巖石三軸試驗機是用于模擬巖石在地下復雜應力環境下力學行為的專用設備，廣泛應用于地質工程、采礦工程、石油鉆井、隧道工程等領域，可精準測定巖石的強度、變形、破壞模式等關鍵力學參數，為工程設計、災害預警(如巖爆、塌方)提供核心數據支撐。
 

　　一、設備核心原理
 

　　巖石在自然界中不僅承受垂直方向的 “軸壓”(如上覆巖層重量)，還承受水平方向的 “圍壓”(如側向巖層約束)。三軸試驗機的核心原理是通過 “軸壓系統” 和 “圍壓系統” 協同作用，精準施加符合工程場景的應力狀態，同時實時監測巖石在應力作用下的變形、應力變化，最終捕捉其從彈性變形到塑性屈服再到破壞的全過程。
 

　　根據圍壓的施加方式和應力路徑，核心原理可細分為兩類：
 

　　常規三軸壓縮(CTC)：試驗過程中保持圍壓恒定，緩慢增加軸壓，直至巖石破壞(模擬地下深處巖石受上部載荷逐漸增大的場景，如礦柱受力、隧道頂部巖層)。
 

　　真三軸壓縮(TTC)：可獨立施加三個相互垂直的主應力(σ?>σ?>σ?，均不為零)，更貼近巖石在復雜地質體中的實際應力狀態(如斷層帶附近、深部油氣儲層巖石)。
 

　　二、核心組成結構
 

　　巖石三軸試驗機由加載系統、測量系統、控制系統、輔助系統四大模塊組成，各模塊協同實現 “應力施加 - 數據采集 - 閉環控制 - 安全保護” 的全流程功能：

模塊	核心部件	功能說明
加載系統	軸壓加載單元（伺服油缸 / 電機）	提供軸向壓力（最大軸壓可達 1000-5000kN，適配不同強度巖石，如花崗巖、頁巖）
	圍壓加載單元（液壓油 / 氣壓缸）	提供徑向圍壓（常規范圍 0-100MPa，深部工程專用機型可達 200-5000MPa）
	三軸壓力室（巖心腔）	容納巖樣，隔離圍壓介質（通常為液壓油），保證圍壓均勻施加
測量系統	應力傳感器（軸壓 / 圍壓傳感器）	實時監測施加的軸壓、圍壓，精度可達 ±0.5% FS（滿量程）
	變形測量裝置（引伸計 / LVDT）	測量巖樣軸向變形（精度 ±1μm）、徑向變形（部分機型含環向引伸計）
	數據采集卡（DAQ）	高速采集應力、變形數據（采樣頻率可達 1000Hz 以上），避免數據丟失
控制系統	伺服控制器	基于 “目標應力 / 應變” 指令，閉環控制加載單元（如保持圍壓恒定、軸壓勻速增加）
	專用軟件（如 LabVIEW、自主開發軟件）	設定試驗方案（應力路徑、加載速率）、實時顯示曲線（應力 - 應變曲線）、數據導出
輔助系統	液壓站 / 氣壓源	為圍壓、軸壓加載單元提供穩定動力（液壓站壓力需匹配圍壓最大值）
	安全保護裝置（壓力過載閥、急停）	防止圍壓還有軸壓超過設備額定值，避免壓力室破裂或巖樣飛濺

 

　　三、典型試驗流程
 

　　1.巖樣制備
 

　　按標準加工巖樣，保證端面平行度≤0.02mm、垂直度≤0.1°(避免加載時應力集中)；
 

　　用砂紙打磨巖樣表面，清除碎屑，必要時在端面粘貼潤滑膜(減少端面摩擦對試驗結果的影響)。
 

　　2.巖樣安裝
 

　　打開三軸壓力室，將巖樣放入巖心腔，在巖樣上下端安裝位移傳感器(引伸計)，確保傳感器與巖樣貼合緊密；
 

　　關閉壓力室，連接圍壓油管和軸壓加載桿，檢查密封狀態(防止圍壓介質泄漏)。
 

　　3.試驗參數設定
 

　　打開控制軟件，選擇 “常規三軸壓縮” 模式，設定圍壓值、軸壓加載速率；
 

　　設定數據采集頻率和安全閾值。
 

　　4.加載與數據采集
 

　　啟動圍壓加載，緩慢升至設定值并保持恒定；
 

　　啟動軸壓加載，軟件實時繪制 “軸壓到軸向應變”“圍壓 - 徑向應變” 曲線；
 

　　持續加載至巖樣破壞，自動停止加載。
 

　　5.試驗后處理
 

　　卸載圍壓、軸壓，打開壓力室取出破壞后的巖樣，觀察破壞模式；
 

　　導出數據，計算巖石的峰值強度、彈性模量、泊松比等參數，生成試驗報告。
 

　　四、適用領域與應用場景
 

　　巖石三軸試驗機的核心價值是 “還原巖石真實受力環境”，因此應用場景與 “需要考慮圍壓影響的巖石力學問題” 高度綁定：

應用領域	具體場景	核心測試目的
采礦工程	深部礦柱穩定性、采場頂板垮塌預警	測定巖石在高圍壓下的抗壓強度、殘余強度，判斷礦柱是否滿足承載要求
石油與天然氣工程	頁巖氣儲層壓裂設計、油氣井井壁穩定性	測試頁巖在不同圍壓下的脆性 / 塑性，優化壓裂液注入壓力，避免井壁坍塌
隧道與地下工程	盾構隧道圍巖變形、深埋隧道巖爆風險評估	模擬隧道開挖后圍巖的應力釋放過程，測定巖石的蠕變參數，預測長期變形量
地質災害防治	滑坡體滑面強度、地震引發的巖石破壞	測試滑面巖體在不同圍壓下的抗剪強度，評估滑坡啟動風險
核廢料處置	深部處置庫圍巖長期密封性	模擬萬年尺度下巖石的蠕變行為，驗證圍巖是否能長期阻擋核素泄漏

 

　　五、設備選型關鍵因素
 

　　選型需結合 “工程需求、巖石特性、預算范圍” 綜合判斷，避免功能冗余或不足：
 

　　圍壓與軸壓匹配：深部工程(如 3000m 以深)需圍壓≥200MPa、軸壓≥3000kN；淺部工程(如 500m 以淺)可選圍壓≤100MPa、軸壓≤2000kN。
 

　　巖樣尺寸兼容性：若需測試現場大尺寸巖樣(如 100×100×200mm)，需選擇大容積壓力室；實驗室小巖樣(如 Φ25×50mm)可選用小型壓力室，節省成本。
 

　　控制模式需求：需研究巖石蠕變(如隧道長期變形)時，需優先選擇 “高精度應變控制” 機型；需模擬沖擊載荷(如巖爆)時，需選擇 “高速應力控制” 機型(加載速率≥10MPa/s)。
 

　　數據采集精度：真三軸試驗或細觀力學研究(如巖石損傷演化)需選擇采樣頻率≥1000Hz、變形精度 ±0.5μm 的機型；常規強度測試可選用采樣頻率 100-500Hz 的機型。