一种基于岩石微损刻划的强度测试方法

本发明属于岩石宏观力学性能测试，尤其涉及一种基于岩石微损刻划的强度测试方法。

背景技术：

1、三山岛金矿矿井最深1915m、川藏铁路巴玉隧道最大埋深2080m、中国锦屏地下实验室最大埋深2400m、塔里木油田深地塔科1号科学探索井深度超万米。煤炭、石油、地热等深部能源蕴藏在岩石基质中，提高能源开采效率与资源利用率离不开对岩石力学特性的深刻认识，岩体抗压强度、粘聚力、内摩擦角、断裂韧性等宏观强度参数的准确获取与定量表征意义重大。

2、常规岩石强度获取依赖于单轴/三轴压缩试验，通过压缩破坏的峰值载荷确定岩体强度。常规压缩试验对于岩石制样的平整度、高径比、垂直度要求较高，一般需要将岩石运至室内实验室进行加工制样，过程繁杂、消耗大量时间，不利于岩体强度的高效即时测定。此外，压缩试验为一次性岩石破碎试验，单次试验存在一定偏差，测试时需要制取大量岩样进行压缩试验，以充分剔除因岩样自身缺陷或装置测试系统产生的误差。因此，常规压缩试验受限于高标准制样要求、大样本岩心数量，在实际工程应用中存在困难，尤其对于从深部地层钻取的少量珍贵岩样，用压缩破坏方式获取岩石强度参数不具有普适性，亟需一种不破碎岩心的高效技术手段。

3、岩石连续划痕试验是一种新型岩体强度测试方式，该方式基于刀头刮擦岩心消耗能量与岩石强度的特定关联，通过刀头划痕时感知的荷载信号反演出岩石强度参数。岩石划痕测试作为一种微损型强度测定手段，刀头下压岩样深度一般不超过1毫米，某些质地较松软岩石甚至不超过0.5毫米，因而划痕测试对岩样平整度要求较高，岩样的倾斜、凹凸不平等微小的偏差都会对试验结果构成极大影响，必须在测试前充分考虑试样不平整产生的误差，采取一种高效便捷的手段消除试样表面粗糙及仪器变形的不良影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于岩石微损刻划的强度测试方法，通过滚珠型lvdt探头精确感知待测岩样与刀头平行度、待测岩样表面粗糙度，规避了现有划痕测试技术对岩样平整度要求高、测试结果离散性大的弊端，提升了岩石划痕测试的稳定性与准确性。基于二维伺服加载调控技术，将lvdt感知到的待测岩样表面粗糙度情况实时反馈到刀头，实现刀头竖向位移跟随横向移动路径变化，从而确保设置的连续刮擦深度恒定。

2、为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案：

3、一种基于岩石微损刻划的强度测试方法，所述强度测试方法在岩石强度测试装置上进行，

4、所述岩石强度测试装置包括划痕试验机构、刻划槽和伺服加载系统；所述刻划槽用于放置待测岩样；所述划痕试验机构包括刀头和滚珠型lvdt；所述伺服加载系统包括伺服加载机构、力传感器和伺服加载程序，所述伺服加载系统用于接收所述刀头的水平应力、竖向应力以及所述滚珠型lvdt的竖向位移，并控制所述划痕试验机构在划痕移动方向上的横向移动和划痕深度方向上的竖向移动；

5、所述强度测试方法包括以下步骤：

6、s1：将待测岩样固定在刻划槽中，控制待测区域与划痕试验机构中线对齐，待测岩样为几何规则的圆柱形或方形块体；

7、s2：在待测岩样底部一侧铺设若干薄垫片，调整垫块数量使待测岩样与划痕试验机构保持初步平行；

8、s3：安装大直径滚珠型lvdt，精准感知待测岩样与划痕试验机构的平行度，控制滚珠型lvdt水平匀速移动，采集待测岩样沿刻划方向上不同位置处的lvdt竖向位移变化数据；

9、s4：将lvdt采集到的竖向变形数据回归、拟合为直线，通过直线斜率判断待测岩样与划痕试验机构是否平行，若斜率不为0，说明待测岩样与划痕试验机构不平行，调整待测岩样底部的垫片厚度，直至回归直线斜率为0；

10、s5：换装小直径滚珠型lvdt，精准感知待测岩样表面的凹凸不平，滚珠型lvdt匀速移动时采集待测岩样表面不同位置处深度变化的数据，将待测岩样表面沿刻划方向上的凹凸特征反馈到伺服加载程序中，以消除待测岩样表面粗糙度对于划痕测试的误差影响；

11、s6：用样条曲线拟合采集到的lvdt位移数据，通过曲线平均曲率判断伺服加载程序是否需要继续优化深度控制，若曲率较大则增加采样频率及位移写入精度，通过迭代更新方式使测试数据稳定精确，拟合曲线的曲率接近于0时停止迭代；

12、s7：装配刀头，进行划痕预实验，确定待测岩样发生脆性破坏的临界刮擦深度，第一次预实验的刀头下压深度为0.1mm，后面每次进行预实验时下压深度增加0.05mm，直至岩样发生脆性破坏时停止预实验；

13、s8：按照优化后的伺服加载程序及确定的刀头测试参数进行连续划痕试验，记录刀头的水平应力、竖向应力及滚珠型lvdt的竖向位移。

14、在以上技术方案中，s3中，安装钢珠探头直径为8mm的滚珠型lvdt，运行伺服加载程序，将滚珠型lvdt向下按压接触岩样表面，并继续下压一定深度，控制滚珠型lvdt沿待测岩样长度方向匀速移动，采集滚珠型lvdt的纵向位移变化数据。

15、在以上技术方案中，s4中，根据滚珠型lvdt获取的纵向变形数据，绘制待测岩样刻划方向上不同位置处的相对深度散点图，拟合出待测岩样刻划长度与表面深度的线性关系并得出斜率；

16、通过刻划长度—相对深度直线斜率，判断待测岩样表面是否与划痕试验机构(3)平行，直线斜率不为0则调整垫片数量，直至斜率为0。

17、在以上技术方案中，s5中，将滚珠型lvdt换装更小直径的钢珠探头，依次按照6mm、4mm、2mm直径进行换装；

18、运行伺服加载程序，将滚珠型lvdt向下按压接触待测岩样表面，并继续下压一定深度，控制滚珠型lvdt沿待测岩样长度方向匀速移动，采集滚珠型lvdt的竖向位移变化数据；

19、根据滚珠型lvdt获取的纵向变形数据，绘制待测岩样长度与对应表面深度的散点图，通过样条曲线拟合待测岩样表面深度随长度变化的情况，进行积分并计算出待测岩样表面深度均值；

20、将积分得出的相对深度均值作为接触面零点，滚珠型lvdt采集到的不同位置处相对深度与其均值作差，伺服加载程序预先读取待测岩样不同位置处深度与接触面零点的偏差，在伺服加载时控制滚珠型lvdt竖向位移沿待测岩样刻划方向变化，以抵消待测岩样表面凹凸不平的误差。

21、在以上技术方案中，s6中，运行伺服加载程序，将滚珠型lvdt采集到的竖向位移数据拟合为样条曲线，并计算样条曲线的平均曲率，通过迭代更新方式将滚珠型lvdt获取的纵向数据反馈到伺服加载程序，若曲线的曲率较大则增加采样频率及位移写入精度，若曲线的曲率接近于0时停止迭代。

22、本发明的有益效果在于：

23、1.本发明强度测试方法，具有不破坏岩石完整性、步骤简易、操作便捷的优点，相较于常规岩石刻划实验，本发明得出的数据更加精确稳定，物理意义更加明确，尤其对于工程勘探现场出现的岩心不平整、大小头变径、试样弯曲等缺陷问题，本发明能够在一定程度上消除其不良影响。

24、2.本发明滚珠型lvdt装配了滚珠探头，lvdt水平移动时可以采集竖向位移数据，实现了刮擦路径上岩石表面凹凸特征的精准感知，将lvdt采集到的数据先后通过直线、曲线两次回归分析，通过数字化处理手段形成了岩样倾斜度、平整度的准确判据与校正依据。

25、3.通过自定义伺服加载程序，将lvdt预先感知的岩样粗糙度反馈到刀头组件，实现刀头竖向位移跟随移动路径实时变化，保证连续刻划试验中刮擦深度恒定。