CN113984548A - 一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法 - Google Patents

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CN113984548A CN202111255462.4A CN202111255462A CN113984548A CN 113984548 A CN113984548 A CN 113984548A CN 202111255462 A CN202111255462 A CN 202111255462A CN 113984548 A CN113984548 A CN 113984548A
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张丰收
伍法权
胡云进
李博
丁建行
王磊
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Abstract

本发明提供一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法，涉及岩石摩擦实验技术领域，包括端部带有试样腔室的试样夹持器、试样、端部带内凹腔的内凹端头、位移传感、加载系统，所述试样包括上岩块、中岩块、下岩块，所述上岩块、下岩块对称设置在中岩块的上下两侧，所述中岩块与上岩块、下岩块之间分别填充有第一层充填泥、第二层充填泥，所述内凹端头将上岩块、下岩块固定在试验夹持器的试样腔室内。该装置可模拟实际地层中不同软、硬岩层形成的多个滑动面摩擦滑动问题，通过改变温度、压力、水流等等条件，开展变温度‑压力‑水流等多场耦合条件的岩石(断层泥)摩擦滑动，深度还原实际地层中断层的失稳运动过程。

Description

一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法
技术领域
本发明涉及岩石摩擦实验技术领域，具体为一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法。
背景技术
岩石破裂后，沿着所形成的破裂面滑动是其进一步运动的主要方式，统计数据表明，90％的浅源构造地震皆由已有断层的重新滑动引起。因此，研究断层的摩擦强度及滑动稳定性成为揭示地震成因机制的基础和关键，亦是当前地震动力学研究中的一个热点。室内试验是探索断层摩擦力学性质的主要手段，室内试验主要通过模拟现场的温度-压力-流体-化学条件，对从断层中采集的岩石或断层泥开展摩擦滑动试验，进而分析岩石(断层泥)的强度及稳定性，断层摩擦力学研究的深度很大程度上取决于岩石摩擦试验技术的发展程度。
但受现有试验设备的限制，当前的岩石摩擦滑动试验研究中试样大多只包含一个滑动面，而实际地层中通常由软、硬互层形成多个滑动面。
综上所述，确实有必要提供一种岩石双面剪切试验装置，以克服现有岩石剪切试验设备无法模拟实际地层中含多个软弱面(由软、硬交互所形成)岩体的摩擦失稳滑动过程的问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法，该装置可模拟实际地层中不同软、硬岩层形成的多个滑动面摩擦滑动问题，通过改变温度、压力、水流等条件，开展变温度-压力-水流等多场耦合条件的岩石(断层泥)摩擦滑动，深度还原实际地层中断层的失稳运动过程。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，包括端部带有试样腔室的试样夹持器、试样、端部带有内凹腔的内凹端头、位移传感、加载系统，所述试样包括上岩块、中岩块、下岩块，所述上岩块、下岩块对称设置在中岩块的上下两侧，所述中岩块与上岩块、下岩块之间分别填充有第一层充填泥、第二层充填泥，所述内凹端头将上岩块、下岩块固定在试验夹持器的试样腔室内，所述上岩块、下岩块之间形成可供中岩块滑动的轴压腔室，所述上岩块、下岩块与试样腔室外壁之间形成围压腔室，所述中岩块可滑入内凹腔内，所述加载系统包括轴压组件、围压组件，所述轴压组件用于为中岩块往内凹腔方向提供轴向压力，所述围压组件用于为围压腔室内提供压力。
优选的，所述围压组件包括第一压力泵，所述第一压力泵通过第一连通管与围压腔室相连。
优选的，所述轴压组件包括外凸压头、轴向传压轴、第二压力泵，所述外凸压头、轴向传压轴相抵触，且轴向滑动适配在试样腔室内，所述外凸压头的端部与中岩块端部相对应，所述轴向传压轴的后端与试样腔室之间形成轴压加压腔室，所述轴向传压轴的前端与试样腔室之间形成轴压泄压腔室，所述第二压力泵通过第二连通管分别与轴压加压腔室、轴压泄压腔室相连。
优选的，所述加载系统还包括第三压力泵、量杯，所述第三压力泵通过第三连通管与轴压腔室相连，所述出水管的两端分别连接内凹腔与量杯。
优选的，由上岩块、中岩块、下岩块组成的试样外包裹有耐压胶套。
优选的，所述试样腔室内的上下两侧设置有隔水挡板，所述上岩块和下岩块的两端分别抵接在内凹端头和隔水挡板上，所述外凸压头与中岩块相抵触的一端滑动适配在两个隔水挡板之间。
优选的，所述隔水挡板与外凸压头之间设置有密封圈一，所述轴向传压轴与试样腔室之间设置有密封圈二。
优选的，还包括数据采集控制系统，所述数据采集控制系统包括电脑和数据线，所述电脑通过数据线与第一压力泵、第二压力泵、第三压力泵相连。
优选的，所述试样腔室内设置有与轴向传压轴相连的位移传感，所述电脑通过数据线与位移传感相连。
一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：将上岩块、中岩块和下岩块叠合形成包含两个交界面的试样，同时往两个交界面上填充充填泥，最终形成包含两个软弱面的试样；
步骤二：用耐压胶套包裹试样，并将试样装入试样夹持器内的试样腔室；
步骤三：通过第一压力泵往围压腔室注水，为试样提供围压，以模拟实际地层的地应力环境；
步骤四：通过第二压力泵往轴压腔室注水，施加轴向压力，驱动轴向传压轴、外凸压头沿轴向运动，进而推动中岩块沿轴向运动，并通过位移传感监测轴向位移；
步骤五：通过第三压力泵往试样内注水，以模拟地层中的水流环境，水流经过试样后，由出水管进入量杯，通过量杯测量出流量；
步骤六：通过数据采集控制系统控制围压、轴压和注水压力的大小，并记录轴向位移、出流量等数据，进而分析由软、硬层交错形成的软弱面的失稳过程及规律；
步骤七：试验结果计算及分析：软弱面的失稳阻力系数μ测定方法为：在试验前，测定中岩块的横截面积为A1，中岩块与上岩块、下岩块的名义接触面积为A2，在试验过程中，记录第一压力泵、第二压力泵和第三压力泵的注水压强P1、P2、P3，因此，中岩块所受到的轴向推力F1＝P2×A1，中岩块与上岩块、下岩块交界面所受到的法向压强为P4＝P1-(P3/2)，相应的法向压力F2＝P4×A2＝(P1-(P3/2))×A2，则失稳阻力系数μ＝F1/F2＝(P2×A1)/((P1-(P3/2))×A2)。
(三)有益效果
本发明提供了一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法。具备以下有益效果：
1、该用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法，通过叠合上岩块、中岩块和下岩块构建出两个交界面，实现模拟地层破裂所形成的两个软弱面(潜在滑动面)；在两个交界面中分别填充第一层充填泥、第二层充填泥，以模拟软弱面中的软弱夹层(断层泥)；推动中岩块沿轴向运动，实现中岩块与上岩块和下岩块之间的相对错动，以模拟软弱面的失稳运动过程，同时在中岩块运动过程中，上岩块和下岩块始终保持不动，与耐压胶套之间不存在摩阻力，因此，失稳滑动的阻力完全取决于第一充填泥和第二充填泥。第一压力泵和第三压力泵分别用于模拟地层中的压力环境和水流环境。数据采集控制系统中的电脑通过数据线与第一压力泵、第二压力泵、第三压力泵和位移传感控制器相连接，实现压力和水流的自动控制，同时自动采集压力、流量和位移等数据。综上可知，本发明结构简单、操作方便、自动控制，可精确开展含多个软弱面试样的摩擦失稳过程，并对软弱面的失稳阻力进行实时检测。
附图说明
图1为本发明的纵剖面图；
图2为本发明试样的横剖面图；
图3为本发明的外凸压头和隔水挡板的横剖面图；
图4为本发明试样的局部放大图；
图5为本发明试样夹持器右端的局部放大图；
图6为本发明不同工况下充填泥的失稳阻力系数随滑动距离的演变曲线图；
图7为本发明试验前、后充填泥的表面形貌变化图。
图中：1试样夹持器、2试样、201上岩块、202中岩块、203下岩块、3充填泥、301第一充填泥、302第二充填泥、4耐压胶套、5位移传感、6位移传感控制器、7试样腔室、8轴压腔室、9围压腔室、10轴压加压腔室、11轴压泄压腔室、12外凸压头、13轴向传压轴、14内凹端头、15隔水挡板、16密封圈一、17密封圈二、18第一压力泵、19第一连通管、20第二压力泵、21第二连通管、22第三压力泵、23第三连通管、24出水管、25量杯、26电脑、27数据线、28进水孔、29内凹腔。
具体实施方式
本发明实施例提供一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置及方法，如图1-7所示，包括端部带有试样腔室7的试样夹持器1、试样2、端部带有内凹腔29的内凹端头14、位移传感5、位移传感控制器6、加载系统、数据采集控制系统。用于模拟实际地层中由软、硬层交错形成的两个软弱面的失稳滑动过程。
试样2包括上岩块201、中岩块202、下岩块203，上岩块201、下岩块203对称设置在中岩块202的上下两侧。通过叠合上岩块201、中岩块202和下岩块203构建出两个交界面，可实现模拟地层破裂形成的两个软弱面(潜在滑动面)。中岩块202与上岩块201、下岩块203之间构建出的两个交界面中分别填充有第一层充填泥301、第二层充填泥302，以模拟软弱面中的软弱夹层(断层泥)。
内凹端头14将上岩块201、下岩块203固定在试验夹持器1的试样腔室7内，上岩块201、下岩块203之间形成可供中岩块202滑动的轴压腔室8，上岩块201、下岩块203与试样腔室7外壁之间形成围压腔室9，中岩块202可滑入内凹腔29内，加载系统包括轴压组件、围压组件，轴压组件用于为中岩块202往内凹腔29方向提供轴向压力，围压组件用于为围压腔室9内提供压力。
由上岩块201、中岩块202、下岩块203组成的试样2外包裹有耐压胶套4。可有效分隔围压腔室9和试样腔室8，防止串流。
如图1和图2所示，围压组件包括第一压力泵18，第一压力泵18通过第一连通管19与围压腔室9相连。第一压力泵18通过第一连通管19往围压腔室9注水，以模拟地层中的压力环境。
轴压组件包括外凸压头12、轴向传压轴13、第二压力泵20，外凸压头12、轴向传压轴13相抵触，且轴向滑动适配在试样腔室7内，外凸压头12的端部与中岩块202端部相对应，轴向传压轴13的后端与试样腔室7之间形成轴压加压腔室10，轴向传压轴13的前端与试样腔室7之间形成轴压泄压腔室11，第二压力泵20通过第二连通管21与轴压加压腔室10相连。轴压泄压腔室11预留有注水孔28，第二压力泵20通过第二连通管21与注水孔28相连，将第二压力泵20与轴压泄压腔室11连接，可实现轴向传压轴13的复位。
试样腔室7内的上下两侧设置有隔水挡板15，上岩块201和下岩块203的两端分别抵接在内凹端头14和隔水挡板15上，外凸压头12与中岩块202相抵触的一端滑动适配在两个隔水挡板15之间。
隔水挡板15与外凸压头12之间设置有密封圈一16，防止水流逆流。轴向传压轴13与试样腔室7之间设置有密封圈二17。
通过第二压力泵20经由第二连通管21往轴压加压腔室10内注水，驱动轴向传压轴13带动外凸压头12沿轴向运动，进而推动中岩块202沿轴向运动，最终中岩块202进入内凹端头14的内凹腔29内，从而实现中岩块202与上岩块201和下岩块203之间的相对错动，以模拟软弱面的失稳运动过程。上岩块201和下岩块203的两端分别抵接在内凹端头14和隔水挡板15上，因此，在中岩块202运动过程中，上岩块201和下岩块203始终保持不动，与耐压胶套4之间不存在摩阻力，因此，失稳滑动的阻力完全取决于第一充填泥和第二充填泥。
试样腔室7内设置有与轴向传压轴13相连的位移传感5，位移传感5与位移传感控制器6相连。
如图1所示，加载系统还包括第三压力泵22、量杯25，第三压力泵22通过第三连通管23与轴压腔室8相连，出水管24的两端分别连接内凹腔29与量杯25。第三压力泵22通过第三连通管23往试样2内注水，以模拟地层中的水流环境，水流经过试样2后，由出水管24进入量杯25，可对流量进行测量。
数据采集控制系统包括电脑26和数据线27，电脑26通过数据线27与第一压力泵18、第二压力泵20、第三压力泵22、位移传感控制器6相连。实现压力和水流的自动控制，同时自动采集压力、流量和位移等数据。
用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：将上岩块201、中岩块202和下岩块203叠合形成包含两个交界面的试样2，同时往两个交界面上填充充填泥3，最终形成包含两个软弱面的试样2；
步骤二：用耐压胶套4包裹试样2，并将试样2装入试样夹持器1内的试样腔室7；
步骤三：通过第一压力泵18往围压腔室9注水，为试样2提供围压，以模拟实际地层的地应力环境；
步骤四：通过第二压力泵20往轴压腔室8注水，施加轴向压力，驱动轴向传压轴13、外凸压头12沿轴向运动，进而推动中岩块202沿轴向运动，并通过位移传感5监测轴向位移；
步骤五：通过第三压力泵22往试样2内注水，以模拟地层中的水流环境，水流经过试样2后，由出水管24进入量杯25，通过量杯25测量出流量；
步骤六：通过数据采集控制系统控制围压、轴压和注水压力的大小，并记录轴向位移、出流量等数据，进而分析由软、硬层交错形成的软弱面的失稳过程及规律；
步骤七：试验结果计算及分析：软弱面的失稳阻力系数μ测定方法为：在试验前，测定中岩块202的横截面积为A1，中岩块202与上岩块201、下岩块203的名义接触面积为A2，在试验过程中，记录第一压力泵18、第二压力泵20和第三压力泵22的注水压强P1、P2、P3，因此，中岩块202所受到的轴向推力F1＝P2×A1，中岩块202与上岩块201、下岩块203交界面所受到的法向压强为P4＝P1-(P3/2)，相应的法向压力F2＝P4×A2＝(P1-(P3/2))×A2，则失稳阻力系数μ＝F1/F2＝(P2×A1)/((P1-(P3/2))×A2)。
试验获得的不同工况下的失稳阻力系数如图6所示。首先开展了注水和不注水两种工况下的滑动失稳试验，对比图6可知，通过第二压力泵20往试样2内注水的工况，所获得的失稳阻力系数比不注水工况下的小，表明水对第一充填泥301、第二充填泥302存在一定的弱化作用；此外，还开展了不同滑动速度下的失稳滑动试验，从图6可以观察到，随着滑动速度的增加，充填泥的阻力系数相应增加，呈现出速度强化的特征。
试验前后的第一充填泥301、第二充填泥302的表面形貌分别如图7所示。图7中(a)为试验前充填泥3的实拍图；(b)为试验前充填泥3的三维云图；(c)为试验后第一充填泥301的实拍图；(d)为试验后第一充填泥301的三维云图；(e)为试验后第二充填泥302的实拍图；(f)为试验后第二充填泥302的三维云图。如图7可见，随着试样2主要沿着充填泥3(包括第一充填泥301和第二充填泥302)滑动失稳，并且充填泥3在一侧堆积，在上岩块201和下岩块203上均可以观察到明显的失稳滑动引起的刮痕(如图7中红框所示)。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：包括端部带有试样腔室(7)的试样夹持器(1)、试样(2)、端部带有内凹腔(29)的内凹端头(14)、位移传感(5)、加载系统，所述试样(2)包括上岩块(201)、中岩块(202)、下岩块(203)，所述上岩块(201)、下岩块(203)对称设置在中岩块(202)的上下两侧，所述中岩块(202)与上岩块(201)、下岩块(203)之间分别填充有第一层充填泥(301)、第二层充填泥(302)，所述内凹端头(14)将上岩块(201)、下岩块(203)固定在试验夹持器(1)的试样腔室(7)内，所述上岩块(201)、下岩块(203)之间形成可供中岩块(202)滑动的轴压腔室(8)，所述上岩块(201)、下岩块(203)与试样腔室(7)外壁之间形成围压腔室(9)，所述中岩块(202)可滑入内凹腔(29)内，所述加载系统包括轴压组件、围压组件，所述轴压组件用于为中岩块(202)往内凹腔(29)方向提供轴向压力，所述围压组件用于为围压腔室(9)内提供压力。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述围压组件包括第一压力泵(18)，所述第一压力泵(18)通过第一连通管(19)与围压腔室(9)相连。
3.根据权利要求2所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述轴压组件包括外凸压头(12)、轴向传压轴(13)、第二压力泵(20)，所述外凸压头(12)、轴向传压轴(13)相抵触，且轴向滑动适配在试样腔室(7)内，所述外凸压头(12)的端部与中岩块(202)端部相对应，所述轴向传压轴(13)的后端与试样腔室(7)之间形成轴压加压腔室(10)，所述轴向传压轴(13)的前端与试样腔室(7)之间形成轴压泄压腔室(11)，所述第二压力泵(20)通过第二连通管(21)分别与轴压加压腔室(10)、轴压泄压腔室(11)相连。
4.根据权利要求3所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述加载系统还包括第三压力泵(22)、量杯(25)，所述第三压力泵(22)通过第三连通管(23)与轴压腔室(8)相连，所述出水管(24)的两端分别连接内凹腔(29)与量杯(25)。
5.根据权利要求1所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：由上岩块(201)、中岩块(202)、下岩块(203)组成的试样(2)外包裹有耐压胶套(4)。
6.根据权利要求1所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述试样腔室(7)内的上下两侧设置有隔水挡板(15)，所述上岩块(201)和下岩块(203)的两端分别抵接在内凹端头(14)和隔水挡板(15)上，所述外凸压头(12)与中岩块(202)相抵触的一端滑动适配在两个隔水挡板(15)之间。
7.根据权利要求6所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述隔水挡板(15)与外凸压头(12)之间设置有密封圈一(16)，所述轴向传压轴(13)与试样腔室(7)之间设置有密封圈二(17)。
8.根据权利要求4所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：还包括数据采集控制系统，所述数据采集控制系统包括电脑(26)和数据线(27)，所述电脑(26)通过数据线(27)与第一压力泵(18)、第二压力泵(20)、第三压力泵(22)相连。
9.根据权利要求8所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置，其特征在于：所述试样腔室(7)内设置有与轴向传压轴(13)相连的位移传感(5)，所述电脑(26)通过数据线(27)与位移传感(5)相连。
10.根据权利要求9所述的一种用于模拟岩石软弱面失稳过程的双剪试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将上岩块(201)、中岩块(202)和下岩块(203)叠合形成包含两个交界面的试样(2)，同时往两个交界面上填充充填泥(3)，最终形成包含两个软弱面的试样(2)；
步骤二：用耐压胶套(4)包裹试样(2)，并将试样(2)装入试样夹持器(1)内的试样腔室(7)；
步骤三：通过第一压力泵(18)往围压腔室(9)注水，为试样(2)提供围压，以模拟实际地层的地应力环境；
步骤四：通过第二压力泵(20)往轴压腔室(8)注水，施加轴向压力，驱动轴向传压轴(13)、外凸压头(12)沿轴向运动，进而推动中岩块(202)沿轴向运动，并通过位移传感(5)监测轴向位移；
步骤五：通过第三压力泵(22)往试样(2)内注水，以模拟地层中的水流环境，水流经过试样(2)后，由出水管(24)进入量杯(25)，通过量杯(25)测量出流量；
步骤六：通过数据采集控制系统控制围压、轴压和注水压力的大小，并记录轴向位移、出流量等数据，进而分析由软、硬层交错形成的软弱面的失稳过程及规律；
步骤七：试验结果计算及分析：软弱面的失稳阻力系数μ测定方法为：在试验前，测定中岩块(202)的横截面积为A1，中岩块(202)与上岩块(201)、下岩块(203)的名义接触面积为A2，在试验过程中，记录第一压力泵(18)、第二压力泵(20)和第三压力泵(22)的注水压强P1、P2、P3，因此，中岩块(202)所受到的轴向推力F1＝P2×A1，中岩块(202)与上岩块(201)、下岩块(203)交界面所受到的法向压强为P4＝P1-(P3/2)，相应的法向压力F2＝P4×A2＝(P1-(P3/2))×A2，则失稳阻力系数μ＝F1/F2＝(P2×A1)/((P1-(P3/2))×A2)。
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