1. Definição

A máquina de teste de três eixos de rocha é um sistema de teste de grande escala dedicado para medir as propriedades mecânicas de materiais de rocha sob o estado de tensão tridimensional (ou seja, pressão periférica e pressão axial). Sua função principal é simular as condições de tensão de “três eixos verdadeiros” ou “três eixos falsos” a que as rochas são submetidas nas profundidades do solo, obtendo assim as propriedades de força, deformação e destruição das rochas em ambientes de tensão complexos.

É um equipamento essencial para a investigação das propriedades mecânicas das rochas, a avaliação de desastres geológicos, a extração de petróleo e gás, o projeto de engenharia subterrânea (por exemplo, túneis, minas, salas hidroelétricas).

2. Princípio de funcionamento e composição básica

O princípio de funcionamento da máquina de teste de três eixos de rocha é o de aplicar simultaneamente a pressão axial e a pressão periférica lateral a um ensaio de rocha cilíndrico através de um sistema de carga independente e medir suas propriedades de deformação e resistência sob esta tensão complexa.

Uma máquina padrão de teste de três eixos de rocha consiste principalmente dos seguintes sistemas:

Estrutura do anfitrião: uma estrutura rígida enorme que fornece suporte de contraforça para garantir um trabalho estável sob alta pressão.

Sistema de carga axial:

Efeito: exercer pressão na direção vertical sobre a peça de ensaio.

Composição: geralmente, o controle preciso do deslocamento ou da força é alcançado por servomotores, parafusos de esferas ou cilindros hidráulicos.

Sistema de carga periférica:

Efeito: Aplique uma pressão lateral uniforme sobre a peça de ensaio.

Composição: O núcleo é uma câmara de pressão de três eixos, é um recipiente de alta resistência com o interior cheio de óleo hidráulico ou outro meio de transmissão de pressão. O óleo é injetado na sala de pressão através de uma bomba de servocontrol independente, permitindo assim uma carga periférica isodirecional da peça de ensaio.

Sistema de pressão porosa:

Função: (equipado em modelos avançados) Simula a pressão do fluido na camada de rocha subterrânea e controla as condições de drenagem da peça de ensaio.

Composição: Servobomba hidráulica de precisão ligada a um poro na extremidade superior e inferior do ensaio através de um tubo.

Sistemas de medição e coleta de dados:

Sensor de força axial: mede a carga axial aplicada ao ensaio.

Sensor de deslocamento axial (LVDT): mede a deformação axial global da peça de ensaio.

Sensor de deslocamento anel ou deformação: fixado diretamente na peça de ensaio para medir com precisão a sua deformação radial.

Sensor de pressão porosa: mede a pressão do fluido dentro da peça de ensaio.

Capturador de dados: Captura de sinais de todos os sensores em alta velocidade e sincronismo.

Sistema de controle por computador:

Função: É o "cérebro" de todo o dispositivo. O usuário configura o programa de teste (por exemplo, caminho de tensão, taxa de carga) através do software, o sistema controla com precisão cada sistema de carga de acordo com as instruções e mostra, registra e processa todos os dados de teste em tempo real.

Principais tipos de teste

De acordo com as condições de drenagem e o caminho de carga, o teste de três eixos de rocha é dividido principalmente em vários tipos:

Teste convencional de compressão de três eixos:

Procedimento: Primeiro, aplique uma pressão periférica constante (σ₂ = σ₂) à peça de ensaio e mantenha a pressão periférica inalterada, aumentando constantemente a pressão axial (σ₂) até a destruição da peça de ensaio. Este é um teste básico e comumente usado de três eixos.

Propósito: Usado principalmente para determinar os parâmetros de resistência ao corte da rocha (força interna c e ângulo de atrito interno φ).

Teste de três eixos:

Processo: Três pressões diferentes e independentes são aplicadas nas três direções principais da peça de ensaio (σ1, σ2, σ3).

Objetivo: Simular campos de tensão mais complexos e reais para estudar o efeito da tensão mestre intermediária na força da rocha e nas propriedades de deformação. Os equipamentos são mais complexos e caros.

Teste de alongamento de três eixos:

Processo: A tensão axial (σ1) é menor do que a pressão periférica (σ2 = σ3), simulando o estado de tensão da ruptura de alongamento.

Objetivo: Estudar as propriedades destrutivas das rochas sob baixa pressão axial e alta pressão periférica.

Teste de pressão de água porosa:

Processo: Aumentar o controle e a medição da pressão da água nos poros internos do ensaio com base em testes de três eixos convencionais. Pode ser dividido em:

Teste de não fixação sem drenagem: carregamento rápido, não permitindo a drenagem de água porosa.

Teste de fixação sem drenagem: primeiro, deixe a peça de ensaio ser totalmente fixada sob pressão periférica e, em seguida, faça o corte sem drenagem.

Teste de drenagem de fixação: durante todo o processo de corte, a água é liberada lentamente e a pressão porosa é mantida constante.

OBJETIVO: Estudar o efeito dos fluidos sobre a força da rocha, a deformação e os princípios de estresse eficaz é essencial para os depósitos de petróleo e gás e a engenharia hídrica.

4. Adquisição de parâmetros mecânicos críticos

Os seguintes parâmetros-chave da mecânica da rocha podem ser obtidos através da análise dos dados do teste (geralmente a curva de tensão axial-deformação axial e a curva de deformação radial):

Força máxima: o máximo esforço axial que a rocha pode suportar.

Residual Strength: A força que permanece após a destruição da rocha.

Módulo elástico: Relação entre tensão e tensão da rocha durante a fase de deformação elástica.

Proporção de Poisson: A relação entre a tensão radial e o valor absoluto da tensão axial quando a rocha é pressionada axialmente.

Agregação interna e ângulo de atrito interno: O desenho da linha de cobertura de resistência de Moore-Cullen, obtido por meio de um conjunto de resultados de testes sob diferentes pressões periféricas, é o parâmetro central que caracteriza a resistência ao corte da rocha.

** ângulo de dilatancy: ** caracteriza a tendência de expansão de volume da rocha durante o corte.

5. Principais áreas de aplicação

Engenharia Civil e de Transportes: Análise e projeto de estabilidade de túneis, cavernas subterrâneas, encostas laterais e fundações de barragens.

Indústria de petróleo e gás: remodelação de depósitos de petróleo e gás, estabilização de paredes de poços de perfuração, projeto de fraturação hidráulica, previsão de areia.

Engenharia de mineração: projeto de suporte à mina, avaliação da estabilidade da coluna, previsão de explosão de rocha.

Desenvolvimento de energia geotérmica: Avaliação da resposta mecânica dos reservatórios de calor.

Prevenção de desastres geológicos: estudo e alerta precoce de mecanismos de deslizamento, colapso e sedimentação do solo.

Pesquisa científica: Desenvolvimento de modelos de estrutura mecânica de rochas, estudo de mecanismos de ruptura, simulação de processos geológicos profundos.

6. Equipamento de exibição