1.定義

岩石三軸試験機は岩石材料の三方向応力状態（すなわち周囲圧、軸圧の共同作用）における力学特性を測定するための専用大型試験システムである。そのコア機能は、複雑な応力環境下で岩石の強度、変形、破壊特性を取得するために、岩石が地層の奥底で受ける「真三軸」または「偽三軸」の応力条件をシミュレートすることです。

それは岩石力学的性質の研究、地質災害の評価、石油・ガスの採掘、地下工事の設計（例えばトンネル、鉱井、水力発電；室）を行う重要な設備である。

2.動作原理とコア構成

岩石三軸試験機の動作原理は、独立した荷重システムを通じて、円筒形の岩石試験片に軸方向圧力と横方向周圧を同時に加え、この複雑な応力下での変形と強度特性を測定することである。

1台の標準的な岩石3軸試験機は主に以下のいくつかのシステムから構成されている：

ホストフレーム：反力支持の巨大な剛性構造を提供し、高圧下で安定した動作を確保する。

軸方向ロードシステム：

作用：試験片に垂直方向の圧力を加える。

構成：通常、サーボモータ、ボールねじまたは油圧アクチュエータシリンダにより正確な変位または力制御を実現します。

周圧負荷システム：

作用：試験片に均一な横方向圧力を加える。

構成：コアは3軸圧力室であり、それは高強度容器であり、内部は油圧油またはその他の圧力伝達媒体で満たされている。独立したサーボ制御ポンプにより、圧力室内に油液を注入し、試料への等方向周圧負荷を実現する。

空隙圧力システム：

作用：（高級モデルに搭載）地下岩盤層中の流体圧力をシミュレーションし、試験片の排水条件を制御することができる。

組成：精密な油圧サーボポンプ、管路を通じて試料の上下端の孔と接続する。

測定とデータ収集システム：

軸方向力センサ：試験片に加わる軸方向荷重を測定する。

軸方向変位センサ（LVDT）：試験片の全体の軸方向変形を測定する。

リング変位センサまたは歪みシート：試験片に直接貼り付け、その径方向変形を正確に測定する。

空隙圧力センサ：試料内部の流体圧力を測定する。

データ収集器：高速、同期的にすべてのセンサーの信号を収集する。

コンピュータ制御システム：

役割：デバイス全体の「脳」です。ユーザーはソフトウェアを通じて試験案（応力経路、ロード速度など）を設定し、システムは指令に基づいて各ロードシステムを正確に制御し、そしてリアルタイムですべての試験データを表示、記録、処理する。

3.主な試験タイプ

排水条件と負荷経路によって、岩石三軸試験は主に以下の種類に分けられる：

通常の三軸圧縮試験：

プロセス：まず試験片に一定の周圧（σ₂＝σ₃）を加え、その後周圧を維持し、試験片が破壊されるまで軸方向圧力（σ₁）を増加し続ける。これは基礎的で一般的な3軸試験である。

目的：主に岩石のせん断強度パラメータ（凝集力cと内摩擦角φ）を決定するために用いられる。

真三軸試験：

プロセス：試験片の3つの主方向（σ₁、σ₂、σ₃）にそれぞれ3つの互いに異なる独立圧力を加えた。

目的：より複雑なリアル地力場をシミュレーションし、中間主応力が岩石強度と変形特性に与える影響を研究する。設備はより複雑で高価です。

三軸伸長試験：

過程：軸方向応力（σ₁）が周囲圧（σ₂＝σ₃）より小さく、引張破壊の応力状態を模擬する。

目的：低軸圧、高周囲圧における岩石の破壊特性を研究する。

孔間水圧試験：

プロセス：通常の三軸試験に基づいて、試料内部の空隙水圧の制御と測定を増加する。次のように分類できます。

非固化非排水試験：急速負荷、ボイド水排出を許さない。

固結非排水試験：まず試料を囲圧下で十分に排水固結させ、それから非排水せん断を行う。

固結排水試験：剪断過程全体で水の緩慢な排出を許可し、孔間圧力は一定を維持する。

目的：岩の強度、変形と有効応力原理に対する流体の影響を研究し、石油・ガス貯蔵と水利工事にとって極めて重要である。

4.重要力学パラメータの取得

試験データ（通常は軸方向応力−軸方向歪み曲線と半径方向歪み曲線）を解析することにより、以下の重要な岩石力学パラメータを取得することができる：

ピーク強度：岩が受けることができる最大軸応力。

残留強度：岩が破壊された後も保持できる強度。

弾性係数：弾性変形段階における岩石の応力とひずみの比。

ポアソン比：岩が軸方向に加圧されたときの径方向歪みと軸方向歪みの絶対値の比。

凝集力と内摩擦角：異なる周囲圧下での試験結果を用いて、モール・クーロン強度包絡線を描画して求め、岩石のせん断強度を特徴づける核心パラメータである。

**dilatancy角：**せん断中の岩石の体積膨張の傾向を特徴づける。

5.主な応用分野

土木と交通工事：トンネル、地下洞室、斜面、ダム地盤の安定性分析と設計。

石油と天然ガス工業：石油・ガス貯蔵層の改造、掘削井壁の安定、水力圧裂設計、砂出し予測。

鉱業プロジェクト：鉱井支援設計、鉱柱安定性評価、岩爆予測。

地熱エネルギー開発：熱貯蔵層の力学的応答を評価する。

地質災害の防止：地滑り、崩壊、地盤沈下のメカニズム研究と監視警報。

科学研究：岩石力学構造モデルの開発、破断メカニズムの研究、深部地質過程のシミュレーション。

6.設備展示