CN114894708B - 一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，包括以下步骤：步骤一：取试验岩心原料制备圆柱形的完整岩心试样，并将完整岩心试样进行干燥处理。步骤二：将处理后的完整岩心试样放入三轴剪切试验仪的压力腔室内，对完整岩心试样施加围压σ3和轴向应力σ1，使其匀速运动。步骤三：关闭三轴剪切试验仪，取出完整岩心试样。步骤四：根据完整岩心试样的长度L以及半径r，计算得到完整岩心试样的径向表面积；然后运用公式计算出三轴剪切试验仪内的胶套与完整岩心试样之间的摩擦系数μ1。本发明操作简单，效果显著，通过计算方法及流程剔除胶套与岩心试样之间的摩擦系数，提高含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的测定精度。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学测试试验技术领域，具体为一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法。
背景技术
对于已经破裂的地层，沿着断层滑动是其进一步运动的主要方式，断层的突然滑动，通常会释放大量能量，是造成地震破坏的重要原因。统计资料表明，大多数的浅源构造地震皆由断层滑动引起。从力学角度出发，断层是否发生滑动，由断层的滑动力和摩擦阻力共同决定。因此，如何准确确定断层的摩擦强度(摩擦系数)，对深入认知地震的前兆机理具有重要的意义。
由于难于直接测定断层(断层带)的摩擦强度，目前通常采用取自断层(断层带)的岩心试样，通过劈裂制作成含单裂隙的岩心试样，并将制作好的试样放入岩石三轴剪切试验仪开展剪切试验，间接获得岩心的摩擦系数。采用三轴剪切试验仪测定岩心摩擦系数的优点在于可以对岩心施加围压，以真实模拟地层的受力环境。但是，其同样存在一定的缺陷，如：为有效分隔三轴剪切试验仪的围压腔室与岩心试样，通常需要在试样周围包裹一层胶套，在剪切过程中，胶套与岩心试样之间存在摩擦，导致所获得的摩擦强度并不仅仅是岩心试样的摩擦强度。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，解决了上述背景技术中提出的问题。
(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：一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，包括以下步骤：
步骤一：取试验岩心原料制备圆柱形的完整岩心试样，并将完整岩心试样进行干燥处理；
步骤二：将处理后的完整岩心试样放入三轴剪切试验仪的压力腔室内，对完整岩心试样施加围压σ3和轴向应力σ1，使其匀速运动；
步骤三：关闭三轴剪切试验仪，取出完整岩心试样；
步骤四：根据完整岩心试样的长度L以及半径r，计算得到完整岩心试样的径向表面积；然后运用公式计算出三轴剪切试验仪内的胶套与完整岩心试样之间的摩擦系数μ1；公式为：
FN＝2πrLσ3
式中，F是轴向推力、F1是完整岩心试样与胶套之间的摩擦力、FN是法向压力、r是试样的半径、L是试样的长度、σ1是完整岩心试样所受轴向应力、σ3是完整岩心试样所受围压、μ1是完整岩心试样与胶套之间的摩擦系数；
步骤五：将完整岩心试样对中切割制作含贯穿单裂隙的岩心试样；
步骤六：将含贯穿单裂隙岩心试样放入三轴剪切试验仪的压力腔室内，对含贯穿单裂隙岩心试样施加围压σ3和轴向应力σ2使含贯穿单裂隙岩心试样沿裂隙面匀速滑动，并记录滑动过程中位移(ΔL)与时间的关系曲线；
步骤七：关闭三轴剪切试验仪，取出含贯穿单裂隙岩心试样；
步骤八：按照如下公式计算含贯穿单裂隙岩心试样的摩擦系数μ；公式为：
F＝F1+F2
F1＝2πrLσ3μ1
FN＝σ3(L-ΔL)2πr
式中，F是轴向推力、F1是含贯穿单裂隙岩心试样与胶套之间的摩擦力、F2是含贯穿单裂隙岩心试样的摩擦力、FN是法向压力、r是试样的半径、L是试样的长度、ΔL是含贯穿单裂隙岩心试样的剪切位移、σ2是含贯穿单裂隙岩心试样所受到的轴向应力、σ3是含贯穿单裂隙岩心试样所受围压、μ是含贯穿单裂隙岩心试样的摩擦系数。
优选的，所述含贯穿单裂隙岩心试样的单裂隙沿完整岩心试样的径向中轴线剖开。
优选的，所述三轴剪切试验仪包括用于夹持完整岩心试样的试样夹持器、加载系统，所述完整岩心试样外环向包有一圈胶套，胶套与试样夹持器的内壁之间为围压腔室，所述完整岩心试样的轴向两端为轴压腔室，左右两个轴压腔室内分别轴向滑动设置有与完整岩心试样相对应的轴压传力杆，所述加载系统包括围压加载泵和轴压加载泵，所述围压加载泵与围压腔室相连通，所述轴压加载泵与轴压腔室相连通。
优选的，使用所述三轴剪切试验仪对所述含贯穿单裂隙岩心试样进行试验时，对应含贯穿单裂隙岩心试样上下两端的左右两个轴压传力杆的轴向力应保持一致。
优选的，步骤一中，所述完整岩心试样的横向截面平整度小于0.001mm，径向平整度小于0.3mm。一方面为了使轴压传力杆能够更加均衡的对岩心试样轴向截面施加应力，另一方面以防不平整的岩心试样轴向截面会对三轴剪切试验仪产生损伤。
优选的，步骤一中，所述完整岩心试样放入烘箱干燥处理24h。
优选的，步骤二、步骤六中，所述三轴剪切试验仪施加围压不大于40MPa。
(三)有益效果
本发明提供了一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法。具备以下有益效果：
1、该率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，操作简单，效果显著，通过计算方法及流程剔除胶套与岩心试样之间的摩擦系数，提高含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的测定精度。
2、该率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，本发明应用广泛，胶套与岩心试样的摩擦系数取决于两者的材质，也就是说同种材质的胶套与岩心试样的摩擦系数只需测定一次，可直接套用，避免反复测定，节约时间与成本。
附图说明
图1为本发明的含贯穿单裂隙岩心试样的制作流程图；
图2为本发明的完整岩心试样与胶套间摩擦系数测定示意图；
图3为本发明的完整岩心试样受力计算简图；
图4为本发明的含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数测定示意图；
图5为本发明的含贯穿单裂隙岩心试样受力计算简图；
图6为本发明的含贯穿单裂隙玄武岩岩心试样摩擦系数率定曲线图；
图7为本发明的含贯穿单裂隙砂岩岩心试样摩擦系数率定曲线图；
图8为本发明的含贯穿单裂隙石灰岩岩心试样摩擦系数率定曲线图。
图中：1试样夹持器、2完整岩心试样、3胶套、4围压腔室、5轴压腔室、6轴压传力杆、7围压加载泵、8轴压加载泵、9含贯穿单裂隙岩心试样。
具体实施方式
本发明实施例提供一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，如图1-7所示，包括以下步骤：
步骤一：取试验岩心原料制备圆柱形的完整岩心试样，完整岩心试样取自玄武岩原岩岩心，完整岩心试样的横向截面平整度小于0.001mm，径向平整度小于0.3mm。一方面为了使轴压传力杆能够更加均衡的对岩心试样轴向截面施加应力，另一方面以防不平整的岩心试样轴向截面会对三轴剪切试验仪产生损伤。接着将完整岩心试样进行干燥处理；完整岩心试样放入烘箱干燥处理24h。
步骤二：将处理后的完整岩心试样放入三轴剪切试验仪的压力腔室内，如图2所示，对完整岩心试样施加围压σ3＝2MPa和轴向应力σ1＝4.48MPa，使其匀速运动。
步骤三：关闭三轴剪切试验仪，取出完整岩心试样。
步骤四：根据完整岩心试样的长度L＝5cm以及半径r＝1.25cm，计算得到完整岩心试样的径向表面积；然后然后根据图3运用公式计算出三轴剪切试验仪内的胶套与完整岩心试样之间的摩擦系数μ1；公式为：
FN＝2πrLσ3＝7.85kN
式中，F是轴向推力，单位为kN。F1是完整岩心试样与胶套之间的摩擦力，单位为kN。FN是法向压力，单位为kN。r是试样的半径，单位为cm。L是试样的长度，单位为cm。σ1是完整岩心试样所受轴向应力，单位为MPa。σ3是完整岩心试样所受围压，单位为MPa。μ1是完整岩心试样与胶套之间的摩擦系数。
步骤五：将完整岩心试样对中切割制作含贯穿单裂隙的岩心试样。
步骤六：将含贯穿单裂隙岩心试样放入三轴剪切试验仪的压力腔室内，如图4所示，对含贯穿单裂隙岩心试样9施加围压σ3＝2MPa和轴向应力σ2＝20.11MPa使含贯穿单裂隙岩心试样9沿裂隙面匀速滑动，并记录滑动过程中位移(ΔL)与时间的关系曲线。
步骤七：关闭三轴剪切试验仪，取出含贯穿单裂隙岩心试样9。
步骤八：按照如下公式计算含贯穿单裂隙岩心试样9的摩擦系数μ；公式为：
F＝F1+F2
F1＝2πrLσ3μ1＝1.099kN
FN＝σ3(L-2ΔL)2πr＝5.809kN
式中，F是轴向推力、F1是含贯穿单裂隙岩心试样与胶套之间的摩擦力、F2是含贯穿单裂隙岩心试样的摩擦力、FN是法向压力，单位为kN。r是试样的半径、L是试样的长度，单位为cm。ΔL是含贯穿单裂隙岩心试样的剪切位移，取ΔL＝1.3cm。σ2是含贯穿单裂隙岩心试样所受到的轴向应力、σ3是含贯穿单裂隙岩心试样所受围压，单位为MPa。μ是含贯穿单裂隙岩心试样的摩擦系数。
含贯穿单裂隙岩心试样9的单裂隙沿完整岩心试样的径向中轴线剖开。
本发明中，如图6所示，只有率定后的摩擦系数才是我们需要测定的岩心摩擦系数。因此，本发明利用如图2、图3所示方法计算出胶套与含贯穿单裂隙岩心试样9之间的摩擦系数，再利用步骤八的公式和图5的受力分析以及图4的操作流程将其剔除，达到率定出含贯穿单裂隙岩心试样9摩擦系数的目的。如图6所示，本发明一种率定含贯穿单裂隙岩心试样9摩擦系数的方法及流程能够有效的消除胶套对岩石摩擦系数精确测定的影响。
为了使本发明一种率定含贯穿单裂隙岩心试样9摩擦系数的方法及流程更具有普适性，对砂岩、石灰岩进行如上实施例的操作，得到的含贯穿单裂隙岩心试样9的位移与摩擦系数曲线分别如图7、图8所示，都能显著的反映出本发明对岩石摩擦系数率定的有益效果。
三轴剪切试验仪包括用于夹持完整岩心试样的试样夹持器1、加载系统，完整岩心试样2外环向包有一圈胶套3，胶套与试样夹持器1的内壁之间为围压腔室4，完整岩心试样2的轴向两端为轴压腔室5，左右两个轴压腔室5内分别轴向滑动设置有与完整岩心试样2相对应的轴压传力杆6，加载系统包括围压加载泵7和轴压加载泵8，围压加载泵7与围压腔室4相连通，轴压加载泵8与轴压腔室5相连通。
使用三轴剪切试验仪对含贯穿单裂隙岩心试样9进行试验时，对应含贯穿单裂隙岩心试样上下两端的左右两个轴压传力杆6的轴向力应保持一致。
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 (7)
1.一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：取试验岩心原料制备圆柱形的完整岩心试样，并将完整岩心试样进行干燥处理；
步骤二：将处理后的完整岩心试样放入三轴剪切试验仪的压力腔室内，对完整岩心试样施加围压σ3和轴向应力σ1，使其匀速运动；
步骤三：关闭三轴剪切试验仪，取出完整岩心试样；
步骤四：根据完整岩心试样的长度L以及半径r，计算得到完整岩心试样的径向表面积；然后运用公式计算出三轴剪切试验仪内的胶套与完整岩心试样之间的摩擦系数μ1；公式为：
FN＝2πrLσ3
式中，F是轴向推力、F1是完整岩心试样与胶套之间的摩擦力、FN是法向压力、r是试样的半径、L是试样的长度、σ1是完整岩心试样所受轴向应力、σ3是完整岩心试样所受围压、μ1是完整岩心试样与胶套之间的摩擦系数；
步骤五：将完整岩心试样对中切割制作含贯穿单裂隙的岩心试样；
步骤六：将含贯穿单裂隙岩心试样放入三轴剪切试验仪的压力腔室内，对含贯穿单裂隙岩心试样施加围压σ3和轴向应力σ2使含贯穿单裂隙岩心试样沿裂隙面匀速滑动，并记录滑动过程中位移(ΔL)与时间的关系曲线；
步骤七：关闭三轴剪切试验仪，取出含贯穿单裂隙岩心试样；
步骤八：按照如下公式计算含贯穿单裂隙岩心试样的摩擦系数μ；公式为：
F＝F1+F2
F1＝2πrLσ3μ1
FN＝σ3(L-ΔL)2πr
式中，F是轴向推力、F1是含贯穿单裂隙岩心试样与胶套之间的摩擦力、F2是含贯穿单裂隙岩心试样的摩擦力、FN是法向压力、r是试样的半径、L是试样的长度、ΔL是含贯穿单裂隙岩心试样的剪切位移、σ2是含贯穿单裂隙岩心试样所受到的轴向应力、σ3是含贯穿单裂隙岩心试样所受围压、μ是含贯穿单裂隙岩心试样的摩擦系数。
2.根据权利要求1所述的一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，其特征在于：所述含贯穿单裂隙岩心试样的单裂隙沿完整岩心试样的径向中轴线剖开。
3.根据权利要求1所述的一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，其特征在于：所述三轴剪切试验仪包括用于夹持完整岩心试样的试样夹持器、加载系统，所述完整岩心试样外环向包有一圈胶套，胶套与试样夹持器的内壁之间为围压腔室，所述完整岩心试样的轴向两端为轴压腔室，左右两个轴压腔室内分别轴向滑动设置有与完整岩心试样相对应的轴压传力杆，所述加载系统包括围压加载泵和轴压加载泵，所述围压加载泵与围压腔室相连通，所述轴压加载泵与轴压腔室相连通。
4.根据权利要求3所述的一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，其特征在于：使用所述三轴剪切试验仪对所述含贯穿单裂隙岩心试样进行试验时，对应含贯穿单裂隙岩心试样上下两端的左右两个轴压传力杆的轴向力应保持一致。
5.根据权利要求1所述的一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，其特征在于：步骤一中，所述完整岩心试样的横向截面平整度小于0.001mm，径向平整度小于0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，其特征在于：步骤一中，所述完整岩心试样放入烘箱干燥处理24h。
7.根据权利要求1所述的一种率定含贯穿单裂隙岩心试样摩擦系数的方法，其特征在于：步骤二、步骤六中，所述三轴剪切试验仪施加围压不大于40MPa。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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