岩石的力学性质包括强度、变形、动力学特性和渗透性等方面。这些性质会受到岩石所处的物理和化学环境的影响。研究岩石力学性质的方法主要是现场和室内试验。

现场试验包括三轴压缩试验、剪切试验和岩体渗透性试验等，可以测量岩体原位变形性能和强度性能。室内试验则包括单轴压缩、三轴压缩、单轴拉伸、直接剪切、渗透试验等，可以模拟不同条件下的岩石力学行为。

岩石三轴力学试验是一种综合性的研究方法，用于深入探究岩石材料的力学性质。通过分别模拟地壳中的水平地应力、垂直应力和侧向应力，该试验能够全面地揭示岩石在复杂应力状态下的变形和破坏过程。

在试验过程中，第一轴的径向加载通过施加垂直于岩石试样截面的压力，真实地模拟了地壳中的水平地应力作用。第二轴的轴向加载则通过施加垂直于岩石试样轴向的压力，成功地模拟了地壳中的垂直应力作用。而第三轴的背景加载在岩石试样周围施加恒定的侧向压力，使得岩石材料处于三向应力状态下，从而更准确地反映了地壳中的真实应力环境。

三维物体中的主应力(作用在剪应力为零的平面上的最大和最小正应力)为三(σ1> σ2> σ3)。实际上，主应力可能不同。但在实验室三轴试验中，中间应力σ2等于σ3。三轴试验中施加的主应力如图1所示。

三轴试验中施加在圆柱形岩石样品上的主应力(σ1> σ2= σ3)

图1 岩石三轴加载原理图

见上述岩石三轴加载原理图中1-为密封装置、2-围压，3-底座，4-出液口，5岩石试样，6-乳胶膜，7-进液口

进行所有施加的主应力都不相同的实验室试验是有挑战性的，并且没有被广泛使用。这种方法被称为多轴或真三轴试验。（点击这里参见东北大学案例）

三轴试验中施加在方形岩石样品上的主应力(σ1> σ2＞ σ3)

在岩石三轴力学实验中，测试样品通过岩心钻探获得，并且必须选择能代表被检查岩层的样品。应在钻探日期后的30天内对试样进行测试，以保持其初始状态(如自然含水量)。

首要步骤是挑选满足要求的岩石试样，并将其切割、研磨至规定的几何形状，通常是圆柱体或立方体。这个步骤非常重要，因为试样的形状和尺寸会影响到试验的结果和数据的可靠性。

应该指出的是，饱和度或孔隙压力的增加在岩石力学中并不是一个关键问题，因为岩石的孔隙度比土壤的孔隙度低得多，因此测试干燥或饱和样品不会对结果产生显著影响。

图2：用于三轴试验的Hoek压力室

然后将Hoek压力室放入加载装置中，该装置用于向样品施加垂直载荷。现代加载系统是以恒定速率施加液压的伺服控制装置。选择加载速率(kN/s ),使样品在大约10分钟(5-15分钟)内破坏。如果已经有关于常数σ3下的最大σ1的数据(从以前的测试中获得)，则可以计算出该比率。否则，应根据对被测材料行为的现有知识做出合理的假设.侧向压力以与轴向载荷相同的速率施加，直到达到规定值。一旦达到该围压，其精度应保持在2%以内。

加载机器必须坚固，足以施加岩石样品破坏所需的最大压力。此外，应经常校准它，以正确得出负载测量值。

Controls岩石三轴仪

三轴试验的原始数据包括样品尺寸、侧压力σ3、轴向载荷P、试验持续时间(必须在要求的范围内),以及变形测量值(如果使用了应变仪)。

首先，样品的横截面积计算如下:

其中D是样品的直径。

轴向应力由轴向载荷除以试样的横截面积得出:

其中P是轴向载荷。

如果记录了变形测量值，则绘制样品的应力-应变响应图。轴向和周向应变eA和eC分别计算如下:

其中R是应变计的初始电阻，δR是变形引起的电阻变化，kis是应变计系数。经过一系列至少3次三轴试验后，得出岩石样品的破坏包络线。岩石力学中最常用的破坏标准是:

• 莫尔-库仑破坏准则

• 霍克-布朗(H-B)破坏准则

M-C破坏准则将剪切强度和作用在破坏面上的法向有效应力联系起来。它也可以用主应力表示为:

其中t是材料的剪切强度，c是内聚力，φ是摩擦角，σn是作用在破坏面上的正应力，σ1和σ3是主应力。

M-C准则因其简单性和在岩土工程中的普遍接受性而被采用。然而，H-B准则是基于许多岩石类型的一系列实验室试验发展起来的，这些试验表明，岩石脆性破坏中的主应力之间存在非线性相关性。

H-B准则中的主应力相关性表示为:

其中σci是单轴抗压强度，mi是基于岩石类型的常数，σ1和σ3是主应力。

在不同侧压力下进行至少3次三轴试验后，绘制出所选标准的最佳拟合包络线，并推导出每个包络线的参数(M-C中的内聚力、摩擦角和mi，H-B中的σci)。然而，在H-B准则中，大多数情况下σci已经由材料的单轴压缩试验确定。确保样品来自相同的岩心或岩块，并呈现相似的特性，这一点至关重要。这可以通过视觉观察来实现。

图3 基于实验室数据和M-C和H-B标准最佳拟合包络线的主应力图

推导M-C和H-B标准参数的示例

假设对特定类型的岩石试样进行了4次三轴试验。表1列出了预先确定的侧向应力和相应的轴向应力:

表1 三轴试验结果数据示例

结果用最佳拟合M-C和H-B包络绘制在图3中。

图3是基于实验室数据和M-C和H-B标准最佳拟合包络线的主应力图。

基于最佳拟合曲线，表2中给出了两个失效标准的参数。

随着科学技术的发展，岩石力学的研究方法和手段也不断更新和完善。例如，数值模拟技术、非接触式测量技术、X射线CT扫描技术等新技术的应用，使得岩石力学的研究更加精确和深入。同时，岩石力学研究领域也不断拓展，涉及到地质学、物理学、化学等多个学科领域，形成了多学科交叉的研究格局。

参考文献

Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression: Revised version, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Volume 20, Issue 6, 1983, Pages 285-290, ISSN 0148-9062, doi.org/10.1016/0148-9062(83)90598-3.

https://www.geoengineer.org/education/laboratory-testing/triaxial-compression-test-in-rock