1. definición

La máquina de prueba triaxial de roca es un sistema de prueba especial a gran escala para determinar las características mecánicas de los materiales de roca bajo el Estado de tensión triaxial (es decir, la presión de confinamiento y la presión axial). Su función central es simular las condiciones de estrés "verdaderos tres ejes" o "falsos tres ejes" que sufren las rocas en las profundidades de la formación, obteniendo así las características de resistencia, deformación y falla de las rocas en entornos de estrés complejos.

Es un equipo clave para la investigación de las propiedades mecánicas de las rocas, la evaluación de desastres geológicos, la extracción de petróleo y gas y el diseño de ingeniería subterránea (como túneles, minas, cámaras hidroeléctricas).

2. principio de funcionamiento y composición central

La máquina de prueba triaxial de roca funciona aplicando simultáneamente presión axial y presión de confinamiento lateral a una muestra de roca cilíndrica a través de un sistema de carga independiente, y midiendo sus características de deformación y resistencia bajo este complejo estrés.

Una máquina de prueba estándar de tres ejes de roca se compone principalmente de los siguientes sistemas principales:

Marco principal: una estructura rígida enorme que proporciona soporte de reacción para garantizar un trabajo estable a alta presión.

Sistema de carga axial:

Acción: aplicar presión vertical a la muestra.

Composición: por lo general, el servomotor, el tornillo de bola o el Cilindro hidráulico logran un control preciso del desplazamiento o la fuerza.

Sistema de carga de presión de confinamiento:

Acción: aplicar una presión lateral uniforme a la muestra.

Composición: el núcleo es una cámara de presión de tres ejes, que es un recipiente de alta resistencia con un interior lleno de aceite hidráulico u otros medios de transmisión de presión. A través de una bomba de servocontrol independiente, se inyecta aceite en la Cámara de presión, logrando así la carga de presión de confinamiento isotrópico de la muestra.

Sistema de presión de poros:

Función: (equipada en modelos avanzados) simula la presión del fluido en la formación rocosa subterránea y puede controlar las condiciones de drenaje de la muestra.

Composición: servomotor hidráulico de precisión, conectado a los poros en el extremo superior e inferior de la muestra a través de tuberías.

Sistema de medición y adquisición de datos:

Sensor de fuerza axial: mide la carga axial aplicada a la muestra.

Sensor de desplazamiento axial (lvdt): mide la deformación axial general de la muestra.

Sensor de desplazamiento circular o manómetro: pegado directamente a la muestra de prueba para medir con precisión su deformación radial.

Sensor de presión de poro: mide la presión del líquido en el interior de la muestra.

Adquisición de datos: adquisición de señales de todos los sensores a alta velocidad y simultáneamente.

Sistema de control informático:

Función: es el "cerebro" de todo el dispositivo. El usuario establece el plan de prueba (como la ruta de estrés y la velocidad de carga) a través del software, el sistema controla con precisión cada sistema de carga de acuerdo con las instrucciones y muestra, registra y procesa todos los datos de prueba en tiempo real.

3. principales tipos de pruebas

De acuerdo con las diferentes condiciones de drenaje y la ruta de carga, la prueba triaxial de la roca se divide principalmente en los siguientes tipos:

Prueba de compresión triaxial convencional:

Proceso: primero se aplica una presión de confinamiento constante a la muestra (sigma = sigma), luego se mantiene la presión de confinamiento sin cambios y se aumenta constantemente la presión axial (sigma) hasta que la muestra se destruye. Esta es una prueba básica y común de tres ejes.

Objetivo: se utiliza principalmente para determinar los parámetros de resistencia a la cizalla de la roca (cohesión C y ángulo de fricción interna phi).

Prueba triaxial real:

Proceso: aplicar tres presiones independientes diferentes entre sí a las tres direcciones principales de la muestra (sigma, sigma, sigma).

Objetivo: simular campos de estrés in situ reales más complejos y estudiar la influencia del estrés principal intermedio en la resistencia y las características de deformación de la roca. El equipo es más complejo y caro.

Prueba de extensión triaxial:

Proceso: el estrés axial (sigma) es menor que la presión de confinamiento (sigma IC = sigma), simulando el Estado de estrés de la falla de tracción.

Objetivo: estudiar las características de falla de las rocas bajo baja presión axial y alta presión de confinamiento.

Prueba de presión de agua de poro:

Proceso: aumentar el control y la medición de la presión del agua de Poro en el interior de la muestra sobre la base de pruebas triaxiales convencionales. Se puede dividir en:

Prueba sin consolidar y sin drenaje: carga rápida, no se permite la descarga de agua de poro.

Prueba de consolidación no drenada: primero deje que la muestra se consolide completamente drenada bajo presión de confinamiento, y luego realice Corte no drenado.

Prueba de drenaje de consolidación: todo el proceso de cizallamiento permite que el agua se descargue lentamente y la presión del poro se mantenga constante.

Objetivo: estudiar la influencia de los fluidos en la resistencia, deformación y principios de estrés efectivos de las rocas es crucial para los depósitos de petróleo y gas y las obras hidráulicas.

4. adquisición de parámetros mecánicos clave

Al analizar los datos de la prueba (generalmente la curva de esfuerzo axial - esfuerzo axial y la curva de esfuerzo radial), se pueden obtener los siguientes parámetros mecánicos clave de la roca:

Resistencia máxima: tensión axial máxima que puede soportar la roca.

Resistencia residual: resistencia que se puede mantener después de que la roca se rompe.

Módulo de elasticidad: la relación entre el estrés y la tensión de la roca en la etapa de deformación elástica.

Relación de amarre: la relación entre la tensión radial y la tensión axial absoluta de la roca cuando se comprime axialmente.

Cohesión y ángulo de fricción interna: a través de un conjunto de resultados de prueba bajo diferentes presiones de confinamiento, se dibuja el sobre de resistencia Mohr - kulun para obtener, que es el parámetro central que caracteriza la resistencia a la cizalla de la roca.

* ángulo de dilatación: * * caracteriza la tendencia de expansión del volumen de la roca durante el Corte.

5. principales áreas de aplicación

Ingeniería civil y de tráfico: análisis de estabilidad y diseño de túneles, cuevas subterráneas, laderas y cimientos de presas.

Industria del petróleo y el gas natural: transformación de depósitos de petróleo y gas, estabilidad de paredes de perforación, diseño de fracturación hidráulica, predicción de producción de arena.

Ingeniería minera: diseño de soporte de minas, evaluación de estabilidad de pilares, predicción de explosiones de roca.

Desarrollo de energía geotérmica: evaluación de la respuesta mecánica de los depósitos térmicos.

Prevención y control de desastres geológicos: investigación de mecanismos y monitoreo y alerta temprana de deslizamientos de tierra, colapsos y asentamientos terrestres.

Investigación científica: desarrollo de modelos constitutivos de mecánica de rocas, investigación de mecanismos de fractura y simulación de procesos geológicos profundos.

6. exhibición de equipos