1. 定義
 

　　巖石三軸試驗機是一種用于測定巖石材料在三向應力狀態(即圍壓、軸壓共同作用)下力學特性的專用大型試驗系統。它的核心功能是模擬巖石在地層深處所受的“真三軸”或“假三軸”應力條件，從而獲取在復雜應力環境下巖石的強度、變形和破壞特性。
 

　　它是進行巖石力學性質研究、地質災害評估、油氣開采、地下工程設計(如隧道、礦井、水電硐室)的關鍵設備。
 

　　2. 工作原理與核心組成
 

　　巖石三軸試驗機的工作原理是：通過獨立的加載系統，對一個圓柱形的巖石試件同時施加軸向壓力和側向圍壓，并測量其在此復雜應力下的變形和強度特性。
 

　　一臺標準的巖石三軸試驗機主要由以下幾大系統構成：
 

　　主機框架： 提供反力支撐的巨大剛性結構，確保在高壓下穩定工作。
 

　　軸向加載系統：
 

　　作用： 對試件施加垂直方向的壓力。
 

　　組成： 通常由伺服電機、滾珠絲杠或液壓作動缸實現精確的位移或力控制。
 

　　圍壓加載系統：
 

　　作用： 對試件施加均勻的側向壓力。
 

　　組成： 核心是三軸壓力室，它是一個高強度容器，內部充滿液壓油或其他傳壓介質。通過一個獨立的伺服控制泵，向壓力室內注入油液，從而實現對試件的等向圍壓加載。
 

　　孔隙壓力系統：
 

　　作用： (在高級型號中配備)模擬地下巖層中的流體壓力，并可控制試件的排水條件。
 

　　組成： 精密的液壓伺服泵，通過管路與試件上下端的孔隙相連。
 

　　測量與數據采集系統：
 

　　軸向力傳感器： 測量施加在試件上的軸向荷載。
 

　　軸向位移傳感器(LVDT)： 測量試件的整體軸向變形。
 

　　環向位移傳感器或應變片： 直接貼在試件上，精確測量其徑向變形。
 

　　孔隙壓力傳感器： 測量試件內部的流體壓力。
 

　　數據采集儀： 高速、同步地采集所有傳感器的信號。
 

　　計算機控制系統：
 

　　作用： 是整個設備的“大腦”。用戶通過軟件設置試驗方案(如應力路徑、加載速率)，系統根據指令精確控制各加載系統，并實時顯示、記錄和處理所有試驗數據。
 

　　3. 主要試驗類型
 

　　根據排水條件和加載路徑的不同，巖石三軸試驗主要分為以下幾種：
 

　　常規三軸壓縮試驗：
 

　　過程： 先對試件施加一個恒定的圍壓(σ? = σ?)，然后保持圍壓不變，不斷增加軸向壓力(σ?)，直至試件破壞。這是基礎、常用的三軸試驗。
 

　　目的： 主要用于確定巖石的抗剪強度參數(內聚力c和內摩擦角φ)。
 

　　真三軸試驗：
 

　　過程： 對試件的三個主方向(σ?, σ?, σ?)分別施加三個互不相同的獨立壓力。
 

　　目的： 模擬更復雜的真實地應力場，研究中間主應力對巖石強度和變形特性的影響。設備更為復雜和昂貴。
 

　　三軸伸長試驗：
 

　　過程： 軸向應力(σ?)小于圍壓(σ? = σ?)，模擬拉伸破壞的應力狀態。
 

　　目的： 研究巖石在低軸壓、高圍壓下的破壞特性。
 

　　孔隙水壓力試驗：
 

　　過程： 在常規三軸試驗的基礎上，增加對試件內部孔隙水壓力的控制和測量。可分為：
 

　　不固結不排水試驗： 快速加載，不允許孔隙水排出。
 

　　固結不排水試驗： 先讓試件在圍壓下充分排水固結，再進行不排水剪切。
 

　　固結排水試驗： 整個剪切過程都允許水緩慢排出，孔隙壓力保持恒定。
 

　　目的： 研究流體對巖石強度、變形和有效應力原理的影響，對于油氣藏和水利工程至關重要。
 

　　4. 關鍵力學參數的獲取
 

　　通過分析試驗數據(通常是軸向應力-軸向應變曲線和徑向應變曲線)，可以獲取以下關鍵巖石力學參數：
 

　　峰值強度： 巖石所能承受的最大軸向應力。
 

　　殘余強度： 巖石破壞后仍能保持的強度。
 

　　彈性模量： 巖石在彈性變形階段的應力與應變之比。
 

　　泊松比： 巖石在軸向受壓時，徑向應變與軸向應變的絕對值之比。
 

　　內聚力 和 內摩擦角： 通過一組不同圍壓下的試驗結果，繪制莫爾-庫侖強度包絡線求得，是表征巖石抗剪強度的核心參數。
 

　　** dilatancy 角：** 表征巖石在剪切過程中體積膨脹的趨勢。
 

　　5. 主要應用領域
 

　　土木與交通工程： 隧道、地下洞室、邊坡、大壩地基的穩定性分析與設計。
 

　　石油與天然氣工業： 油氣儲層改造、鉆井井壁穩定、水力壓裂設計、出砂預測。
 

　　礦業工程： 礦井支護設計、礦柱穩定性評估、巖爆預測。
 

　　地熱能開發： 評估熱儲層的力學響應。
 

　　地質災害防治： 滑坡、崩塌、地面沉降的機理研究與監測預警。
 

　　科學研究： 巖石力學本構模型開發、斷裂機理研究、深部地質過程模擬。
 

　　6.設備展示