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武汉岩土所在岩石力学方舱实验室研发方面取得进展

来源：深部岩石力学与地下工程研究中心时间：2024-08-23

岩石力学参数是所有岩石工程设计、施工和运维必需的基础参数，是开展岩石工程的必要前提。传统岩石力学参数测试技术和方法需经历现场取芯—运回实验室—制样测试等过程，试验周期冗长，且不可避免地会对试样产生扰动，导致岩石力学参数的时效性和准确性达不到要求。更为重要的是，部分工程取芯较少，甚至不能取芯，难以制取标准岩石试样，上述问题导致岩石工程经常面临“无法开展传统岩石力学试验”、“岩石力学参数测试误差大”的困境，严重制约了我国岩石工程的安全高效建设。

为解决以上问题，武汉岩土所岩体工程多场耦合效应研究团队研发了岩石力学方舱实验室（图1），搭建了车载式岩石力学参数测试综合平台，在工程现场开展高效的物理力学试验。考虑岩体工程现场地质构造的复杂特性，分别针对全尺寸岩芯、标准尺寸岩样、小尺寸岩块等不同尺度，研发了岩心连续刻划、毫米级压痕等岩石力学测试新技术，突破了传统压缩试验制样要求高、测试效率低、离散性大的局限性，能够在不破坏岩块完整性的情况下精准测出强度参数，快速且准确获取岩石孔隙分布、波速、抗压强度、粘聚力、内摩擦角、泊松比、断裂韧性、硬度、地应力等力学参数，以满足不同地质环境下的岩石力学参数需求。

1.全尺寸岩芯：对于现场钻孔获取的全尺寸岩芯柱，自主研发了岩芯连续刻划试验装置（图2），刻划试验仅对岩芯表面造成轻微刮擦损伤，避免了传统压缩试验繁琐的制样步骤，解决了传统岩石力学实验方法对岩芯破坏性使用的顽疾，极大提升了岩石强度测试的效率与便利性，为岩石力学参数测试提供了一种行之有效的新技术手段。率先设计出滚珠型线性可变差动变压器，通过编写刀头移动控制程序实现了刻划深度的动态调整，保证刀头实际切削岩块的深度恒定，有效提升了岩块强度、摩擦角以及粘聚力参数的计算精度，误差可控在10%以内。

2.标准尺寸岩芯：针对地质条件较好的岩质地层，方舱实验室可自行制取岩芯标准试件，同时装配有小型压缩试验机，并自主研发了适用于三轴压缩试验的岩芯夹持器、静音闭环伺服加载装置（图3），能够在现场高效开展单轴/常规三轴压缩试验，其中最大围压可达100MPa，最大轴向力600kN。

3.小尺寸岩块：对于破碎、高应力地层，常规取芯存在较大困难，现场只能获取小尺寸岩块。研制了适用于小尺寸岩块的超声波测试装置（图4），并开发了纵波、横波波速的自动化测试软件，能够快速拾取波速信息，突破了以往小尺寸岩块波速难以精准测试的限制。同时，搭载了适用于小尺寸岩块的低场磁共振波谱仪（图5），实现了亚微观尺度下孔径分布及孔隙度的准确测定。此外，发展了基于毫米级压头的小尺寸岩块压痕测试方法（图6），研发了自动阵列移动+循环压痕+结果处理等系列技术，并研制出适用于毫米压痕的二维应力加载装置，实现了原位水平应力下弹性模量的多次自动化测试，克服了难以获取标准尺寸岩芯的困难。

4.数值实验：考虑现场岩石力学试验样本数量受限，发展了考虑各向异性、损伤、塑性机理的跨尺度力学模型，研发了微观基因识别→均匀化力学建模→弹性参数评估→数值试验方法，提出了基于线性和非线性均匀化的岩石弹性参数评估、数值试验方法，并开发了岩石力学数值实验APP小程序（图7），实现从岩屑-岩块的跨尺度上对岩石力学参数的准确测试和评估。

该岩石力学方舱实验室在某大型水封地下洞库、青海共和干热岩、川藏铁路、塔里木深层油气田、古龙页岩油气田等多项国家重大项目中成功应用，准确、高效地提供了岩石力学参数，有力支撑了工程的高效和安全建设。相关成果发表论文2篇，授权发明专利4项，相关研究得到了国家青年人才项目、国家重点研发计划国际合作项目（No. 2022YFE0137200）资助。

已发表论文：

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

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

已授权发明专利：

（1）一种岩石宏观压入测试系统，ZL202210276274.8

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

（3）一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，ZL201911009396.5

（4）一种基于纳米压痕试验测定花岗岩宏观力学性质的试验方法，ZL201710539143.3