一种用于模拟原岩动态摩擦过程的器件及其制作方法

本发明涉及岩石动态物理力学测量技术领域，具体涉及一种用于模拟原岩动态摩擦过程的器件及其制作方法。

背景技术：

地震的形成和发展都是与板块的摩擦滑动紧密相关的，摩擦滑动中伴随着板块强度降低、板块破碎、大量能量释放、能量释放对板块原始性能的改变等等复杂的过程，板块摩擦也具有非常复杂的特性，摩擦特性影响高振幅地震波穿过岩石裂缝和断层的传播。对地震过程中板块动态摩擦现象的研究，已经成为揭示地震发展规律的主要途径之一。实验室研究表明，摩擦特性可以在主动地震勘测中测量。

接触的两个物体之间的动态摩擦的性质是一个复杂的过程，受一长串因素的影响，包括界面构成、接触的时间尺度、界面对法向力的响应、惯性和热效应、接触表面的粗糙度等。国内外已经进行了大量的实验来研究动态摩擦行为：磁盘针测试，它是为低速摩擦实验设计的，其中动摩擦仅在稳态条件下评估；压剪联合冲击试验，它被用来研究时间相关的动态摩擦；改进的分离霍普金森压杆(mshpb)方法，该技术包括将一端带有样品的棒射向旋转棒/样品系统，该方法可用于研究动态载荷下的瞬态响应，然而对齐是一个关键问题；改进的科尔斯基扭杆法，该方法可用于研究静态阶段到动态阶段的摩擦瞬态响应，因为样品在剪切前处于纯压缩状态，没有滑动。最近，科尔斯基拉杆的方法已经被用来测量钢和铝之间的动摩擦系数，然而这种方法不适用于岩石类材料。

目前动态摩擦试验主要借助特殊的实验装置利用两块独立的样品来实现动态摩擦过程，实验装置复杂、对样品的二次加工失去了摩擦实验的原位性；且由于样品的大位移，各类附加条件下(如温度、压力、加载率等)的试验研究不易实现；不能对动态摩擦现象进行全面描述。

技术实现要素：

为此，本发明实施例提供一种用于模拟原岩动态摩擦过程的器件及其制作方法。其具体技术方案如下：

本发明实施例的第一方面提供一种用于模拟原岩动态摩擦过程的器件，包括：

用于模拟原岩动态摩擦过程的第一模拟件；用于配合所述第一模拟件工作的第二模拟件；所述第一模拟件和所述第二模拟件可相对移动的紧凑嵌套，且所述第一模拟件和所述第二模拟件嵌套后的上表面或下表面平齐。

进一步的，所述第一模拟件为圆柱状，所述第二模拟件为圆环状。

本发明的第二方面提供一种压孔装置，用于制备所述的模拟原岩动态摩擦过程的器件，包括特制压头、保护套筒和下支撑，所述特制压头与静力机连接，所述下支撑放于所述保护套筒内部，且共同放置于承台上；所述下支撑用于放置圆盘试样，所述特制压头用于压制所述圆盘试样得到岩芯作为第一模拟件；去除岩芯的所述圆盘试样的作为第二模拟件；所述静力机用于为所述特制压头提供压力。

进一步的，所述特制压头为倒凸字形圆台，所述保护套筒为两端壁厚度不一的柱状圆筒，所述下支撑放置于所述保护套筒的第一端内壁处；所述第一端内壁处的壁厚度小于第二端内壁处的壁厚度。

进一步的，所述下支撑的内径大于所述特制压头的凸起的直径。

本发明的第四方面提供一种用于模拟原岩动态摩擦过程器件的制备方法，包括步骤：

将岩石材料加工成圆盘，从同一岩块沿相同方向钻出岩样；

对所述岩样进行预处理，得到试样；

将所述试样放置于所述的压孔装置的保护套筒的后支撑上；

特制压头、保护套筒、试样和后支撑同轴；

利用静力机上的特制压头从保护套筒的第二端内壁处进入对试样进行同轴静压至试样破坏，得到第一模拟件和第二模拟件。

进一步的，所述第一模拟件和第二模拟件有相对位移，且所述第一模拟件和第二模拟件的端面平齐。

本发明实施例提供的一种用于模拟原岩动态摩擦过程的器件，包括用于模拟原岩动态摩擦过程的第一模拟件；用于配合所述第一模拟件工作的第二模拟件；所述第一模拟件和所述第二模拟件可相对移动的紧凑嵌套，且所述第一模拟件和所述第二模拟件嵌套后的上表面或下表面平齐。该第一模拟件和第二模拟件能够相互紧凑嵌套，模拟原岩在不同地应力条件下的动态摩擦过程，有助于研究不同附加条件下岩石等脆性材料的动摩擦性能。几何结构简单、设计合理、制作使用方便，可实现不同围压下岩石动态摩擦的模拟，使用效果好，便于推广。

附图说明

图1是本发明提供的用于模拟原岩动态摩擦过程的器件的结构示意图。

图2为本发明提供的用于模拟原岩动态摩擦过程的器件设计中第二模拟件的剖视图。

图3是本发明提供的用于模拟原岩动态摩擦过程的器件设计中第一模拟件的示意图。

图4是本发明提供的用于模拟原岩动态摩擦过程的器件制作的剖面示意图。

图5是本发明提供的用于模拟原岩动态摩擦过程的器件制作的部件的尺寸图。

图中：

100-模拟件；101-第一模拟件；102-第二模拟件；200-压孔装置；201-特制压头；202-保护套筒；203-下支撑。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1-4，本发明提供的用于模拟原岩动态摩擦过程的器件，包括用于模拟原岩动态摩擦过程的第一模拟件101；用于配合所述第一模拟件101工作的第二模拟件102；所述第一模拟件101和所述第二模拟件102可相对移动的紧凑嵌套，且所述第一模拟件101和所述第二模拟件102嵌套后的上表面或下表面平齐。

在模拟一次原岩动态摩擦过程后，所述第一模拟件和所述第二模拟件相互分离，可通过人工复位的方式，使得第一模拟件和第二模拟件复位后嵌套在一起，且上表面和下表面处于平齐状态。

上述第一模拟件和所述第二模拟件可以为能够相互嵌套的任何形状。优选的，在本发明实施例中，所述第一模拟件101为圆柱状，所述第二模拟件102为圆环状。

本发明实施例提供的一种用于模拟原岩动态摩擦过程的器件，包括用于模拟原岩动态摩擦过程的第一模拟件；用于配合所述第一模拟件工作的第二模拟件；所述第一模拟件和所述第二模拟件可相互紧凑嵌套，且所述第一模拟件和所述第二模拟件嵌套后的上表面或下表面平齐。该第一模拟件和第二模拟件能够相对移动的紧凑嵌套，模拟原岩在不同地应力条件下的动态摩擦过程，有助于研究不同附加条件下岩石等脆性材料的动摩擦性能。几何结构简单、设计合理、制作使用方便，可实现不同围压下岩石动态摩擦的模拟，使用效果好，便于推广。

本发明的第二方面提供一种压孔装置，该压控装置专用于制备上述用于模拟原岩动态摩擦过程的器件。其具体包括：特制压头201、保护套筒202和下支撑203，所述特制压头201与静力机连接，所述下支撑203放于所述保护套筒202内部，且共同放置于承台上；所述下支撑203用于放置圆盘试样，所述特制压头201用于压制所述圆盘试样得到岩芯作为第一模拟件101；去除岩芯的所述圆盘试样的作为第二模拟件102；所述静力机用于为所述特制压头201提供压力。

所述特制压头201为倒凸字形圆台，底面直径为26mm、顶面直径为48mm，底座高度为15mm、台阶高度为25.4mm，

下支撑203为圆盘凹槽，圆盘直径为38mm、高度10mm，凹槽深度5mm、内径26.4mm，所述保护套筒202为两端壁厚度不一的柱状圆筒，所述保护套筒202外径为58mm、高度为50mm，所述下支撑203放置于所述保护套筒202的第一端内壁处，所述下支撑203为圆柱状，顶部开设有凹槽，所下支撑203的直径为38mm、高度10mm，凹槽深度5mm、内径26.4mm；所述保护套筒202的第一端内壁处的壁厚度小于第二端内壁处的壁厚度，所述保护套筒202的第一端内壁处的内径为26mm、高度为25mm，所述保护套筒202的第二端内壁处的内径为38mm、高度为25mm。

所述下支撑203的内径大于所述特制压头201的凸起的直径。

参见图4-5，本发明提供的用于模拟原岩动态摩擦过程的器件制备方法，所述方法包括步骤：

首先将岩石材料加工成圆盘，从同一岩块沿相同方向钻出标称直径为38mm的岩样；

对所述岩样进行预处理，得到试样；

将所述试样放置于压孔装置200的保护套筒202的后支撑上；

特制压头201、保护套筒202、试样和后支撑同轴；

利用静力机上的特制压头201从保护套筒202的第二端内壁处进入对试样进行同轴静压至试样破坏，得到第一模拟件101和第二模拟件102，特制压头201较小直径处的高度略大于试样表面至保护套筒202上边缘的距离，以保证试样在压孔完成后静力机不会对第一模拟件101和第二模拟件102造成二次损坏，下支撑203内径略大于特制压头201内径，以保证第一模拟件101完整。

上述预处理包括：

将所述岩样切成厚度为15mm的薄盘；

对所述圆盘的端面进行抛光，以使其表面粗糙度达到0.5％，在整个厚度上的直线度达到±0.02mm。

上述对所述圆盘的端面进行预处理可采用标准isrm中建议的方法。

上述岩石材料也可以替换成其他脆性材料。

所述第一模拟件101和第二模拟件102有相对位移，且所述第一模拟件101和第二模拟件102的端面平齐。

在本发明实施例中，将处理后的模拟件100安放于霍普金森杆装置内，保证第一模拟件101与入射杆同轴、第二模拟件102与导向管同轴，借助轴向预加载装置将第二模拟件102固定于导向管和后支撑中间，由于第一模拟件101已被重新塞回第二模拟件102，故此时第一模拟件101也已被固定于霍普金森杆装置内且与入射杆同轴。

安装完毕后，利用围压装置对处理后的模拟件100施加围压，以模拟不同地应力环境，然后进行霍普金森杆压缩试验，实现岩石的动态摩擦过程，得到在不同围压和不同加载率下的应力-应变曲线图，经过数据处理得到岩石的动摩擦系数。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。