1. 定義與核心功能
 

　　巖石三軸試驗機是一種用于測定巖石力學性能的高級巖土工程測試設備。它的核心功能是模擬巖石在地下深處所受的復雜應力狀態——即圍壓(來自四周巖體的約束)、軸壓(來自上覆巖層的垂直壓力)以及可能的孔隙水壓力。
 

　　與只能進行單軸(無圍壓)壓縮試驗的普通壓力機相比，三軸試驗機能夠提供更接近巖石真實賦存環境的應力條件，因此其測試結果對于工程設計、地質災害評估和科學研究具有更高的參考價值。
 

　　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