1. Định nghĩa

Máy thử ba trục đá là một hệ thống thử nghiệm quy mô lớn chuyên dụng được sử dụng để xác định các đặc tính cơ học của vật liệu đá ở trạng thái ứng suất ba chiều (tức là áp suất xung quanh, tác động chung của áp suất trục). Chức năng cốt lõi của nó là mô phỏng các điều kiện ứng suất "ba trục thật" hoặc "ba trục giả" mà đá phải chịu ở độ sâu của sự hình thành, do đó thu được sức mạnh, biến dạng và các đặc tính phá hủy của đá trong môi trường căng thẳng phức tạp.

Đây là thiết bị quan trọng để tiến hành nghiên cứu tính chất cơ học của đá, đánh giá thảm họa địa chất, khai thác dầu khí, thiết kế kỹ thuật ngầm (ví dụ: đường hầm, mỏ, phòng điều hướng thủy điện).

2. Nguyên tắc làm việc và thành phần cốt lõi

Nguyên lý làm việc của máy thử đá ba trục là: thông qua một hệ thống tải độc lập, áp suất trục và áp suất chu vi ngang được áp dụng đồng thời trên một thử nghiệm đá hình trụ và đặc tính biến dạng và cường độ của nó được đo dưới ứng suất phức tạp này.

Một máy kiểm tra ba trục đá tiêu chuẩn chủ yếu bao gồm một số hệ thống lớn sau:

Khung máy chính: Cấu trúc cứng lớn cung cấp hỗ trợ phản lực, đảm bảo hoạt động ổn định dưới áp suất cao.

Hệ thống tải trục:

Tác dụng: Áp dụng áp lực theo hướng thẳng đứng lên vật thử.

Thành phần: Thường được thực hiện bằng động cơ servo, vít bóng hoặc xi lanh vận hành thủy lực để đạt được sự dịch chuyển chính xác hoặc điều khiển lực.

Hệ thống tải trọng xung quanh:

Tác dụng: Áp dụng áp lực ngang đồng đều trên các mẫu thử.

Thành phần: lõi là buồng áp suất ba trục, nó là một tàu có độ bền cao, bên trong chứa đầy dầu thủy lực hoặc các phương tiện truyền tải khác. Thông qua một máy bơm điều khiển servo độc lập, chất lỏng dầu được bơm vào buồng áp suất, do đó đạt được tải trọng chu áp đẳng hướng của các bộ phận thử nghiệm.

Hệ thống áp suất lỗ:

Tác dụng: (Được trang bị trong các mô hình tiên tiến) Mô phỏng áp suất chất lỏng trong các thành tạo đá ngầm và có thể kiểm soát các điều kiện thoát nước của các mẫu thử.

Thành phần: Bơm servo thủy lực chính xác được kết nối với lỗ ở đầu trên và dưới của phần thử nghiệm bằng đường ống.

Hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu:

Cảm biến lực trục: Đo tải trọng trục được áp dụng cho thử nghiệm.

Cảm biến dịch chuyển trục (LVDT): Đo biến dạng trục tổng thể của thử nghiệm.

Cảm biến dịch chuyển vòng hoặc tấm căng thẳng: gắn trực tiếp vào mẫu thử để đo chính xác biến dạng xuyên tâm của nó.

Cảm biến áp suất lỗ chân lông: Đo áp suất chất lỏng bên trong thử nghiệm.

Bộ thu thập dữ liệu: Thu thập tín hiệu từ tất cả các cảm biến ở tốc độ cao và đồng bộ.

Hệ thống điều khiển máy tính:

Vai trò: Là "bộ não" của toàn bộ thiết bị. Người dùng thiết lập sơ đồ thử nghiệm thông qua phần mềm (ví dụ: đường dẫn căng thẳng, tốc độ tải), hệ thống điều khiển chính xác từng hệ thống tải theo hướng dẫn và hiển thị, ghi lại và xử lý tất cả dữ liệu thử nghiệm trong thời gian thực.

3. Các loại thử nghiệm chính

Theo điều kiện thoát nước và đường dẫn tải khác nhau, thử nghiệm ba trục đá chủ yếu được chia thành các loại sau:

Kiểm tra nén ba trục thông thường:

Quá trình: Đầu tiên áp dụng một vòng áp suất không đổi (σ₂=σ₃) lên mẫu thử, sau đó giữ cho vòng áp suất không đổi, liên tục tăng áp suất trục (σ₁) cho đến khi mẫu thử bị phá hủy. Đây là thử nghiệm ba trục cơ bản, thường được sử dụng.

Mục đích: Nó chủ yếu được sử dụng để xác định các thông số cường độ cắt của đá (lực gắn kết c và góc ma sát bên trong φ).

Thử nghiệm ba trục chính hãng:

Quy trình: Ba áp suất độc lập khác nhau được áp dụng cho ba hướng chính của thử nghiệm (σ₁, σ₂, σ₃).

Mục đích: Mô phỏng các trường căng thẳng thực tế phức tạp hơn và nghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất chính trung gian đối với sức mạnh và đặc tính biến dạng của đá. Các thiết bị phức tạp và đắt tiền hơn.

Kiểm tra độ giãn dài ba trục:

Quá trình: Ứng suất trục (σ₁) nhỏ hơn áp suất chu vi (σ₂=σ₃), mô phỏng trạng thái ứng suất của sự phá hủy kéo.

Mục đích: Nghiên cứu các đặc tính phá hủy của đá ở áp suất trục thấp, áp suất chu vi cao.

Kiểm tra áp suất nước lỗ:

Quy trình: Trên cơ sở thử nghiệm ba trục thông thường, tăng cường kiểm soát và đo áp suất nước của lỗ chân lông bên trong thử nghiệm. Có thể được chia thành:

Không cố định không thoát nước thử nghiệm: tải nhanh, không cho phép thoát nước lỗ.

Cố định không thoát nước thử nghiệm: trước tiên để cho các bộ phận thử nghiệm dưới áp lực vây để thoát nước đầy đủ cố định, sau đó tiến hành cắt không thoát nước.

Kiểm tra thoát nước cố định: Toàn bộ quá trình cắt cho phép nước thoát ra từ từ và áp suất lỗ chân lông vẫn không đổi.

Mục đích: Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lỏng đối với các nguyên tắc cường độ đá, biến dạng và ứng suất hiệu quả là rất quan trọng đối với bể chứa dầu khí và các dự án bảo tồn nước.

4. Truy cập vào các thông số cơ học chính

Các thông số cơ học đá chính sau đây có thể thu được bằng cách phân tích dữ liệu thử nghiệm (thường là đường cong căng thẳng dọc trục và đường cong căng thẳng xuyên tâm):

Sức mạnh đỉnh: Ứng suất trục lớn nhất mà đá có thể chịu được.

Sức mạnh còn lại: Sức mạnh mà đá vẫn có thể duy trì sau khi bị phá hủy.

Mô đun đàn hồi: Tỷ lệ căng thẳng và căng thẳng của đá trong giai đoạn biến dạng đàn hồi.

Tỷ lệ Poisson: Tỷ lệ tuyệt đối của biến dạng xuyên tâm so với biến dạng dọc trục khi đá bị ép theo hướng trục.

Độ bám dính và góc ma sát bên trong: Vẽ đường bao bọc độ bền Mohr-Coulomb, được tìm thấy thông qua kết quả thử nghiệm ở một tập hợp các áp suất xung quanh khác nhau, là tham số cốt lõi để mô tả độ bền cắt của đá.

** Góc dilatancy: ** Mô tả xu hướng mở rộng thể tích của đá trong quá trình cắt.

5. Các lĩnh vực ứng dụng chính

Kỹ thuật dân dụng và giao thông: Phân tích và thiết kế ổn định đường hầm, hầm, dốc, nền đập.

Ngành công nghiệp dầu khí: cải tạo bể chứa dầu khí, ổn định thành giếng khoan, thiết kế fracking thủy lực, dự báo cát.

Kỹ thuật khai thác mỏ: thiết kế hỗ trợ mỏ, đánh giá ổn định cột, dự báo nổ đá.

Phát triển năng lượng địa nhiệt: Đánh giá phản ứng cơ học của các hồ chứa nhiệt.

Phòng chống thiên tai địa chất: Nghiên cứu cơ lý và giám sát cảnh báo sớm về sạt lở đất, sụp đổ, sụt lún mặt đất.

Nghiên cứu khoa học: Phát triển mô hình cấu trúc này trong cơ học đá, nghiên cứu cơ chế gãy xương, mô phỏng các quá trình địa chất sâu.

6. Hiển thị thiết bị