真三轴实验
不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟
第52卷第3期2021年3月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.3Mar.2021不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟李江腾，刘双飞，赵远，郭群(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083)摘要：利用TRW-3000室内真三轴试验系统开展不同应力路径下的真三轴加载、卸载试验，研究其相应的力学特性，在此基础上开展PFC 3D 数值模拟对比试验，探讨细观裂纹演化规律。
研究结果表明：岩石最大、最小主应力差(σ1−σ3)与中间主应力σ2呈线性相关；基于Drucker −Prager 准则拟合不同应力路径下岩石强度效果良好；与加载相比，卸载条件下岩石黏聚力c 、内摩擦角φ均有所降低；PFC 3D 数值模拟试验破坏模式与室内试验破坏模式基本吻合；在不同应力路径下，数值模型剪切裂纹数与拉伸裂纹数均随ε1增大而增大，剪切裂纹比例曲线ε1随变化趋势呈“И”型，且当主应变ε1相同时，随着中间主应力σ2增大，各类裂纹数量减少；与加载相比，卸载时各类裂纹数量快速增加，剪切裂纹数占比降低，曲线由加载的“上凸”型转变为卸载的“下凹”型。
关键词：中间主应力；应力路径；数值模拟；裂纹演化中图分类号：TU43文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）03-0693-08True triaxial test and numerical simulation of sandstone indifferent stress pathsLI Jiangteng,LIU Shuangfei,ZHAO Yuan,GUO Qun(School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha,410083,China)Abstract:TRW-3000indoor true triaxial test system was used to carry out true triaxial loading and unloading tests in different stress paths to study the corresponding mechanical characteristics of the sandstone.On this basis,PFC 3D numerical simulation comparison test was carried out to explore the evolution law of microscopic cracks.The results show that the difference (σ1−σ3)between the maximum and the minimum principal stress of the rock is linearly related to the intermediate principal stress σ2.The Drucker-Prager criterion has good effect in fitting rock strength in different stress pared to load path,the cohesion c and the internal friction angle φof the rock are reduced under unloading conditions.The results of PFC 3D numerical simulation experiment are consistent with those of laboratory experiment.In different stress paths,the numbers of shear cracks and tensile cracks of theDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.03.004收稿日期：2020−04−10；修回日期：2020−06−12基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51979293，51774322)；湖南省水利厅科技项目(2015131-5)(Projects(51979293，51774322)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2015131-5)supported by the Science and Technology Program of Water Resources Department of Hunan Province)通信作者：郭群，高级实验师，从事岩石力学研究；E-mail:****************引用格式：李江腾,刘双飞,赵远,等.不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(3):693−700.Citation:LI Jiangteng,LIU Shuangfei,ZHAO Yuan,et al.True triaxial test and numerical simulation of sandstone in different stress paths[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(3):693−700.第52卷中南大学学报(自然科学版)numerical model increase with the increase of the maximum principal strainε1.Shear crack ratio curve with themaximum principal strainε1trends show"И"type.Under the same maximum principal strainε1,with the increaseof the intermediate principal stressσ2,the numbers of all kinds of cracks pared with loading,the number of various cracks increases rapidly and the proportion of shear cracks decreases.The curve changes from "upward convex"type under loading to"downward concave"type under unloading.Key words:intermediate principal stress;stress path;numerical simulation;crack evolution隧道、边坡、矿山等施工导致围岩应力状态发生变化，多表现为沿开挖工作面的应力降低，在此过程中，岩石表现出的力学性质直接影响工程的安全。
岩石真三轴水力压裂试验原理
岩石真三轴水力压裂试验原理岩石真三轴水力压裂试验原理？听起来是不是有点像是从某个科学实验室里拿出来的怪名字？别担心，咱们今天就来聊聊这事，保证让你听得懂，搞得清楚，甚至还能笑一笑。
首先啊，这个“水力压裂”，就是咱们常说的水裂法，说白了，就是一种用水把岩石弄裂的技术。
想象一下，你有一块坚硬的石头，用小锤子砸肯定不行，对吧？这时候怎么办？对了，你得用“水”来帮忙，就像有时候咱们扛不住大块的肥肉，得靠一把刀来分割一样，水力压裂就是用水压裂岩石的技术。
那为什么是“真三轴”呢？简单说，这跟实验里模拟岩石在自然界中的应力条件有关。
咱们知道，地球深处的岩石承受着各种压力，水力压裂试验就是要把这些压力模拟出来，看看岩石到底能经得住多少考验。
这里的“三轴”就像是给岩石设定了三个不同方向的压力，像是把岩石夹在了一个巨大的“铁夹子”里，四面八方都来压力，看看它到底是能挺住，还是会爆裂。
听起来很复杂对吧？但其实这个原理就像咱们平时挤牙膏一样。
你想，牙膏本来在管子里安安静静的，突然一按，它就出来了，甚至喷得四溅。
水力压裂试验也是类似的操作，只不过它把压力加得特别大，岩石在强大的水压下“喷发”出来，裂开，产生油气或者矿产资源。
只不过呢，这个过程背后的技术可比牙膏复杂多了，毕竟你不能让一块岩石“喷得乱七八糟”对吧？这需要非常精确的控制和细致的实验设计。
想象一下，岩石就像是一个个大小不一的小炸弹，每颗炸弹里藏着丰富的资源。
水力压裂的作用就好比是给这些炸弹加压，直到它们“咔嚓”一声裂开，里面的资源才能释放出来。
而“三轴”压裂测试，就是模拟地球深处岩石受压的真实情况，搞清楚岩石在各种压力下的反应。
这个过程，就像咱们捏塑料泥一样，轻轻一捏，塑料泥可能就裂开了，但压力大了，泥巴可能会变形，甚至炸开。
如果你觉得这玩意儿没有啥用，那你就大错特错了！这背后可有大用处，特别是在油气开采和矿产资源勘探中，水力压裂试验就像是一把万能钥匙，帮我们打开了岩石这座“宝库”。
室内岩石试验(三轴)
σ3 =12
2）、绘制应力差～轴向 应变（εL）曲线。 3）、计算弹性模量和泊 松比。
σ3 =4 σ3 =8
0 0 0.005 0.01 0.015
εL
三轴压缩强度和变形试验
—成果整理
4、破坏后试件描述
描述破坏形式，并量测破坏面与最大主应力作 用面之间的夹角。
三轴压缩强度和变形试验
—试验方法
断层泥
三、三轴压缩强度和变形试验
—试验方法 2）安装试件： a、套热缩管、隔油；
三轴压缩强度和变形试验
—试验方法
三轴压缩强度和变形试验
—试验方法
以0.05MPa/s——同时施加侧压 力和轴向压力至预定侧压力值 以0. 5～1.0MPa/s——施加轴向 荷载，直至试件完全破坏。
试样安装完 毕，给压力 室注油，准 备施加围压
50 40 30 20 10 τ( )
φ
C
0 10 20 30 40 50 60 σ(
应力莫尔圆
三轴压缩强度和变形试验
—成果整理 3）以σ1纵坐标， σ3为横坐标点绘的 最佳关系曲线为直 线，可按下式直接求 C、 φ值。
轴压 σ 1 (MPa) y = 12.8x + 165.04 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 围压 σ3 (MPa)
2、三轴压力室
利用伺服控制刚性试验机 提供轴向荷载，将三轴压力室 底座推至试验机活塞中心，放 下三轴压力室，并用螺栓与底 座连接。
—仪器设备
三轴压力室底座 滑轨
三轴压力室
轴向荷载加 压油缸
三、三轴压缩强度和变形试验
—仪器设备 3、液压稳压综合控制系统 围 压： 0～100MPa； 试件尺寸： φ25×50mm； φ50×100mm； φ100×200mm。
沥青混凝土常规三轴试验分析与真三轴仪的研制的开题报告
沥青混凝土常规三轴试验分析与真三轴仪的研制的开题报告一、研究背景沥青混凝土是一种常用于路面结构的材料。
在沥青混凝土的设计和施工过程中，常对其力学性能进行三轴试验以获得其性能指标，如强度、变形等。
传统的沥青混凝土三轴试验主要使用常规试验设备进行，其缺点是无法模拟真实路面的复杂力学环境，也无法真实地反映材料在实际使用中的受力情况。
另一方面，随着科技的进步，真三轴仪的出现为研究沥青混凝土的力学性能提供了新的可能。
真三轴仪可以模拟路面工况和使用环境的多种因素，如路面温度、车辆荷载等，可以更真实地反映材料在实际使用中的受力情况。
因此，本研究旨在通过对沥青混凝土常规三轴试验分析与真三轴仪的研制，探讨两者之间的差异和联系，为沥青混凝土材料的可靠性评价提供更为科学的依据。
二、研究目的1. 分析沥青混凝土常规三轴试验的原理、方法、数据分析等，并比较其与真三轴仪试验的差异和联系。
2. 研制一台适合大型沥青混凝土样品的真三轴仪，并验证其可靠性和精度。
3. 利用比较试验的方法，对沥青混凝土材料的力学性能进行全面深入的研究和探讨，4. 提出相应的优化建议，对沥青混凝土材料的工程应用和可靠性评价提供科学的依据。
三、研究内容1.对沥青混凝土的力学性能研究进行文献综述。
2.分析常规沥青混凝土三轴试验原理、方法、数据分析等。
3.研制真三轴仪，建立沥青混凝土试验系统。
4.对不同试验条件下的沥青混凝土样品进行真三轴试验，并分析试验数据。
5.比较两种试验方法的差异和联系，找出沥青混凝土强度、变形等性能指标之间的规律。
6.利用试验结果提出改进建议，为沥青混凝土材料的应用提供科学依据。
四、研究方法1.文献综述分析法，分析沥青混凝土力学性能研究的研究现状，了解国内外研究状况以及研究热点。
2.常规沥青混凝土三轴试验方法，采用国际通用的三轴试验方法，开展沥青混凝土的常规试验。
3.真三轴试验方法，利用研制出的真三轴仪开展沥青混凝土的真三轴试验。
4.数据分析方法，通过比较试验数据的处理和分析，找出试验数据的规律性及其规律之间的联系。
三轴试验
三轴试验一、基本原理三轴压缩实验是根据摩尔-库伦强度理论，用3～4个试样，分别在不同的恒定周围压力（即小主应力σ3）下施加轴向压力（即主应力差），进行剪切直至破坏，从而确定土的抗剪强度参数。
根据排水条件的不同，三轴试验分为以下三种试验类型：即不固结不排水试验（UU），固结不排水试验（CU），和固结排水试验（CD），试验方法的选择应根据工程情况，土的性质，建筑物施工和运行条件及所采用的分析方法而定。
（1）不固结不排水剪试验（UU）:是在整个实验过程中,从加周围压力和增加轴向压力直到剪坏为止,均不允许试样排水对保和试样可测得总抗剪强度参数CU、ФU或有效抗剪强度参数C′、Ф′和孔隙水压力参数。
（2）固结不排水剪试验（CU）:试验是先使试样在某一周围压力下固结排水，然后保持在不排水的情况下，增加轴向压力直到剪坏为止，可以测得总抗剪强度指标CCu、ФCu或有效抗剪强度参数C′、Ф′和孔隙水压力参数。
（3）固结排水剪试验（CD）:是在整个试验过程中允许试样充分排水，即在某一周围压力下排水固结，然后在充分排水的情况下增加轴向压力直到剪坏为止，可以测定有效抗剪强度指标2Cd、Фd。
二、固结不排水试验（一）仪器设备1、应变控制式三轴压缩仪由周围压力系统，反压力系统，孔隙水压力量测系统和主机组成。
2、附属设备包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘、承膜筒和对开圆筒，：3、百分表量程3cm或1cm，分度值〉0.01mm。
4、天平程量200g，感量0.01g；程量1000g，感量0. 1g。
5、橡皮膜应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1/100，不得有漏气空。
（二）操作步骤1、仪器检查⑴周围压力的测量精度为全量程的1%，测读分值为5kPa。
⑵孔隙水压力系统内的气泡应完全排除。
系统内的气泡可用纯水或施加压力使气泡溶于水，并从试样底座溢出，测量系统的体积因数应小于1.5×10-5cm3/ kPa。
⑶管路应畅通，活塞应能滑动，各连接处应无漏气。
粗粒土在π平面上的真三轴试验及强度准则
粗粒土在π平面上的真三轴试验及强度准则施维成;朱俊高;代国忠;李雄威【摘要】Several experiments in which both p ( spherical stress) and b ( the coefficient of intermediate principal stress) remained constant on theπplane were performed on coarsegrained soil by the TSW40 type true triaxial apparatus at Hohai University. The relationship between the peak value of stress ratio Mb and the value of b in these tests was studied. The test results indicate that Mb decreases with the increase of b, and the influence of b on Mb is greater when b is small, while the influence is small when b is large. The test results also show that Mb decreases with the increase of p under the same value of b, which shows that the strength of coarsegrained soil has nonlinear properties. The failure lines on theπplane based on five failure criteria, including the failure criterion on a σ3 constant plane, the MohrCoulomb criterion, the stressinvariant failure criterion, the LadeDuncan criterion, and the MatsuokaNakai criterion, were drawn and compared with the test results in order to verify the applicability of these criteria to coarsegrained soil. It is shown that the results of the failure criterion on a σ3 constant plane of coarsegrained soil are closer to the test results than those of the MohrCoulomb criterion, owing to consideration of the influence of intermediate principal stress, and it is convenient to take strength nonlinearity into account. It is also shown that the results of the stressinvariant failure criterion of coarsegrained soil are between those of the LadeDuncan criterion and theMatsuokaNakai criterion, and they fit the test results better.%利用河海大学TSW40型真三轴仪,对粗粒土进行π平面上的等p(球应力)、等b(中主应力系数)试验,研究粗粒土在π平面上破坏应力比Mb与b的关系。
4.2.3 岩石三轴试验及变形特点
常规三轴实验
123
σσσ>= 岩石强度及变形特征与岩石的应力状态密切相关，围压对岩石变形特性的影响很大。
岩石在三向荷载下的变形特性是通过三轴压缩试验方法来测定的。
真三轴实验优点
缺点
成果整理
轴向1σ1
ε绘制成果曲线
11σε~()
321εεε+~径向
3σ2ε3
ε()1
33
112σσσσμ---=
B B ()1
312εμσσ-=
E 3
1
B εε=
与单轴压缩条件下的应力-应变曲线比较：
非线性特征
仍符合线弹性材料的性状
剪胀，
破坏前兆
脆性破坏
由脆性到塑性
扩容
应变硬化
定义
岩石破坏的前兆细微裂隙的形成扩大于平行细观机理
扩容现象
工程应用
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）。
岩体真三轴现场试验规程
岩体真三轴现场试验规程一、引言岩体工程是岩石力学的一个重要研究领域，为了更好地了解岩石的力学性质和岩体的稳定性，进行真三轴现场试验是必不可少的手段。
本文将介绍岩体真三轴现场试验的规程，包括试验前的准备工作、试验设备和仪器的选择、试验过程的操作要点以及试验结果的分析和处理。
二、试验前的准备工作1. 确定试验目的和试验参数：根据岩体工程的实际情况确定试验的目的和所需求的参数，例如岩石的抗压强度、抗剪强度等。
2. 选择试验地点：选择合适的试验地点是保证试验结果准确性的重要因素，应考虑地质条件、岩层特征等因素。
3. 准备试验设备和仪器：选择适用于真三轴试验的设备和仪器，包括压力机、应变仪、压力传感器等。
4. 岩石样本的采集与制备：根据试验要求采集合适的岩石样本，并进行必要的制备工作，如切割成规定尺寸的试样。
三、试验设备和仪器的选择1. 压力机：选择合适的压力机是进行真三轴试验的关键，应考虑试验参数范围、试样尺寸等因素，确保压力机的质量和性能满足试验要求。
2. 应变仪：应变仪用于测量试样的应变变化，在真三轴试验中起到重要作用，应选择灵敏度高、测量范围广的应变仪。
3. 压力传感器：压力传感器用于测量试样所受的轴向压力，应选择精度高、稳定性好的压力传感器。
四、试验过程的操作要点1. 样本的装配：将岩石样本装入试验设备中，并按照试验要求进行应力加载和应变控制。
2. 应变测量：通过应变仪测量试样的应变变化，及时记录并保证测量数据的准确性。
3. 轴向压力控制：根据试验要求，通过调节压力机的加载速率和加载方式，控制试样所受的轴向压力。
4. 剪切力控制：根据试验要求，通过调节剪切装置的加载速率和加载方式，控制试样的剪切力。
5. 试验参数的记录：在试验过程中，及时记录试验参数的变化，例如加载速率、应变变化等。
五、试验结果的分析和处理1. 数据处理：将试验过程中获得的数据进行整理和处理，包括计算岩石的抗压强度、抗剪强度等参数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高等岩石力学——真三轴试验
问题：真三轴试验如何做到2σ≠3σ，方法的误差来源。
真三轴仪大多是对方柱试件进行试验。
瑞典皇家地质学院的Kjellman设计的通过六块刚性板在三个方向上独立施加主应力的仪器，由于仪器本身复杂性及各方向的相互干扰，造成大的误差。
后来对真三轴试验仪进行了改进，安装一对侧向压力板，以施加2σ，其特点是试样有一对面暴露在压力室中，能减少这个方向上与其他两个方向边界间的干扰，同时能比较容易形成和观察到如剪切面等破坏形式，但误差的来源还是不能独立的施加大、中、小主应力。
并且这种仪器很难进行如应力路径在π平面的6个角域中自由变化的真三轴试验。
后来又研制出了许多真三轴仪如下图两个：
当前最常见的是真三轴刚性伺服试验机可以进行真三轴试验。
主要用途：可以完成砼及岩石类材料的单轴、双轴和真三轴的拉压组合试验，实现全过程的测试。
也可完成剪切、梁的弯曲、断裂试验等。
此试验机竖向机架设1σ方向伺服油缸，横向框架设2σ方
向伺服油缸和真三轴压力室，推入竖向框架内可进行材料的常规三轴或真三轴压力试验。
其中1σ、2σ为刚性加载，3σ由普通油液液压加载。
三轴室设施加空隙水压力及各主应力方向位移量测量装置。
三轴试验中，横向框架处于浮动工况。
这种真三轴刚性伺服试验机，虽然能进行真三轴试验，但是只能进行方柱试件的真三轴试验，实现了真三轴试验中的2σ≠3σ，圆柱试件可进行普通三轴试验。
其加载路径通过如下方式进行，先加静水压（1σ=2σ=3σ），然后3σ保持不变，增加1σ和2σ到2σ的设计值，保持2σ不变，增加1σ直至试件破坏。
此装置进行真三轴试验，纵向荷载1σ和横向荷载2σ都是通过与试件等截面的金属块加压，这样不存在端面的侧向约束问题，而仅存在端面摩擦力。
减少加载金属块与试件端面间的摩擦力，中间可以加聚四氯乙烯板，在试件和加压板之间设置减摩垫层，刷行加载板，柔性加载板，金属箔液压垫。
但在试件端面加了聚四氯乙烯板，端面摩擦力还是存在，且摩擦力与垂向应力成正比，对于一定的端面摩擦力，沿端面垂向试件越长，摩擦力对试件变形破坏起的阻碍作用越小。
在研究1σ与2σ的关系时，选择试件长轴方向为2σ的方向是有益的。
当然，这样1σ产生的摩擦力对试件变形破坏的阻碍相应增大了一些，1σ的变化幅度较小（相对于2σ），所以从总的效果来说，选择试件长轴方向施加2σ是有益的。
示意图如下：
端部摩擦力是产生误差的主要原因所以对端部进行如下图的处理
目前真三轴试验仪产生的误差主要是由以下几个缺点造成的：应力难以均匀，当轴向应变大时，会产生加载板干扰，仪器不灵巧，操作复杂，会产生边界干扰。
当试样发生变形后，必然产生试样与刚性板之间的相对运动，在刚性板与试样接触面上将产生剪应力，不能保证接触面上只有正应力，从而影响了真三轴试验测试结果的准确性。
因此要实现2σ≠3σ，国内外通常做法都是将试件做成方形试件，通过各种手段消除摩擦效应等的影响带来了不错的试验结果。
并没有对圆柱形试件进行试验的真三轴仪器。
个人认为要对圆柱形试件试验，可将其放入一个方形的模具中，变成对方形试件的加压进行试验。