1. Définitions

La machine d'essai triaxiale de roche est un système d'essai spécial à grande échelle utilisé pour déterminer les caractéristiques mécaniques des matériaux de roche dans un état de contrainte tridirectionnelle (c. - à - D. pression de confinement, pression axiale agissant ensemble). Sa fonction principale est de simuler les conditions de stress « vrai triaxial» ou « faux triaxial» auxquelles les roches sont soumises profondément dans la formation, acquérant ainsi les propriétés de résistance, de déformation et de destruction des roches dans des environnements de stress complexes.

Il s'agit d'un équipement essentiel pour la réalisation d'études sur les propriétés mécaniques des roches, l'évaluation des risques géologiques, l'extraction de pétrole et de gaz, la conception d'ouvrages souterrains tels que des tunnels, des mines, des chambres d'eau et d'électricité.

2. Principe de fonctionnement et composition de base

La machine d'essai triaxiale de roche fonctionne sur le principe suivant: par un système de chargement indépendant, une pression axiale et une pression de confinement latérale sont appliquées simultanément sur une éprouvette de roche cylindrique et leurs caractéristiques de déformation et de résistance sont mesurées sous cette contrainte complexe.

Une machine d'essai triaxiale de roche standard est principalement composée de plusieurs grands systèmes:

Cadre principal: grande structure rigide offrant un support de contre - force, assurant un travail stable sous haute pression.

Système de chargement Axial:

Action: appliquer une pression verticale sur l'éprouvette.

Composition: le contrôle précis du déplacement ou de la force est généralement réalisé par un servomoteur, une vis à billes ou un vérin hydraulique.

Système de chargement fermé:

Action: appliquer une pression latérale uniforme sur l'éprouvette.

Composition: le noyau est une chambre de pression triaxiale, qui est un récipient à haute résistance rempli d'huile hydraulique ou d'autres fluides de transfert de pression à l'intérieur. Par l'intermédiaire d'une pompe asservie indépendante, le fluide d'huile est injecté dans la Chambre de pression, ce qui permet un chargement isobare de l'éprouvette.

Système de pression poreuse:

Rôle: (équipé dans le modèle Premium) simule la pression du fluide dans les formations rocheuses souterraines et peut contrôler les conditions de drainage des éprouvettes.

Composition: servo - pompe hydraulique de précision reliée par une ligne aux pores de l'extrémité supérieure et inférieure de l'éprouvette.

Systèmes de mesure et d'acquisition de données:

Capteur de Force axiale: mesure la charge axiale appliquée à l'éprouvette.

Capteur de déplacement axial (lvdt): mesure la déformation axiale globale de l'éprouvette.

Capteur de déplacement annulaire ou lame de contrainte: appliquée directement sur l'éprouvette, elle mesure avec précision sa déformation radiale.

Capteur de pression poreuse: mesure la pression du fluide à l'intérieur de l'éprouvette.

Appareil d'acquisition de données: capte les signaux de tous les capteurs à grande vitesse et de manière synchrone.

Système de contrôle informatique:

Action: est le "cerveau" de l'appareil entier. L'utilisateur définit le Protocole d'essai (par exemple, le chemin de contrainte, le taux de chargement) via le logiciel et le système contrôle avec précision chaque système de chargement en fonction des instructions et affiche, enregistre et traite toutes les données d'essai en temps réel.

3. Principaux types d'essais

Selon les conditions de drainage et les différents chemins de chargement, les essais triaxiaux sur roche sont principalement divisés en:

Essai conventionnel de compression triaxiale:

Processus: appliquez d'abord une pression de confinement constante (σ₂ = σ₃) à l'éprouvette, puis maintenez la pression de confinement inchangée, augmentant constamment la pression axiale (σ₂) jusqu'à ce que l'éprouvette soit détruite. Il s'agit d'un Essai triaxial fondamental et couramment utilisé.

Objectif: principalement utilisé pour déterminer les paramètres de résistance au cisaillement des roches (cohésion C et angle de frottement interne φ).

Test triaxial vrai:

Processus: trois pressions indépendantes, distinctes les unes des autres, sont appliquées aux trois directions principales (σ₁, σ₂, σ₃) de l'éprouvette.

Objectif: simuler des champs de contrainte réels plus complexes et étudier les effets des contraintes primaires intermédiaires sur la résistance et les propriétés de déformation des roches. L'équipement est plus complexe et coûteux.

Essai d'élongation triaxiale:

Processus: la contrainte axiale (σ₁) est inférieure à la pression de confinement (σ₂ = σ₃), simulant un état de contrainte détruit par Traction.

Objectif: étudier les propriétés destructives de la roche à basse pression axiale, haute pression de confinement.

Test de pression d'eau interstitielle:

Processus: augmenter le contrôle et la mesure de la pression de l'eau interstitielle à l'intérieur de l'éprouvette sur la base de l'Essai triaxial conventionnel. Peut être divisé en:

Test de non - consolidation et de non - Drainage: chargement rapide, ne permettant pas l'évacuation de l'eau interstitielle.

Essai de consolidation sans Drain: Laissez l'éprouvette d'abord bien drainer la consolidation sous la pression de confinement, puis effectuez un cisaillement sans drain.

Test de drainage consolidé: tout le processus de cisaillement permet une évacuation lente de l'eau et la pression des pores reste constante.

Objectif: l'étude de l'influence des fluides sur les principes de résistance, de déformation et de contrainte effective des roches est essentielle pour les gisements de pétrole et de gaz et l'ingénierie hydraulique.

4. Acquisition des paramètres mécaniques clés

En analysant les données d'essai (généralement les courbes de contrainte axiale - déformation axiale et les courbes de déformation radiale), les paramètres clés de la mécanique des roches suivants peuvent être obtenus:

Force maximale: contrainte axiale maximale que la roche peut supporter.

Force résiduelle: la force qui peut encore être maintenue après la destruction de la roche.

Module d'élasticité: rapport de la contrainte à la déformation d'une roche pendant la phase de déformation élastique.

Coefficient de poisson: rapport de la déformation radiale à la déformation axiale en valeur absolue lorsque la roche est pressurisée axialement.

Force de cohésion et angle de frottement interne: grâce à un ensemble de résultats d'essai sous différentes pressions de confinement, cartographier l'enveloppe de résistance de Mohr - Coulomb est un paramètre central pour caractériser la résistance au cisaillement de la roche.

* * angle de dilatation: * * caractérise la tendance de la roche à gonfler en volume pendant le cisaillement.

5. Principaux domaines d'application

Génie civil et des transports: analyse et conception de la stabilité des tunnels, des cavernes souterraines, des pentes, des fondations des barrages.

Industrie du pétrole et du gaz: modification des réservoirs de pétrole et de gaz, stabilisation des parois des puits de forage, conception de la fracturation hydraulique, prévision des sorties de sable.

Ingénierie minière: conception des supports miniers, évaluation de la stabilité des colonnes, prévision des explosions rocheuses.

Développement de l'énergie géothermique: évaluation de la réponse mécanique du réservoir thermique.

Prévention des risques géologiques: étude mécanique et surveillance des glissements de terrain, des effondrements, des affaissements du sol alerte précoce.

Recherche scientifique: développement de modèles structuraux en mécanique des roches, étude des mécanismes de fractures, simulation de processus géologiques profonds.

6. Affichage de l'équipement