巖石三軸試驗機的使用說明

ninali

1.定義與核心目的  
??定義：??巖石三軸試驗機是一種專門設計用于在??三個相互垂直的方向上對巖石試樣施加可控應力??的高精度、高壓試驗設備。它能夠模擬巖石在地下深處所承受的復雜應力狀態（圍壓和軸向應力）。  
??核心目的：??測定巖石在模擬地下真實應力環境下的力學性質和行為，包括但不限于：  
強度特性：峰值強度（單軸抗壓強度、三軸抗壓強度）、殘余強度。  
變形特性：彈性模量（楊氏模量）、泊松比、體積模量、剪切模量。  
破壞準則：莫爾-庫侖準則、霍克-布朗準則等參數（粘聚力C、內摩擦角φ）。  
應力-應變關系：全應力-應變曲線（峰前和峰后行為）。  
滲透性：在應力作用下巖石滲透率的變化（需要特殊配置）。  
流固耦合：模擬孔隙水壓力對巖石力學性質的影響（需要特殊配置）。  
蠕變特性：巖石在長期恒定應力下的變形行為。  
松弛特性：巖石在恒定應變下的應力衰減行為。  
疲勞特性：巖石在循環荷載下的行為。  
2.核心工作原理  
巖石三軸試驗機的核心在于對圓柱形巖石試樣施加??圍壓??和??軸向應力??：  
??試樣準備：??將巖石加工成標準圓柱體（常見尺寸如：直徑50mm，高度100mm；或直徑25mm，高度50mm）。  
??試樣封裝：??將試樣放入??壓力室??內。試樣通常被包裹在??熱縮管??或??橡膠套??中，有時還需要安裝??孔隙水壓傳感器??和??軸向/徑向變形傳感器（如LVDT或應變片）??。  
??壓力室密封：??密封壓力室，并向室內注入??圍壓介質??（通常是液壓油、水或氣體）。  
??施加圍壓：??通過獨立的??圍壓伺服控制系統??，向壓力室內的介質加壓，使試樣在??徑向??（即垂直于試樣軸線的平面內）受到均勻的靜水壓力（σ?=σ?）。這是模擬巖石在地下受到的水平地應力。  
??施加軸向應力：??在保持圍壓（σ?）恒定的情況下，通過??軸向加載系統??（通常是液壓作動缸）對試樣施加??軸向應力（σ?）??。軸向應力持續增加，直到試樣發生破壞。軸向應力模擬巖石在地下受到的垂直地應力。  
??數據采集：??在整個試驗過程中，高精度傳感器實時測量：  
??軸向力：??由安裝在作動缸或壓力室外的力傳感器測量。  
??軸向變形：??由軸向位移傳感器（LVDT）或直接貼在試樣上的應變片測量。  
??徑向變形：??由徑向位移傳感器（LVDT）或應變片測量（測量難度較大）。  
??圍壓：??由圍壓傳感器測量。  
??孔隙水壓：??由孔隙水壓傳感器測量（如果進行飽和試樣或流固耦合試驗）。  
??控制模式：??試驗可以在??軸向位移控制??或??軸向應力控制??模式下進行。位移控制更常用，尤其是在研究峰后行為時。  
??試驗類型：??通過控制圍壓和軸向應力的加載路徑，可以進行多種試驗：  
??常規三軸壓縮試驗：??保持圍壓σ?恒定，單調增加軸向應力σ?直至破壞（最常見）。  
??真三軸試驗：??對三個主應力方向（σ?,σ?,σ?）獨立施加不同的應力（需要更復雜的真三軸試驗機）。  
??孔隙水壓試驗：??在施加圍壓和軸壓的同時，控制試樣內部的孔隙水壓。  
??滲透試驗：??在應力狀態下測量流體通過巖石試樣的滲透率。  
??蠕變/松弛試驗：??長時間保持恒定應力/應變。  
??循環加載試驗：??模擬地震或循環荷載作用。  
3.巖石三軸試驗機主要組成部分  
??主機框架：??提供剛性和穩定性，承受高壓和高載荷。通常為堅固的四立柱或框架式結構。  
??壓力室：??核心部件，是一個能夠承受高壓的密封容器。內部放置試樣，容納圍壓介質。通常由高強度合金鋼制成，帶有觀察窗（可選）、傳感器接口和管路接口。  
??軸向加載系統：??  
??軸向作動缸：??液壓或電動伺服作動缸，提供精確可控的軸向載荷和位移。  
??力傳感器：??高精度測量軸向載荷。  
??軸向位移傳感器：??測量作動缸活塞位移或試樣軸向變形。  
??圍壓伺服控制系統：??  
??圍壓泵/增壓器：??產生并精確控制壓力室內的圍壓（液壓油或水）。  
??圍壓傳感器：??精確測量圍壓值。  
??伺服閥/比例閥：??精確調節圍壓介質的壓力和流量。  
??孔隙水壓控制系統(可選但重要)：??  
??孔隙水泵/增壓器：??產生并控制試樣內部的孔隙水壓。  
??孔隙水壓傳感器：??精確測量孔隙水壓。  
??體積變化測量裝置：??測量進出試樣的流體體積變化（用于計算滲透率或變形）。  
??變形測量系統：??  
??軸向變形測量：??外部LVDT（測量作動缸位移，包含系統變形）或內部LVDT/應變片（直接測量試樣變形，更準確）。  
??徑向變形測量：??徑向LVDT、應變片或體積應變法（通過測量排出/吸入的圍壓介質體積間接計算）。  
??數據采集與控制系統：??  
??控制器：??接收傳感器信號，執行控制算法（PID等），輸出指令控制作動缸和圍壓/孔隙水壓系統。  
??數據采集系統：??高速、高精度采集所有傳感器信號。  
??計算機與專業軟件：??設定試驗參數（應力路徑、速率等）、實時顯示曲線（應力-應變、力-位移、體積變化等）、控制試驗過程、采集存儲數據、分析結果（計算模量、強度、繪制莫爾圓等）、生成報告。  
??安全保護系統：??超壓保護、超載保護、行程限位、緊急停止按鈕等，確保設備和人員安全。  
??輔助設備：??  
??試樣制備工具：??鉆取、切割、打磨巖石試樣的設備。  
??飽和裝置：??用于飽和巖石試樣（如真空飽和裝置）。  
??溫度控制系統(可選)：??用于進行高溫/低溫下的巖石力學試驗。  
4.主要功能特點  
??模擬真實應力狀態：??核心優勢，能再現巖石在地下承受的三維應力環境。  
??高壓力/高載荷能力：??能產生極高的圍壓（可達數百兆帕）和軸向載荷（可達數千千牛）。  
??高精度控制與測量：??對圍壓、軸壓、孔隙水壓、位移/應變進行精確的閉環伺服控制和測量。  
??多功能性：??可進行多種類型的試驗（常規三軸、孔隙水壓、滲透、蠕變、循環等）。  
??獲取關鍵力學參數：??直接測定巖石的強度、變形模量、破壞準則參數等。  
??研究峰后行為：??在位移控制模式下，可以研究巖石破壞后的應力跌落和殘余強度特性。  
??流固耦合研究：??通過孔隙水壓控制，研究流體壓力對巖石強度和變形的影響，以及巖石滲透性的應力依賴性。  
??高溫/低溫試驗能力(可選)：??擴展研究溫度效應。  
5.主要應用領域  
??巖石力學基礎研究：??研究巖石的強度理論、本構關系、破壞機理。  
??巖土工程：??評估地基、邊坡、隧道、地下洞室圍巖的穩定性；設計支護結構。  
??采礦工程：??設計礦柱、評估采場穩定性、研究巖爆機理。  
??石油與天然氣工程：??  
評估儲層巖石力學性質（用于水力壓裂設計、出砂預測、儲層壓實研究）。  
研究蓋層完整性。  
測定地應力。  
??地質工程：??研究斷層活動、地震機理。  
??地熱能開發：??評估儲層巖石在高溫下的力學和滲透特性。  
??核廢料地質處置：??研究處置庫圍巖的長期力學行為和滲透性。  
??高校與科研院所：??教學實驗與科學研究。  
6.選型考慮因素  
??最大軸向載荷：??根據測試巖石的預期強度和試樣尺寸確定。  
??最大圍壓：??根據研究深度（模擬的地應力水平）確定。  
??壓力室尺寸：??決定可容納試樣的最大直徑和高度。  
??孔隙水壓能力：??是否需要，以及所需的最大壓力和精度。  
??滲透性測量能力：??是否需要集成滲透率測量功能。  
??變形測量精度與方式：??對軸向和徑向變形的測量精度要求（內部還是外部測量）。  
??溫度控制范圍(可選)：??所需的高溫/低溫范圍。  
??控制模式與精度：??應力控制、應變控制精度，以及多通道協調控制能力（軸壓、圍壓、孔壓）。  
??數據采集速率與精度：??對于動態試驗或峰后行為研究很重要。  
??軟件功能：??試驗控制、數據分析（特別是破壞準則擬合）、報告生成能力，是否符描述合相關標準。

路人甲

這篇帖子的角度很獨特，提供了很多新思路，收藏了！

金風玉露

謝謝你的建議，我會嘗試的。

9549872678@21

非常感謝你的經驗和信息分享，這對我們很有幫助。

QQ應用

這個方法我試過，效果還不錯，大家可以試試。

糖漬小番茄

非常感謝您的見解，讓我受益良多。

麥不麥不麥走了

支持樓主的觀點，同時也歡迎不同的聲音。