1. 定义与核心功能
岩石三轴试验机是一种用于测定岩石力学性能的高级岩土工程测试设备。它的核心功能是模拟岩石在地下深处所受的复杂应力状态——即围压(来自四周岩体的约束)、轴压(来自上覆岩层的垂直压力)以及可能的孔隙水压力。
与只能进行单轴(无围压)压缩试验的普通压力机相比，三轴试验机能够提供更接近岩石真实赋存环境的应力条件，因此其测试结果对于工程设计、地质灾害评估和科学研究具有更高的参考价值。
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
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更新时间：2025-10-21
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