岩石三轴试验机|试验机科普

　　岩石三轴试验机是用于模拟岩石在地下复杂应力环境下力学行为的专用设备，广泛应用于地质工程、采矿工程、石油钻井、隧道工程等领域，可精准测定岩石的强度、变形、破坏模式等关键力学参数，为工程设计、灾害预警(如岩爆、塌方)提供核心数据支撑。
 

　　一、设备核心原理
 

　　岩石在自然界中不仅承受垂直方向的 “轴压”(如上覆岩层重量)，还承受水平方向的 “围压”(如侧向岩层约束)。三轴试验机的核心原理是通过 “轴压系统” 和 “围压系统” 协同作用，精准施加符合工程场景的应力状态，同时实时监测岩石在应力作用下的变形、应力变化，最终捕捉其从弹性变形到塑性屈服再到破坏的全过程。
 

　　根据围压的施加方式和应力路径，核心原理可细分为两类：
 

　　常规三轴压缩(CTC)：试验过程中保持围压恒定，缓慢增加轴压，直至岩石破坏(模拟地下深处岩石受上部载荷逐渐增大的场景，如矿柱受力、隧道顶部岩层)。
 

　　真三轴压缩(TTC)：可独立施加三个相互垂直的主应力(σ₁>σ₂>σ₃，均不为零)，更贴近岩石在复杂地质体中的实际应力状态(如断层带附近、深部油气储层岩石)。
 

　　二、核心组成结构
 

　　岩石三轴试验机由加载系统、测量系统、控制系统、辅助系统四大模块组成，各模块协同实现 “应力施加 - 数据采集 - 闭环控制 - 安全保护” 的全流程功能：

模块	核心部件	功能说明
加载系统	轴压加载单元（伺服油缸 / 电机）	提供轴向压力（最大轴压可达 1000-5000kN，适配不同强度岩石，如花岗岩、页岩）
	围压加载单元（液压油 / 气压缸）	提供径向围压（常规范围 0-100MPa，深部工程专用机型可达 200-5000MPa）
	三轴压力室（岩心腔）	容纳岩样，隔离围压介质（通常为液压油），保证围压均匀施加
测量系统	应力传感器（轴压 / 围压传感器）	实时监测施加的轴压、围压，精度可达 ±0.5% FS（满量程）
	变形测量装置（引伸计 / LVDT）	测量岩样轴向变形（精度 ±1μm）、径向变形（部分机型含环向引伸计）
	数据采集卡（DAQ）	高速采集应力、变形数据（采样频率可达 1000Hz 以上），避免数据丢失
控制系统	伺服控制器	基于 “目标应力 / 应变” 指令，闭环控制加载单元（如保持围压恒定、轴压匀速增加）
	专用软件（如 LabVIEW、自主开发软件）	设定试验方案（应力路径、加载速率）、实时显示曲线（应力 - 应变曲线）、数据导出
辅助系统	液压站 / 气压源	为围压、轴压加载单元提供稳定动力（液压站压力需匹配围压最大值）
	安全保护装置（压力过载阀、急停）	防止围压还有轴压超过设备额定值，避免压力室破裂或岩样飞溅

 

　　三、典型试验流程
 

　　1.岩样制备
 

　　按标准加工岩样，保证端面平行度≤0.02mm、垂直度≤0.1°(避免加载时应力集中)；
 

　　用砂纸打磨岩样表面，清除碎屑，必要时在端面粘贴润滑膜(减少端面摩擦对试验结果的影响)。
 

　　2.岩样安装
 

　　打开三轴压力室，将岩样放入岩心腔，在岩样上下端安装位移传感器(引伸计)，确保传感器与岩样贴合紧密；
 

　　关闭压力室，连接围压油管和轴压加载杆，检查密封状态(防止围压介质泄漏)。
 

　　3.试验参数设定
 

　　打开控制软件，选择 “常规三轴压缩” 模式，设定围压值、轴压加载速率；
 

　　设定数据采集频率和安全阈值。
 

　　4.加载与数据采集
 

　　启动围压加载，缓慢升至设定值并保持恒定；
 

　　启动轴压加载，软件实时绘制 “轴压到轴向应变”“围压 - 径向应变” 曲线；
 

　　持续加载至岩样破坏，自动停止加载。
 

　　5.试验后处理
 

　　卸载围压、轴压，打开压力室取出破坏后的岩样，观察破坏模式；
 

　　导出数据，计算岩石的峰值强度、弹性模量、泊松比等参数，生成试验报告。
 

　　四、适用领域与应用场景
 

　　岩石三轴试验机的核心价值是 “还原岩石真实受力环境”，因此应用场景与 “需要考虑围压影响的岩石力学问题” 高度绑定：

应用领域	具体场景	核心测试目的
采矿工程	深部矿柱稳定性、采场顶板垮塌预警	测定岩石在高围压下的抗压强度、残余强度，判断矿柱是否满足承载要求
石油与天然气工程	页岩气储层压裂设计、油气井井壁稳定性	测试页岩在不同围压下的脆性 / 塑性，优化压裂液注入压力，避免井壁坍塌
隧道与地下工程	盾构隧道围岩变形、深埋隧道岩爆风险评估	模拟隧道开挖后围岩的应力释放过程，测定岩石的蠕变参数，预测长期变形量
地质灾害防治	滑坡体滑面强度、地震引发的岩石破坏	测试滑面岩体在不同围压下的抗剪强度，评估滑坡启动风险
核废料处置	深部处置库围岩长期密封性	模拟万年尺度下岩石的蠕变行为，验证围岩是否能长期阻挡核素泄漏

 

　　五、设备选型关键因素
 

　　选型需结合 “工程需求、岩石特性、预算范围” 综合判断，避免功能冗余或不足：
 

　　围压与轴压匹配：深部工程(如 3000m 以深)需围压≥200MPa、轴压≥3000kN；浅部工程(如 500m 以浅)可选围压≤100MPa、轴压≤2000kN。
 

　　岩样尺寸兼容性：若需测试现场大尺寸岩样(如 100×100×200mm)，需选择大容积压力室；实验室小岩样(如 Φ25×50mm)可选用小型压力室，节省成本。
 

　　控制模式需求：需研究岩石蠕变(如隧道长期变形)时，需优先选择 “高精度应变控制” 机型；需模拟冲击载荷(如岩爆)时，需选择 “高速应力控制” 机型(加载速率≥10MPa/s)。
 

　　数据采集精度：真三轴试验或细观力学研究(如岩石损伤演化)需选择采样频率≥1000Hz、变形精度 ±0.5μm 的机型；常规强度测试可选用采样频率 100-500Hz 的机型。