2. 岩石三轴压缩试验基本原理

岩石三轴压缩试验的核心，是把圆柱（或棱柱）试样放进一个可以独立控制侧向压力的环境里，再沿轴向施加压力，直到试样破坏或达到规定变形。它与单轴压缩最本质的区别在于：单轴试验中试样侧面是自由的，围压为零；三轴试验中试样侧面被围压介质包裹，三个方向都处于压应力状态。正是这个"侧向被约束"的条件，使岩石的强度、变形和破坏方式发生显著变化，也让试验结果更接近地下岩体所处的真实应力环境。

一、三轴应力状态的描述

描述三轴应力状态，首先要统一符号与坐标约定。本课程采用岩石力学通用约定：压应力为正，拉应力为负；取轴向为 \(\sigma_1\) 方向，两个侧向为 \(\sigma_2\)、\(\sigma_3\) 方向，并规定 \(\sigma_1 \ge \sigma_2 \ge \sigma_3\)。常规三轴试验中 \(\sigma_2 = \sigma_3 = p_c\)（围压），因此应力状态可用两个独立量刻画：围压 \(p_c\) 和轴向应力 \(\sigma_1\)。

工程上更常用的是主应力差 \(\sigma_1 - \sigma_3\)，也称偏应力 \(q\)。它表示超出静水压力部分、真正驱动岩石剪切破坏的那一部分应力。若用平均应力 \(p = (\sigma_1 + \sigma_2 + \sigma_3)/3\) 表示应力水平，则 \((p, q)\) 构成应力路径平面：常规三轴试验的加载路径是 \(p\) 与 \(q\) 同时增大的斜线，而围压保持阶段则是 \(q = 0\) 的水平线。理解这一点，对后面判读应力—应变曲线和强度包络线非常关键。

需要特别提醒：试验机记录的是轴向荷载，必须除以试样当前横截面积才能得到应力。由于压缩过程中试样会侧向膨胀，横截面积不断增大，若始终用初始面积计算，会高估应力。因此数据处理时要区分名义应力（按初始面积）和真实应力（按当前面积修正），并在报告中注明所用口径。

二、围压的施加方式

围压通过压力室内的流体介质施加到试样侧面。常见介质有液压油和清水，前者密封性好、适用压力高，后者便于观察、成本低。典型操作流程是：试样两端加装垫块并套上热缩管或橡胶套，用密封圈扎紧，放入压力室；关闭排气阀后用手动泵或伺服增压系统缓慢注油，排出室内空气；待压力表稳定后，按设定值逐级加压至目标围压，并保持稳压。

围压施加有两个容易被忽视的细节。第一是排气：压力室内残留气泡会在加压时被压缩，造成压力波动和读数滞后，因此注油后必须反复排气直至无气泡溢出。第二是稳压：围压波动会直接叠加到轴向应力测量上，一般要求稳压期间压力波动不超过设定值的 1%～2%。此外，围压加载速率不宜过快，避免对试样产生冲击。

三、常规三轴与真三轴

按侧向应力是否相等，三轴试验分为两类。常规三轴（又称假三轴）中 \(\sigma_2 = \sigma_3\)，试样处于轴对称应力状态，设备结构简单、应用最广，主要用于测定不同围压下的峰值强度、残余强度和变形参数，进而拟合莫尔—库仑强度准则。真三轴则能独立控制 \(\sigma_1\)、\(\sigma_2\)、\(\sigma_3\) 三个方向，可研究中间主应力效应，对深部巷道、硐室等复杂应力路径问题更有价值，但设备昂贵、试样制备和端部摩擦控制要求更高。

下图对比了两类试验的应力状态与加载路径，并给出围压施加的关键环节，便于建立整体认识。

四、从试验曲线读出什么

加载过程中，数据采集系统同步记录轴向荷载、轴向位移和环向变形（或径向变形）。将荷载换算为应力、位移换算为应变后，可绘制 \(\sigma_1 - \sigma_3\) 与轴向应变的关系曲线。典型曲线分为压密、弹性、屈服、峰值后软化几个阶段。围压升高时，峰值强度增大、峰值应变后移、破坏由脆性张裂逐渐转为剪切甚至延性流动，这是围压效应最直观的体现。

判读时要注意三点：一是峰值点取曲线最高点对应的主应力差，而非加载终止时的值；二是若试样出现明显鼓胀而未形成贯通剪切面，应记录为延性破坏而非剪切破坏；三是残余强度需在峰值后变形足够大、应力基本稳定时读取。对同一岩性、同一围压下的多个试样，应检查峰值强度的离散性，离散过大往往提示端部摩擦、试样含水或围压波动等试验问题。

掌握上述基本概念后，才能正确设计围压梯度、规范执行加压与稳压操作，并对试验曲线作出符合岩石力学原理的解释，为后续围压效应分析与强度准则拟合打下基础。