巖石力學(xué)參數(shù)是所有巖石工程設(shè)計、施工和運維必需的基礎(chǔ)參數(shù)，是開展巖石工程的必要前提。傳統(tǒng)巖石力學(xué)參數(shù)測試技術(shù)和方法需經(jīng)歷現(xiàn)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(chǎn)生擾動，導(dǎo)致巖石力學(xué)參數(shù)的時效性和準(zhǔn)確性達(dá)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(biāo)準(zhǔn)巖石試樣，上述問題導(dǎo)致巖石工程經(jīng)常面臨“無法開展傳統(tǒng)巖石力學(xué)試驗”、“巖石力學(xué)參數(shù)測試誤差大”的困境，嚴(yán)重制約了我國巖石工程的安全高效建設(shè)。

為解決以上問題，武漢巖土所巖體工程多場耦合效應(yīng)研究團(tuán)隊研發(fā)了巖石力學(xué)方艙實驗室（圖1），搭建了車載式巖石力學(xué)參數(shù)測試綜合平臺，在工程現(xiàn)場開展高效的物理力學(xué)試驗?？紤]巖體工程現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜特性，分別針對全尺寸巖芯、標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖樣、小尺寸巖塊等不同尺度，研發(fā)了巖心連續(xù)刻劃、毫米級壓痕等巖石力學(xué)測試新技術(shù)，突破了傳統(tǒng)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(zhǔn)測出強(qiáng)度參數(shù)，快速且準(zhǔn)確獲取巖石孔隙分布、波速、抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、斷裂韌性、硬度、地應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)，以滿足不同地質(zhì)環(huán)境下的巖石力學(xué)參數(shù)需求。

1.全尺寸巖芯：對于現(xiàn)場鉆孔獲取的全尺寸巖芯柱，自主研發(fā)了巖芯連續(xù)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(tǒng)壓縮試驗繁瑣的制樣步驟，解決了傳統(tǒng)巖石力學(xué)實驗方法對巖芯破壞性使用的頑疾，極大提升了巖石強(qiáng)度測試的效率與便利性，為巖石力學(xué)參數(shù)測試提供了一種行之有效的新技術(shù)手段。率先設(shè)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?qū)崿F(xiàn)了刻劃深度的動態(tài)調(diào)整，保證刀頭實際切削巖塊的深度恒定，有效提升了巖塊強(qiáng)度、摩擦角以及粘聚力參數(shù)的計算精度，誤差可控在10%以內(nèi)。

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

3.小尺寸巖塊：對于破碎、高應(yīng)力地層，常規(guī)取芯存在較大困難，現(xiàn)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(fā)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(zhǔn)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(xiàn)了亞微觀尺度下孔徑分布及孔隙度的準(zhǔn)確測定。此外，發(fā)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(fā)了自動陣列移動+循環(huán)壓痕+結(jié)果處理等系列技術(shù)，并研制出適用于毫米壓痕的二維應(yīng)力加載裝置，實現(xiàn)了原位水平應(yīng)力下彈性模量的多次自動化測試，克服了難以獲取標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖芯的困難。

4.數(shù)值實驗：考慮現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗樣本數(shù)量受限，發(fā)展了考慮各向異性、損傷、塑性機(jī)理的跨尺度力學(xué)模型，研發(fā)了微觀基因識別→均勻化力學(xué)建?！鷱椥詤?shù)評估→數(shù)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(shù)評估、數(shù)值試驗方法，并開發(fā)了巖石力學(xué)數(shù)值實驗APP小程序（圖7），實現(xiàn)從巖屑-巖塊的跨尺度上對巖石力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測試和評估。

該巖石力學(xué)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(yīng)用，準(zhǔn)確、高效地提供了巖石力學(xué)參數(shù)，有力支撐了工程的高效和安全建設(shè)。相關(guān)成果發(fā)表論文2篇，授權(quán)發(fā)明專利4項，相關(guān)研究得到了國家青年人才項目、國家重點研發(fā)計劃國際合作項目（No. 2022YFE0137200）資助。

已發(fā)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(quán)發(fā)明專利：

（1）一種巖石宏觀壓入測試系統(tǒng)，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(yīng)力高溫微納米壓痕試驗系統(tǒng)，ZL201911009396.5

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

圖1 巖石力學(xué)方艙實驗室內(nèi)部

圖2 巖芯連續(xù)刻劃裝置及其測試結(jié)果：（a）巖芯連續(xù)刻劃裝置；（b）設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意；（c）尖刀頭、鈍刀頭切削形態(tài)與荷載曲線；（d）尖刀頭不同刻劃深度下的破碎比能；（e）鈍刀頭不同刻劃深度下的E-S線性關(guān)系回歸

圖3 單軸/常規(guī)三軸壓縮試驗機(jī)及試驗結(jié)果：（a）試驗機(jī)；（b）巖芯夾持器；（c）不同圍壓下巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 超聲波測試裝置及其測試結(jié)果：(a)超聲波測試裝置；（b）超聲波信號發(fā)射-接受原理：（c）不同深度下波速測試；（d）橫波-縱波線性關(guān)系回歸

圖5 一體化磁共振波譜儀及測試結(jié)果：（a）試驗儀器；（b）紅砂巖孔隙度測試結(jié)果；（c）紅砂巖T2譜測試

圖6 毫米壓痕測試裝置及其測試結(jié)果：（a）毫米壓痕測試裝置；（b）二維應(yīng)力加載裝置；（c）自動陣列移動-循環(huán)壓痕技術(shù)示意；（d）壓痕原理示意；（e）球形壓頭壓痕測試結(jié)果；（f）不同壓頭下壓痕載荷-位移曲線

圖7 均勻化巖石數(shù)值實驗方法：（a）均勻化方法示意；（b）巖石微觀-宏觀尺度效應(yīng)對比；（c）升尺度損傷應(yīng)力-應(yīng)變反演軟件界面