一種巖石摩擦系數(shù)的測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖石力學(xué)領(lǐng)域，具體地，涉及一種巖石摩擦系數(shù)的測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于兩個(gè)相連接的地質(zhì)體(物體），摩擦效應(yīng)在巖石力學(xué)中是非常重要的研究課 題。從小尺度上講，裂縫面或者節(jié)理面滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦，裂縫面可以是新產(chǎn)生的，也可以是存 在于地層中。從大尺度講，斷層的滑動(dòng)也可產(chǎn)生摩擦。
[0003] 地層天然裂縫滑動(dòng)后，天然裂縫變成有可滲透的有效裂縫。巖石的摩擦系數(shù)越高， 巖石的滑動(dòng)越困難。因此，巖石摩擦系數(shù)測(cè)試對(duì)裂縫有效性分析是非常必要的。
[0004] 如圖1A-圖1D所示，目前常用的巖石摩擦系數(shù)測(cè)定方法分為以下四種：
[0005] 圖1A是利用直剪法測(cè)量摩擦系數(shù)的示意圖，施加一個(gè)正應(yīng)力N和一個(gè)剪應(yīng)力T，所 用設(shè)備為巖石直剪儀。在剪應(yīng)力T的作用下，巖石滑動(dòng)，記錄位移和剪應(yīng)力曲線(xiàn)，用于求取摩 擦系數(shù)。
[0006] 圖1B是利用雙剪法測(cè)量摩擦系數(shù)的示意圖，此方法和直剪法類(lèi)似，只是多了一個(gè) 正應(yīng)力N和一個(gè)樣品。雙剪法缺點(diǎn)是在剪切過(guò)程中摩擦面積會(huì)發(fā)生變化。
[0007] 圖1C是利用扭轉(zhuǎn)法測(cè)量摩擦系數(shù)的示意圖，此方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論位移多大，接觸 面積不變。
[0008] 圖1D是預(yù)裂縫三軸摩擦系數(shù)測(cè)量的示意圖，該方法是以一定角度將巖心切開(kāi)，人 工制造一個(gè)滑動(dòng)面。實(shí)驗(yàn)可以在高壓、高溫和孔隙壓力條件下測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)貼近地層實(shí) 際，是深層摩擦系數(shù)測(cè)量最常用的方法。三軸摩擦系數(shù)測(cè)試步驟包括:將柱狀巖心沿著和直 徑平面以一角度切開(kāi)；將巖心按切開(kāi)平面對(duì)好，用熱縮管熱縮，放在三軸室（triaxial cell)中，加載圍壓與軸向應(yīng)力，然后以巖心的形變量為橫軸，以施加的應(yīng)力為縱軸，繪制應(yīng) 力-應(yīng)變曲線(xiàn)。
[0009] 可見(jiàn)，現(xiàn)有常用的巖石摩擦系數(shù)測(cè)量方法都必須對(duì)巖石人工預(yù)制摩擦面（即通過(guò) 人工預(yù)先制作巖石摩擦面）。但是，人工預(yù)制摩擦面和天然形成裂縫的摩擦面在粗糙度和平 滑度上存在差異，就會(huì)造成測(cè)量結(jié)果和實(shí)際有很大的差距。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 本發(fā)明實(shí)施例的主要目的在于提供一種巖石摩擦系數(shù)的新測(cè)試方法，以解決現(xiàn)有 技術(shù)中巖石摩擦系數(shù)測(cè)量中存在的問(wèn)題，要在模擬地層條件下形成裂縫摩擦面，而不是人 工預(yù)制。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供一種巖石摩擦系數(shù)的測(cè)試方法，包括:步驟 1，制備圓柱形的巖石試件，其中，所述巖石試件的高度與直徑之比大于2:1;步驟2,將所述 巖石試件放在抽真空飽和裝置中，利用飽和液體進(jìn)行飽和;步驟3，在所述巖石試件上安裝 軸向變形傳感器和徑向變形傳感器，并將所述巖石試件放入巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的三軸室內(nèi)； 所述軸向變形傳感器用于檢測(cè)所述巖石試件在軸向上的形變量，所述徑向變形傳感器用于 檢測(cè)所述巖石試件在徑向上的形變量;步驟4,利用所述巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)所述巖石試件進(jìn) 行三軸試驗(yàn)，包括:利用圍壓加載器對(duì)所述巖石試件加載圍壓以模擬地應(yīng)力;利用孔壓加載 器對(duì)所述巖石試件施加壓力以模擬孔隙壓力;利用軸向加載器對(duì)所述巖石試件加載軸向應(yīng) 力，以使所述巖石試件以一預(yù)設(shè)形變速率發(fā)生形變和出現(xiàn)裂縫，判斷所述軸向應(yīng)力的變化 量趨于〇時(shí)，將此時(shí)所述軸向應(yīng)力的值確定為殘余強(qiáng)度;步驟5,關(guān)閉所述巖石三軸試驗(yàn)機(jī)， 取出已破壞的所述巖石試件，測(cè)量其裂縫面和其端面的夾角；步驟6,按照如下公式計(jì)算巖 石摩擦系數(shù)： Γ π σ\-τ(τ2 σ\-σ2 .,,
[0012] 〇=------ cos 2/? .2 .2 <τ1- <τ 2 . A
[0013] r =---- _ T
[0014] ，u =-- σ-p,,
[0015] 式中，〇l為殘余強(qiáng)度；
[0016] 〇2為圍壓；
[0017] Pq為孔隙壓力；
[0018] σ為裂縫面上的正應(yīng)力；
[0019] τ為裂縫面上的剪應(yīng)力；
[0020] β為裂縫面和端面的夾角；
[0021] μ為巖石摩擦系數(shù)。
[0022] -個(gè)實(shí)施例中，所述巖石試件的端面的平整度小于0.001mm，側(cè)面的平整度小于 0·3mm〇
[0023] 一個(gè)實(shí)施例中，將所述巖石試件放入巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的三軸室內(nèi)，包括:將所述巖 石試件置于頂部為球面的加載平臺(tái)中，并使所述加載平臺(tái)的中軸線(xiàn)與所述巖石試件的中軸 線(xiàn)重合。
[0024] -個(gè)實(shí)施例中，所述飽和液體為地層水。
[0025] -個(gè)實(shí)施例中，所述飽和液體為根據(jù)地層情況配置的標(biāo)準(zhǔn)鹽水。
[0026] 本發(fā)明可以模擬地下條件，測(cè)得巖石在地層條件下的摩擦系數(shù)，不預(yù)制裂縫可以 更真實(shí)的模擬地層滑動(dòng)，并且可以在常規(guī)巖石三軸壓縮試驗(yàn)完成之后繼續(xù)進(jìn)行，可以測(cè)得 更多巖石力學(xué)參數(shù)，更節(jié)省巖心樣品。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述 中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些 實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附 圖獲得其他的附圖。
[0028] 圖1A是直剪法測(cè)量摩擦系數(shù)示意圖；
[0029]圖1B是雙剪法測(cè)量摩擦系數(shù)示意圖；
[0030]圖1C是扭轉(zhuǎn)法測(cè)量摩擦系數(shù)示意圖；
[0031] 圖ID是預(yù)裂縫三軸摩擦系數(shù)測(cè)量方法示意圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明示例性方法的具體流程圖；
[0033]圖3是實(shí)驗(yàn)后樣品不意圖；
[0034]圖4是巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的示意圖；
[0035]圖5是三軸試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)示意圖；
[0036] 圖6是在巖石試件上安裝徑向變形傳感器、軸向變形傳感器及巖石試件的受力示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于 本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0038] 示例性方法
[0039] 本發(fā)明的示例性方法提供一種巖石摩擦系數(shù)的測(cè)試方法，如圖2所示，該方法包 括：
[0040] 步驟S11，制備圓柱形的巖石試件，其中，巖石試件的高度與直徑之比大于2:1。
[0041 ] 可選地，巖石試件的端面的平整度小于0.001mm，側(cè)面的平整度小于0.3_。
[0042] 步驟S12，將巖石試件放在抽真空飽和裝置中，利用飽和液體進(jìn)行飽和。
[0043] 可選地，飽和液體為地層水或根據(jù)地層情況配置的標(biāo)準(zhǔn)鹽水。
[0044] 步驟S13,在巖石試件上安裝軸向變形傳感器和徑向變形傳感器，并將巖石試件放 入巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的三軸室內(nèi)；軸向變形傳感器用于檢測(cè)巖石試件在軸向上的形變量，徑 向變形傳感器用于檢測(cè)巖石試件在徑向上的形變量。
[0045] 可選地，將巖石試件置于頂部為球面的加載平臺(tái)中，并使加載平臺(tái)的中軸線(xiàn)與巖 石試件的中軸線(xiàn)重合。
[0046]步驟S14,利用巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)，包括:利用圍壓加載器 對(duì)巖石試件加載圍壓以模擬地應(yīng)力；利用孔壓加載器對(duì)巖石試件施加壓力以模擬孔隙壓 力；利用軸向加載器對(duì)巖石試件加載軸向應(yīng)力，以使巖石試件以一預(yù)設(shè)形變速率發(fā)生形變 并出現(xiàn)裂縫，判斷軸向應(yīng)力的變化量趨于0時(shí)，將此時(shí)軸向應(yīng)力的值確定為殘余強(qiáng)度。
[0047]具體實(shí)施時(shí)，軸向加載器是根據(jù)巖石試件在軸向上的形變情況(保持以一預(yù)設(shè)形 變速率發(fā)生形變）來(lái)控制施加的軸向應(yīng)力的大小，其中的預(yù)設(shè)形變速率一般選為每秒以 0.001 %的直徑大小發(fā)生形變(即每秒形變量為0.001 % )。
[0048]步驟S15,關(guān)閉巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，取出已破壞的巖石試件，測(cè)量其裂縫面和其端面 的夾角。
[0049] 步驟S16，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照如下公式計(jì)算巖石摩擦系數(shù)： Γ π o.l十ο·2 ο·1-σ2 ^ Λ
[0050] σ =---------------------------------------cos 2/? 2 2
[0051] , = -^sin2/? 2·-
[0052] ^ = GT-.?.
[0053] 式中，〇1為殘余強(qiáng)度，單位為MPa;
[0054] 〇2為圍壓，單位為MPa;
[0055] po為孔隙壓力，單位為MPa;
[0056] σ為裂縫面上的正應(yīng)力，單位為MPa;
[0057]