岩石三轴试验机产品科普

　　1. 定义
 

　　岩石三轴试验机是一种用于测定岩石材料在三向应力状态(即围压、轴压共同作用)下力学特性的专用大型试验系统。它的核心功能是模拟岩石在地层深处所受的“真三轴”或“假三轴”应力条件，从而获取在复杂应力环境下岩石的强度、变形和破坏特性。
 

　　它是进行岩石力学性质研究、地质灾害评估、油气开采、地下工程设计(如隧道、矿井、水电硐室)的关键设备。
 

　　2. 工作原理与核心组成
 

　　岩石三轴试验机的工作原理是：通过独立的加载系统，对一个圆柱形的岩石试件同时施加轴向压力和侧向围压，并测量其在此复杂应力下的变形和强度特性。
 

　　一台标准的岩石三轴试验机主要由以下几大系统构成：
 

　　主机框架： 提供反力支撑的巨大刚性结构，确保在高压下稳定工作。
 

　　轴向加载系统：
 

　　作用： 对试件施加垂直方向的压力。
 

　　组成： 通常由伺服电机、滚珠丝杠或液压作动缸实现精确的位移或力控制。
 

　　围压加载系统：
 

　　作用： 对试件施加均匀的侧向压力。
 

　　组成： 核心是三轴压力室，它是一个高强度容器，内部充满液压油或其他传压介质。通过一个独立的伺服控制泵，向压力室内注入油液，从而实现对试件的等向围压加载。
 

　　孔隙压力系统：
 

　　作用： (在高级型号中配备)模拟地下岩层中的流体压力，并可控制试件的排水条件。
 

　　组成： 精密的液压伺服泵，通过管路与试件上下端的孔隙相连。
 

　　测量与数据采集系统：
 

　　轴向力传感器： 测量施加在试件上的轴向荷载。
 

　　轴向位移传感器(LVDT)： 测量试件的整体轴向变形。
 

　　环向位移传感器或应变片： 直接贴在试件上，精确测量其径向变形。
 

　　孔隙压力传感器： 测量试件内部的流体压力。
 

　　数据采集仪： 高速、同步地采集所有传感器的信号。
 

　　计算机控制系统：
 

　　作用： 是整个设备的“大脑”。用户通过软件设置试验方案(如应力路径、加载速率)，系统根据指令精确控制各加载系统，并实时显示、记录和处理所有试验数据。
 

　　3. 主要试验类型
 

　　根据排水条件和加载路径的不同，岩石三轴试验主要分为以下几种：
 

　　常规三轴压缩试验：
 

　　过程： 先对试件施加一个恒定的围压(σ₂ = σ₃)，然后保持围压不变，不断增加轴向压力(σ₁)，直至试件破坏。这是基础、常用的三轴试验。
 

　　目的： 主要用于确定岩石的抗剪强度参数(内聚力c和内摩擦角φ)。
 

　　真三轴试验：
 

　　过程： 对试件的三个主方向(σ₁, σ₂, σ₃)分别施加三个互不相同的独立压力。
 

　　目的： 模拟更复杂的真实地应力场，研究中间主应力对岩石强度和变形特性的影响。设备更为复杂和昂贵。
 

　　三轴伸长试验：
 

　　过程： 轴向应力(σ₁)小于围压(σ₂ = σ₃)，模拟拉伸破坏的应力状态。
 

　　目的： 研究岩石在低轴压、高围压下的破坏特性。
 

　　孔隙水压力试验：
 

　　过程： 在常规三轴试验的基础上，增加对试件内部孔隙水压力的控制和测量。可分为：
 

　　不固结不排水试验： 快速加载，不允许孔隙水排出。
 

　　固结不排水试验： 先让试件在围压下充分排水固结，再进行不排水剪切。
 

　　固结排水试验： 整个剪切过程都允许水缓慢排出，孔隙压力保持恒定。
 

　　目的： 研究流体对岩石强度、变形和有效应力原理的影响，对于油气藏和水利工程至关重要。
 

　　4. 关键力学参数的获取
 

　　通过分析试验数据(通常是轴向应力-轴向应变曲线和径向应变曲线)，可以获取以下关键岩石力学参数：
 

　　峰值强度： 岩石所能承受的最大轴向应力。
 

　　残余强度： 岩石破坏后仍能保持的强度。
 

　　弹性模量： 岩石在弹性变形阶段的应力与应变之比。
 

　　泊松比： 岩石在轴向受压时，径向应变与轴向应变的绝对值之比。
 

　　内聚力 和 内摩擦角： 通过一组不同围压下的试验结果，绘制莫尔-库仑强度包络线求得，是表征岩石抗剪强度的核心参数。
 

　　** dilatancy 角：** 表征岩石在剪切过程中体积膨胀的趋势。
 

　　5. 主要应用领域
 

　　土木与交通工程： 隧道、地下洞室、边坡、大坝地基的稳定性分析与设计。
 

　　石油与天然气工业： 油气储层改造、钻井井壁稳定、水力压裂设计、出砂预测。
 

　　矿业工程： 矿井支护设计、矿柱稳定性评估、岩爆预测。
 

　　地热能开发： 评估热储层的力学响应。
 

　　地质灾害防治： 滑坡、崩塌、地面沉降的机理研究与监测预警。
 

　　科学研究： 岩石力学本构模型开发、断裂机理研究、深部地质过程模拟。
 

　　6.设备展示