巖石力學(xué)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(kāi)展巖石工程的必要前提。傳統巖石力學(xué)參數測試技術(shù)和方法需經(jīng)歷現場(chǎng)取芯—運回實(shí)驗室—制樣測試等過(guò)程，試驗周期冗長(cháng)，且不可避免地會(huì )對試樣產(chǎn)生擾動(dòng)，導致巖石力學(xué)參數的時(shí)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(wèn)題導致巖石工程經(jīng)常面臨“無(wú)法開(kāi)展傳統巖石力學(xué)試驗”、“巖石力學(xué)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(wèn)題，武漢巖土所巖體工程多場(chǎng)耦合效應研究團隊研發(fā)了巖石力學(xué)方艙實(shí)驗室（圖1），搭建了車(chē)載式巖石力學(xué)參數測試綜合平臺，在工程現場(chǎng)開(kāi)展高效的物理力學(xué)試驗?？紤]巖體工程現場(chǎng)地質(zhì)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(fā)了巖心連續刻劃、毫米級壓痕等巖石力學(xué)測試新技術(shù)，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(xué)參數，以滿(mǎn)足不同地質(zhì)環(huán)境下的巖石力學(xué)參數需求。

1.全尺寸巖芯：對于現場(chǎng)鉆孔獲取的全尺寸巖芯柱，自主研發(fā)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(xué)實(shí)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(xué)參數測試提供了一種行之有效的新技術(shù)手段。率先設計出滾珠型線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器，通過(guò)編寫(xiě)刀頭移動(dòng)控制程序實(shí)現了刻劃深度的動(dòng)態(tài)調整，保證刀頭實(shí)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?xún)取?/p>

2.標準尺寸巖芯：針對地質(zhì)條件較好的巖質(zhì)地層，方艙實(shí)驗室可自行制取巖芯標準試件，同時(shí)裝配有小型壓縮試驗機，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），能夠在現場(chǎng)高效開(kāi)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(chǎng)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(kāi)發(fā)了縱波、橫波波速的自動(dòng)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(shí)，搭載了適用于小尺寸巖塊的低場(chǎng)磁共振波譜儀（圖5），實(shí)現了亞微觀(guān)尺度下孔徑分布及孔隙度的準確測定。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(dòng)陣列移動(dòng)+循環(huán)壓痕+結果處理等系列技術(shù)，并研制出適用于毫米壓痕的二維應力加載裝置，實(shí)現了原位水平應力下彈性模量的多次自動(dòng)化測試，克服了難以獲取標準尺寸巖芯的困難。

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

該巖石力學(xué)方艙實(shí)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(yè)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(xué)參數，有力支撐了工程的高效和安全建設。相關(guān)成果發(fā)表論文2篇，授權發(fā)明專(zhuān)利4項，相關(guān)研究得到了國家青年人才項目、國家重點(diǎn)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

????已授權發(fā)明專(zhuān)利：

（1）一種巖石宏觀(guān)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(guān)力學(xué)性質(zhì)的試驗方法，ZL201710539143.3

圖1 巖石力學(xué)方艙實(shí)驗室內部

圖2 巖芯連續刻劃裝置及其測試結果：（a）巖芯連續刻劃裝置；（b）設備整體結構設計示意；（c）尖刀頭、鈍刀頭切削形態(tài)與荷載曲線(xiàn)；（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(xiàn)性關(guān)系回歸

圖3 單軸/常規三軸壓縮試驗機及試驗結果：（a）試驗機；（b）巖芯夾持器；（c）不同圍壓下巖石應力-應變曲線(xiàn)

圖4 超聲波測試裝置及其測試結果：(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(xiàn)性關(guān)系回歸

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

圖6 毫米壓痕測試裝置及其測試結果：（a）毫米壓痕測試裝置；（b）二維應力加載裝置；（c）自動(dòng)陣列移動(dòng)-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果；（f）不同壓頭下壓痕載荷-位移曲線(xiàn)

圖7 均勻化巖石數值實(shí)驗方法：（a）均勻化方法示意；（b）巖石微觀(guān)-宏觀(guān)尺度效應對比；（c）升尺度損傷應力-應變反演軟件界面