1. Definitionen

Die Stein-Drei-Achsen-Testmaschine ist ein spezielles großes Testsystem zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Steinmaterialien unter dreidienstigem Spannungszustand (d. h. Zusammenwirkung von Peripherie- und Achsdruck). Seine Kernfunktion besteht darin, die „wahren“ oder „falschen“ Drehachsen-Spannungsbedingungen zu simulieren, denen der Gestein in der Tiefe des Bodens ausgesetzt ist, um die Stärke, Verformung und Zerstörungseigenschaften des Gesteins in komplexen Spannungsumgebungen zu erfahren.

Es ist eine wichtige Ausrüstung für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Steinen, die Beurteilung von geologischen Katastrophen, den Öl- und Gasbau und die Konstruktion von unterirdischen Konstruktionen (z. B. Tunnel, Minen, Wasserkraftkammern).

2. Arbeitsprinzip und Kernkomposition

Das Prinzip der Stein-Drehachsen-Prüfmaschine besteht darin, dass ein zylindrisches Stein-Prüfstück durch ein unabhängiges Belastungssystem sowohl axialen Druck als auch seitlichen Umfang ausübt und seine Verformungs- und Festigkeitseigenschaften unter dieser komplexen Spannung messen kann.

Eine Standard-Stein-Drei-Achsen-Testmaschine besteht hauptsächlich aus folgenden Systemen:

Host-Rahmen: Eine riesige, steife Struktur, die eine Gegenkraft bietet, um eine stabile Arbeit unter hohem Druck zu gewährleisten.

Axialladesystem:

Wirkung: Vertikaler Druck auf das Prüfstück ausüben.

Zusammensetzung: Die präzise Verschiebung oder Kraftsteuerung erfolgt in der Regel durch Servomotoren, Kugelschrauben oder Hydraulikzylinder.

Umdrucklastsystem:

Wirkung: Gleichmäßiger seitlicher Druck auf das Prüfstück ausüben.

Zusammensetzung: Der Kern ist eine dreichsige Druckkammer, es ist ein hochfester Behälter mit Hydrauliköl oder anderen Druckübertragungsmedien. Durch eine unabhängige Servo-Steuerpumpe wird die Flüssigkeit in den Druckraum eingespritzt, wodurch eine isodirective Belastung der Proben erreicht wird.

Poren Drucksystem:

Funktion: (im Advanced-Modell) Simuliert den Flüssigkeitsdruck in der unterirdischen Gesteinsschicht und steuert die Abwasserbedingungen der Proben.

Zusammensetzung: Präzisionshydraulische Servopumpe, die über eine Rohrleitung mit den oberen und unteren Poren des Probens verbunden ist.

Mess- und Datenerfassungssysteme:

Axialkraftsensor: Messt die axiale Belastung, die auf das Prüfstück ausgeübt wird.

Axial Displacement Sensor (LVDT): Messt die gesamte axiale Verformung des Testteils.

Ringverschiebungssensor oder Spannungsschläger: Direkt auf das Prüfstück angebracht, um seine radiale Verformung genau zu messen.

Poröser Drucksensor: Messt den Flüssigkeitsdruck im Testteil.

Datenerfasser: Erfassung der Signale aller Sensoren in hoher Geschwindigkeit und synchron.

Computersteuerungssystem:

Funktion: ist das "Gehirn" des gesamten Geräts. Der Anwender setzt das Testprogramm (z. B. Spannungsweg, Lastgeschwindigkeit) über die Software ein, steuert das System die einzelnen Lastsysteme genau gemäß den Anweisungen und zeigt, protokolliert und verarbeitet alle Testdaten in Echtzeit.

3. Hauptversuchsarten

Abhängig von den Abwasserbedingungen und dem Ladeweg unterteilt sich der Stein-Drehachsen-Test hauptsächlich in die folgenden Arten:

Regelmäßige Drei-Achsen-Kompressionsprüfung:

Verfahren: Zuerst wird ein konstanter Umfangsdruck (σ2 = σ3) auf das Prüfstück aufgebracht, dann wird der Umfangsdruck unverändert gehalten und der axiale Druck (σ1) kontinuierlich erhöht, bis das Prüfstück zerstört wird. Dies ist ein grundlegender, häufig verwendeter Drei-Achsen-Test.

Zweck: Wird hauptsächlich zur Bestimmung der Parameter der Schnittfestigkeit des Gesteins verwendet (innere Aggression c und innere Reibungswinkel φ).

Echter Drei-Achsen-Test:

Verfahren: Auf die drei Hauptrichtungen (σ1, σ2, σ3) des Probes werden jeweils drei unterschiedliche unabhängige Drucke ausgeübt.

Ziel: Simulieren Sie komplexere reale Spannungsfelder und untersuchen Sie die Auswirkungen der mittleren Hauptspannung auf die Stärke und die Verformungseigenschaften des Gesteins. Die Ausrüstung ist komplexer und teurer.

Drei-Achs-Verlängerungsprüfung:

Verfahren: Die axiale Spannung (σ1) ist kleiner als der Umfangsdruck (σ2 = σ3) und simuliert den Spannungszustand der Zugzerstörung.

Ziel: Untersuchung der zerstörenden Eigenschaften von Steinen bei niedrigem Achsdruck und hohem Peripheriedruck.

Poröser Wasserdruck:

Prozess: Erhöhung der Kontrolle und Messung des Wasserdrucks in den Poren des Tests auf der Grundlage von herkömmlichen Drei-Achsen-Tests. Unterteilbar in:

Nicht feststehender Nicht-Abwassertest: Schnelle Beladung, keine Ableitung von Porenwasser erlaubt.

Fixierungsprüfung ohne Ableitung: Lassen Sie das Prüfstück zunächst unter Umfangsdruck vollständig befestigt und schneiden Sie dann ohne Ableitung.

Fixierungs-Abwassertest: Der gesamte Schneidprozess erlaubt langsame Ableitung von Wasser, wobei der Porendruck konstant bleibt.

Ziel: Die Untersuchung der Auswirkungen von Flüssigkeiten auf Gesteinsfestigkeit, Verformung und effektive Beanspruchungsprinzipien ist für Öl- und Gasspeicher und Wassertechnik von entscheidender Bedeutung.

Erwerb wichtiger mechanischer Parameter

Durch die Analyse von Versuchsdaten (in der Regel axial-spannungs-axial-spannungs- und radial-spannungs-Kurven) können die folgenden Schlüsselmechanikparameter des Gesteins ermittelt werden:

Spitzenstärke: Die maximale axiale Spannung, die ein Fels ertragen kann.

Reststärke: Die Stärke, die nach der Zerstörung des Felses aufrechterhalten wird.

Elastizitätsmodul: Das Verhältnis von Spannung und Beanspruchung des Gesteins während der elastischen Verformungsphase.

Poisson-Verhältnis: Das absolute Verhältnis zwischen radialer und axialer Belastung, wenn ein Felsen axial gedrückt wird.

Innere Aggression und innere Reibungswinkel: Die Zeichnung der Mauer-Cullen-Festigkeits-Umhüllung durch eine Reihe von Testergebnissen unter unterschiedlichem Umdruck ist ein Kernparameter, der die Schnittfestigkeit von Steinen charakterisiert.

** Dilatationswinkel: ** Charakterisiert die Tendenz, das Volumen des Gesteins während des Schnitts zu erweitern.

5. Hauptanwendungsbereiche

Zivil- und Verkehrstechnik: Stabilitätsanalyse und Konstruktion von Tunneln, unterirdischen Höhlenkammern, Seitenhängen und Dammfundamenten.

Öl- und Gasindustrie: Umrüstung von Öl- und Gasspeichern, Stabilisierung von Bohrungswanden, Hydraulikfraktionskonzept, Vorhersage von Sandausbeuten.

Bergbautechnik: Gestaltung der Bergbaustützung, Stabilitätsbewertung der Bergsäulen, Vorhersage von Explosionen.

Geothermische Energieentwicklung: Bewertung der mechanischen Reaktion von Wärmespeichern.

Geologische Katastrophenbekämpfung: Untersuchung und Überwachung der Mechanismen von Rutschen, Zusammenbrüchen und Bodensatzungen.

Wissenschaftliche Forschung: Entwicklung von Gesteinsmechanik-Konstruktionsmodellen, Untersuchung von Bruchmechanismus, Simulation tiefer geologischer Prozesse.

6. Ausstattung