1.定义与核心目的
定义：岩石三轴试验机是一种专门设计用于在三个相互垂直的方向上对岩石试样施加可控应力的高精度、高压试验设备。它能够模拟岩石在地下深处所承受的复杂应力状态（围压和轴向应力）。
核心目的：测定岩石在模拟地下真实应力环境下的力学性质和行为，包括但不限于：
强度特性：峰值强度（单轴抗压强度、三轴抗压强度）、残余强度。
变形特性：弹性模量（杨氏模量）、泊松比、体积模量、剪切模量。
破坏准则：莫尔-库仑准则、霍克-布朗准则等参数（粘聚力C、内摩擦角φ）。
应力-应变关系：全应力-应变曲线（峰前和峰后行为）。
渗透性：在应力作用下岩石渗透率的变化（需要特殊配置）。
流固耦合：模拟孔隙水压力对岩石力学性质的影响（需要特殊配置）。
蠕变特性：岩石在长期恒定应力下的变形行为。
松弛特性：岩石在恒定应变下的应力衰减行为。
疲劳特性：岩石在循环荷载下的行为。
2.核心工作原理
岩石三轴试验的核心在于对圆柱形岩石试样施加围压和轴向应力：
试样准备：将岩石加工成标准圆柱体（常见尺寸如：直径50mm，高度100mm；或直径25mm，高度50mm）。
试样封装：将试样放入压力室内。试样通常被包裹在热缩管或橡胶套中，有时还需要安装孔隙水压传感器和轴向/径向变形传感器（如LVDT或应变片）。
压力室密封：密封压力室，并向室内注入围压介质（通常是液压油、水或气体）。
施加围压：通过独立的围压伺服控制系统，向压力室内的介质加压，使试样在径向（即垂直于试样轴线的平面内）受到均匀的静水压力（σ₂=σ₃）。这是模拟岩石在地下受到的水平地应力。
施加轴向应力：在保持围压（σ₃）恒定的情况下，通过轴向加载系统（通常是液压作动缸）对试样施加轴向应力（σ₁）。轴向应力持续增加，直到试样发生破坏。轴向应力模拟岩石在地下受到的垂直地应力。
数据采集：在整个试验过程中，高精度传感器实时测量：
轴向力：由安装在作动缸或压力室外的力传感器测量。
轴向变形：由轴向位移传感器（LVDT）或直接贴在试样上的应变片测量。
径向变形：由径向位移传感器（LVDT）或应变片测量（测量难度较大）。
围压：由围压传感器测量。
孔隙水压：由孔隙水压传感器测量（如果进行饱和试样或流固耦合试验）。
控制模式：试验可以在轴向位移控制或轴向应力控制模式下进行。位移控制更常用，尤其是在研究峰后行为时。
试验类型：通过控制围压和轴向应力的加载路径，可以进行多种试验：
常规三轴压缩试验：保持围压σ₃恒定，单调增加轴向应力σ₁直至破坏（最常见）。
真三轴试验：对三个主应力方向（σ₁,σ₂,σ₃）独立施加不同的应力（需要更复杂的真三轴试验机）。
孔隙水压试验：在施加围压和轴压的同时，控制试样内部的孔隙水压。
渗透试验：在应力状态下测量流体通过岩石试样的渗透率。
蠕变/松弛试验：长时间保持恒定应力/应变。
循环加载试验：模拟地震或循环荷载作用。
3.主要组成部分
主机框架：提供刚性和稳定性，承受高压和高载荷。通常为坚固的四立柱或框架式结构。
压力室：核心部件，是一个能够承受高压的密封容器。内部放置试样，容纳围压介质。通常由高强度合金钢制成，带有观察窗（可选）、传感器接口和管路接口。
轴向加载系统：
轴向作动缸：液压或电动伺服作动缸，提供精确可控的轴向载荷和位移。
力传感器：高精度测量轴向载荷。
轴向位移传感器：测量作动缸活塞位移或试样轴向变形。
围压伺服控制系统：
围压泵/增压器：产生并精确控制压力室内的围压（液压油或水）。
围压传感器：精确测量围压值。
伺服阀/比例阀：精确调节围压介质的压力和流量。
孔隙水压控制系统(可选但重要)：
孔隙水泵/增压器：产生并控制试样内部的孔隙水压。
孔隙水压传感器：精确测量孔隙水压。
体积变化测量装置：测量进出试样的流体体积变化（用于计算渗透率或变形）。
变形测量系统：
轴向变形测量：外部LVDT（测量作动缸位移，包含系统变形）或内部LVDT/应变片（直接测量试样变形，更准确）。
径向变形测量：径向LVDT、应变片或体积应变法（通过测量排出/吸入的围压介质体积间接计算）。
数据采集与控制系统：
控制器：接收传感器信号，执行控制算法（PID等），输出指令控制作动缸和围压/孔隙水压系统。
数据采集系统：高速、高精度采集所有传感器信号。
计算机与专业软件：设定试验参数（应力路径、速率等）、实时显示曲线（应力-应变、力-位移、体积变化等）、控制试验过程、采集存储数据、分析结果（计算模量、强度、绘制莫尔圆等）、生成报告。
安全保护系统：超压保护、超载保护、行程限位、紧急停止按钮等，确保设备和人员安全。
辅助设备：
试样制备工具：钻取、切割、打磨岩石试样的设备。
饱和装置：用于饱和岩石试样（如真空饱和装置）。
温度控制系统(可选)：用于进行高温/低温下的岩石力学试验。
4.主要功能特点
模拟真实应力状态：核心优势，能再现岩石在地下承受的三维应力环境。
高压力/高载荷能力：能产生极高的围压（可达数百兆帕）和轴向载荷（可达数千千牛）。
高精度控制与测量：对围压、轴压、孔隙水压、位移/应变进行精确的闭环伺服控制和测量。
多功能性：可进行多种类型的试验（常规三轴、孔隙水压、渗透、蠕变、循环等）。
获取关键力学参数：直接测定岩石的强度、变形模量、破坏准则参数等。
研究峰后行为：在位移控制模式下，可以研究岩石破坏后的应力跌落和残余强度特性。
流固耦合研究：通过孔隙水压控制，研究流体压力对岩石强度和变形的影响，以及岩石渗透性的应力依赖性。
高温/低温试验能力(可选)：扩展研究温度效应。
5.主要应用领域
岩石力学基础研究：研究岩石的强度理论、本构关系、破坏机理。
岩土工程：评估地基、边坡、隧道、地下洞室围岩的稳定性；设计支护结构。
采矿工程：设计矿柱、评估采场稳定性、研究岩爆机理。
石油与天然气工程：
评估储层岩石力学性质（用于水力压裂设计、出砂预测、储层压实研究）。
研究盖层完整性。
测定地应力。
地质工程：研究断层活动、地震机理。
地热能开发：评估储层岩石在高温下的力学和渗透特性。
核废料地质处置：研究处置库围岩的长期力学行为和渗透性。
高校与科研院所：教学实验与科学研究。
6.选型考虑因素
最大轴向载荷：根据测试岩石的预期强度和试样尺寸确定。
最大围压：根据研究深度（模拟的地应力水平）确定。
压力室尺寸：决定可容纳试样的最大直径和高度。
孔隙水压能力：是否需要，以及所需的最大压力和精度。
渗透性测量能力：是否需要集成渗透率测量功能。
变形测量精度与方式：对轴向和径向变形的测量精度要求（内部还是外部测量）。
温度控制范围(可选)：所需的高温/低温范围。
控制模式与精度：应力控制、应变控制精度，以及多通道协调控制能力（轴压、围压、孔压）。
数据采集速率与精度：对于动态试验或峰后行为研究很重要。
