的结果，把岩石破坏后区之破坏形态分为Ⅰ、Ⅱ两大类型(图6-2)。Ⅰ型破坏属稳定破坏，岩石试件在峰值后所储存的变形能不能使其破裂继续扩展，故只有对它再继续做功，才能使它进一步破裂，硬度不高的岩石往往呈这种变形破坏型式；Ⅱ型破坏则是非稳定的，其破坏不需外力做功，岩石试件所储存的应变能突然释放即可使其自身破裂得以继续发展，一般脆而坚硬的岩石往往属此种变形破坏型式。

图6-2 单轴压缩下岩石破坏后区破坏类型

(据Wawersik，1968)

Ⅰ—稳定破坏；Ⅱ—非稳定破坏

Types of rock destruction under uniaxial compress

(Wawersik，1968)

Ⅰ—steady failure；Ⅱ—unsteady failure

本次试验在美国产 MTS815 Test star程控伺服岩石力学试验系统(下同)上进行，采用环向应变控制加载，以10-7s-1的加载速率施加轴压，进行岩石单轴应力-应变全过程测试研究，试样全部取自二郎山公路隧道。测试结果表明(图6-3)，发生岩爆地段的石英砂岩、粉砂岩、灰岩、砂质泥岩等硬脆性岩石均出现Ⅱ型破坏(图6-3(a)、(b)、(c)、(d))；不发生岩爆地段的砂质泥岩则出现了Ⅰ型破坏(图6-3(e))。

图6-3 单轴压缩条件下应力-应变曲线

Stress-strain curve under uniaxial compression

岩爆倾向性指数(Wet)测试研究

高地应力条件是导致岩爆发生的外部必要条件，但不是充分条件。因为岩体的性能和结构构造条件等有所不同时，其变形破裂特性也就不相同。所以在相同地应力条件下，围岩发生岩爆与否，尚取决于岩体的变形破裂特性，岩爆倾向性指数(Wet)可以反映岩石的这种性能(，1972)。

测试以20kN/min的加载速率施加轴压进行加载，加载终值为单轴抗压强度Rb的～倍，然后再卸载至，得到单轴应力状态下的加、卸载应力-应变曲线，从而求得卸载所释放的弹性应变能(фSP)和耗损的弹性应变能(фST)之比值фSP/фST作为岩爆倾向性指数(Wet)。典型测试结果如图6-4(a)、(b)、(c)和表6-5所示。

图6-4 单轴压缩卸载过程Wet测试曲线

Wet test curve under uniaxial compression and unloading

表6-5 岩爆倾向性指数(Wet)测试分析表 The results of test and analysis for Wet

从表6-5中可以看出，EB6取样处岩石强度应力比Rb/σ1=，＞7，并未形成高地应力；Wet=，小于2，故不具备发生岩爆的内、外因条件，因而无岩爆活动。EBS12取样处岩石强度应力比Rb/σ1=，属高地应力；Wet=，介于2～之间，故具备了发生岩爆的内、外因条件，因而发生了轻微岩爆活动。EBS42取样处岩石强度应力比Rb/σ1=，介于4～7之间，属高地应力；但Wet=，小于2，因而不具备发生岩爆的内因条件，所以没有发生岩爆现象(判别标准参见表6-3)。综上所述，岩体只有在内、外因条件都具备时，才有可能发生岩爆活动。

卸荷状态下变形破裂机制的岩石力学实验研究

隧道围岩处在一个复杂的应力应变环境中。本书按照其岩石(体)的实际受力状态来研究它们的变形破裂特性，以探讨岩爆形成的力学机制之实验依据。

试验设计与方法

为简单计，我们设初始应力状态以λ表示，即λ=σH/σV(σH为水平应力，σV为垂直应力)；在围岩中开挖半径为a的圆形硐室后，其二次应力状态可以近似地用下列公式来加以表达：

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

式中：σr、σθ、τrθ分别为径向应力、切向应力和剪应力；φ为极角， 。当r=a时，α=1，圆形硐室周边的二次应力状态则变为：

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

从以上公式中可以看出，隧道的开挖使其周边的围岩应力发生了重新调整分布：径向应力σr随着向开挖自由表面接近而逐渐减小，至硐壁处降为零；切向应力σθ沿硐壁周边的应力值及其分布主要决定于λ值。但总的来说，隧道的开挖卸荷作用在围岩中引起强烈的应力分异现象，使围岩应力差越接近开挖临空面越大，至硐壁处达到最大值。因而这一部分岩体的应力状态与低围岩(或无围压)条件下轴向应力增高这一应力状态大体相当。这种应力途径总体上可以通过卸围压σ3、增加轴压σ1的室内实验方式来加以模拟。

试验是在美国产MTS815 Teststar程控伺服岩石力学试验系统上进行的，采用位移控制(LVDT控制)方式，试验过程为：

(1)对每个试样加载，首先施加至静水压力状态(即σ1=σ3)，然后再增加轴压σ1至岩样破坏前的某一应力状态；

(2)缓慢地降围压σ3，同时以10-5s-1的应变速率再施加轴压σ1，在获得峰值强度后继续试验，并获得峰值后各级围压下的强度；

(3)当轴压σ1达到峰值、试样破坏时，立即停止降低围压σ3，轴压σ1仍保持10-5s-1应变速率加载，当测得的σ1不再随轴向应变的增大而继续降低时，再缓慢降低一级围压，共降3、4级后即可结束试验。

此外，为便于对比分析研究，各大类岩石均分别做了常规三轴和单轴加载试验。

试验及结果分析

本次试验所用的两种岩石全部取自二郎山公路隧道岩爆区的新鲜、完整岩层中，岩性分别为粉砂岩(ZE2组)和灰岩(WP1组)。各试验主要成果如图6-5至6-8和表6-6所示。

变形与强度特征

从表6-6中可知，与常规三轴加载试验相比，岩石在位移控制方式下卸荷三轴试验中破坏时的应力差(σ1-σ3)和弹性模量值多明显减小。例如，灰岩WP1-23试样在LVDT控制方式下卸荷破坏时的应力差仅为、弹性模量值为，而常规三轴LVDT控制方式下基本相同围压时加载破坏的WP1-25试样之应力差则为、弹性模量值达；粉砂岩ZE2-24试样在LVDT控制方式下卸荷破坏时的应力差为、弹性模量值为，而常规三轴LVDT控制方式下基本相同围压时加载破坏的ZE2-25试样之应力差则为、弹性模量值达。此外，卸荷试验中，岩石破坏时随着围压σ3的增大，其应力差σ1-σ3也逐渐增大。

图6-5 常规三轴应力-应变曲线

Triaxial stress-strain curve

图6-6 岩石卸荷破坏时σ1-σ3关系曲线

The σ1-σ3curve of rock unloading failure

表6-6 卸荷三轴试验成果综合表 The triaxial testing results under loading and unloading

图6-7 灰岩卸荷试验应力-应变曲线

Stress-strain curve of unloading test in limestone

图6-8 粉砂岩卸荷试验应力-应变曲线

Stress-strain curve of unloading test in siltstone

以轴向应力σ1和围压σ3为坐标轴，绘出试样卸荷破坏时的σ1-σ3关系曲线如图6-6所示。回归分析得出以下的线性关系式：

粉砂岩卸荷破坏时 σ1=σ3，r= (6-3)

灰岩卸荷破坏时 σ1=σ3，r= (6-4)

式中σ单位为MPa。

上述关系式由于试样较少，加上试样本身结构性能等的影响，其规律性还有待于进一步探索。

此外，岩石试验抗剪断强度参数也有类似上述的变化规律：例如WP1灰岩组试样在LVDT控制方式下卸荷破坏时抗剪断强度参数C为、φ为°，而常规三轴LVDT控制方式下加载破坏时抗剪断强度参数C值高达、φ高达°；ZE2粉砂岩组在LCDT控制方式下卸荷破坏时抗剪断强度参数C值为、φ为°，而常规三轴LVDT控制方式下加载破坏时抗剪断强度参数C值则达、φ达°。

破裂特征

本次试验所用的两组试样，均采自隧道岩爆区，分别为灰岩(图6-9)和粉砂岩(图6-10)，图6-9、6-10两图展示了试样的破裂迹象，有以下特征。

图6-9 WP1灰岩组试样破坏形迹素描图

Destruction pattern for testing sample of limestone，WP1 group

(a)σ3=0；(b)σ1/σ3=；(c)σ1/σ3=；(d)σ1/σ3=；(e)σ1/σ3=

图6-10 ZE2粉砂岩组试样破坏形迹素描图

Failure pattern for testing sample of siltstone，ZE2 group

(a)σ3=0；(b)σ1/σ3=；(c)σ1/σ3=；(d)σ1/σ3=

(1)卸荷破裂的总体特征，与低围压三轴加载试验结果相近似，即具有较强的张性破裂特征。

(2)在围压接近0(σ3≈0)情况下的破裂，与单轴压缩破裂迹象类似，出现一系列与轴向大体平行的张性裂纹(图6-9(a)，图6-10(a))。

(3)卸荷状态下的剪切破裂带有剪张特征，大多追踪轴向隐伏拉裂缝后生成，顺阶步的错动可产生剪切和扩容(图6-9(b)～(e)和图6-10中(b)～(d))。

(4)随着破坏围压的增高，试样破坏剪切成分比重增大(图6-9(b)～(e)，图6-10中(b)～(d))，局部形成共轭“X”形裂面。随着破坏围压的增高，发展为贯通性的剪切破裂与密集的共轭剪裂隙和纵张裂隙相伴(如图6-9(e)和图6-10(c))。卸荷状态下的破裂迹象可与岩爆迹象之间进行对比。

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岩石力学与工程学报投稿难度

建筑科学类中文核心期刊：1.岩石力学与工程学报2.岩土工程学报3.建筑结构学报4.岩土力学5.土木工程学报6.城市规划7.工业建筑8.建筑结构9.城市规划学刊10.工程地质学报11.中国给水排水12.空间结构13.建筑材料学报14.给水排水15.重庆建筑大学学报（改名为：土木建筑与环境工程）16.混凝土17.建筑科学与工程学报18.世界地震工程19.建筑学报20.暖通空调21.中国园林22.建筑钢结构进展23.防灾减灾工程学报24.混凝土与水泥制品25.西安建筑科技大学学报.自然科学版26.工程抗震与加固改造27.规划师28.地下空间与工程学报29.沈阳建筑大学学报．自然科学版30.国际城市规划31.建筑科学32.施工技术33.结构工程师核心没有哪个好发，都有难度的

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<建筑结构学报>

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