岩石力学性质的实验研究
达芬奇的《不同长度铁丝的强度试验》[3]可能是已知最早的机械试验记录(约公元1500年)。Galielo G在1638中报道了空心梁和实心梁的直接抗拉强度和抗弯强度，采用悬臂梁端部加载法研究抗弯强度[5]。
第一台有记载的岩石力学试验机是E.-M.Gauthey在大约1770年制造的，其目的是设计圣吉纳维芙教堂的柱子。利用杠杆系统获得了边长为5cm的立方体岩石的抗压强度，发现长圆柱形岩石的强度小于立方体岩石的强度。18世纪后期到19世纪前期，试验机的设计和制造灵感来源于桥梁(石桥、铁桥)的大量修建。每台试验机的设计和制造都将当时的技术水平发挥到极限。65438+80年代试验机已能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成立，负载1000000磅。压缩试验的最大试样长度可达21.5英尺，截面边长为32英寸。1910年，一台最大压缩载荷为10000000 lb的试验机被安装在匹兹堡的兵工厂场地，然后被转移到华盛顿的标准局，样品的最大长度也被增加到30ft [6]。
图1-1大理岩常规三轴压缩全曲线。
曲线上的数字是围压，单位为兆帕。
在试验机负载不断增加的同时，试验机的加载方式也在不断改进。从机械加载到液压加载，从单向加载到伪三轴压缩。即在液压腔内放置一个圆柱形岩样，岩样受到油压的侧向加载，在保持围压(也称围压或环境压力)的情况下，对岩样进行轴向压缩。冯·卡门在1911发表的大理岩常规三轴压缩试验曲线是一部里程碑式的著作(图1-1)，最高围压达到326 MPa [7]。试验结果表明，对于大理岩，脆性只是应力较低时的表现；而在高应力状态下(如地质条件)，岩石可以产生很大的塑性变形，表现出延性。当某些粗粒大理岩的围压达到3MPa时，可以表现出延性变形特征[8]。
Mao Kiyoo设计了三维不等压加载矩形圆柱体试样的真三轴试验机，发表了1967系列文章[9]，讨论了中间主应力对岩石试样强度、变形、脆性和延性的影响。图1-2是一组典型的测试结果。随着中间主应力的增大，邓汉姆白云岩的强度增大，而屈服过程中的塑性变形减小，岩石趋于脆性。脆性破坏消耗的能量较少，而延性破坏消耗的能量较多。图1-2的试验结果表明，在最小主应力不变的情况下，增加中间主应力对保持岩石的完整性影响不大。毋庸置疑，实际岩体处于复杂的应力状态，其破坏模式有待研究。
真三轴试验可以用实心承压板在三个方向加载[10]。为了减少加载板之间的干涉和摩擦的影响，真三轴试验机后来采用了最小主应力的液压加载[11]。
文献[12]介绍了高温高压三轴加载试验机的研制过程、主要特点及相应的岩石力学试验结果。格里戈斯装置以固体铅(Pb)或盐(NaCl)为围压介质，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℃，可以进行数月的高温蠕变试验[13，14]。六面顶压机系统，使用六个液压缸在三个方向上对立方体试样进行真三轴加载。例如，在参考文献[15，16]中，使用2MN(200吨)六面顶压机系统测试边长为42mm的岩石样品，并从压头向岩石样品中引入700℃的温度。如果将圆柱形样品置于固体介质中，立方体加压系统也可用于高围压和高温试验。文献[17]在围压为7GPa，温度为2000℃的条件下，对直径为2.9mm，长度为8.5 ~ 9.5 mm的应时试样进行了三轴压缩试验。根据参考文献[18]的六面体压缩系统，在700MPa的工作压力下，液压缸载荷可达5 MN(500吨)，可对直径8mm、长16mm的试样进行三轴压缩试验，围压为3.7GPa，主应力差为4GPa，温度为1000℃。围压介质为叶蜡石(Py)。
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，曲线上的数字为中间主应力σ2，单位为MPa。
图1-3岩样单轴压缩完整曲线[20]
1—白垩灰色花岗岩ⅰ；2-印第安纳石灰岩；3-田纳西大理石；4—白垩灰色花岗岩ⅱ；5-玄武岩；6-佐伦霍芬石灰岩
1935年，Spaceth W提出刚性试验机的想法后，开始研究混凝土的全曲线。30多年后，人们采取了各种措施来提高试验机的刚度，包括提高试验机支架的刚度、安装与岩样平行的附加刚性设施、减小加载筒的长度等。最后，水银甚至被用作加载缸的工作介质。但直到1966，Cook N G W才在水热混合加载的刚性试验机上得到岩样单轴压缩的全曲线[19]。全曲线的采集表明，岩石的爆炸破坏是试验机刚度不足造成的，岩石达到强度后仍能承受载荷。标志性的工作是1968年Wawersik W R对试验机进行了改进，采用手动伺服控制的方法获得了一系列岩石试样单轴压缩下的完整曲线(图1-3)，并指出岩石根据单轴压缩破坏的稳定性可分为ⅰ类和ⅱ类材料[20]。这个观点还是有争议的。
现代力学试验机的特点是加载控制和数据采集的计算机处理。试验机的刚性支撑和反馈控制实现了脆性材料的可控破坏，从而了解岩石达到强度极限后的破坏过程，研究岩石在破坏过程中的承载和变形特征，开创了岩石力学研究的新时代。图1-4a显示了煤样在单轴压缩过程中的轴向应力、轴向应变和周向应变，图1-4b将局部曲线放大了5: 1。试验时，轴向载荷[21]由4mm/3600sec的试样周向变形增加率控制，试验机每秒取样一次，数据***3600组。在加载过程中，煤样局部会发生脆性破坏，使周向变形突然增大；为了保持恒定的周向变形速率，试验机将伺服控制轴向卸载，减小周向变形，然后继续轴向加载。
图1-4伺服试验机上煤样的单轴压缩过程
a-测试的整个过程；局部放大
目前，利用电子显微镜扫描和CT技术研究了岩石变形引起的颗粒结构的微观变化。在岩石破坏过程中，声音和电磁现象也被各种装置测试[22 ~ 27]。