一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法
本发明属于岩石力学室内试验及工程检测领域，具体涉及一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法
背景技术：
1、人类活动引起的岩体应力变化可能会造成断层和节理的滑动和破坏，从而诱发地震活动。岩体的抗剪强度远小于抗压强度，剪切失效在节理岩体剪切滑移中更为常见。研究表明，诱发地震相较于自然地震通常震级较小，其特征在于弱扰动而非强扰动。开展节理在扰动作用下产生的剪切滑移相关特性研究，对理解诱发地震的力学特征，减少诱发地震对人类活动及环境的影响有非常重要的意义。
2、室内试验是研究诱发地震的重要途径，常见的可能会引起诱发地震的人类活动包括废水注入、从地下开采气体和流体、地热能开采工程、采矿工程和水库蓄水等。但是目前的实验方法局限于节理岩体剪切滑动过程中始终保持法向荷载恒定，且剪切荷载从零开始增加直至以恒定速率滑动。这一方法仅适用于在地表进行的蓄水、矿山开采以及浅埋工程，对于地层深部进行的其他的人类活动及地层应力环境则不再适用。对地层深部的节理岩体，受到人类活动扰动时，法向压力往往有较大变化。同时，地层深部的岩体除了具有较高的法向压力外，也承受着初始切向荷载。人类能源开采等活动产生的影响也并非局限于逐步渐进式增加的，扰动荷载与钻爆等手段更为相符，节理岩体的滑移特征是突然滑移而不是恒定速度的滑移。
3、综上所述，具有初始剪切荷载，保持法向刚度恒定，并且能施加切向扰动荷载的研究节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法更能适应实际人类生产活动的特性。现有实验方法的研究成果及应用由于边界条件的设定必然存在局限性。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本发明提出了一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法。该方法考虑了地应力预先施加了初始剪切荷载，并根据人类活动类别施加单次或者多次冲击扰动作用，精确模拟了不同类别人类活动对特定的地应力节理岩体产生扰动作用，发生剪切滑移并诱发地震的情况。该方法同时可以对人类活动诱发地震风险的稳定性评估提供参考。
2、为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，包括如下步骤：
4、s1：节理岩体试样的制备及装配；
5、根据拟模拟工程地质条件，选取待测岩石制成含节理的岩样并将试样装配在动剪设备的剪切盒内，动剪设备能够对试样施加初始静态法向荷载、初始静态剪切荷载以及动态切向扰动荷载；
6、s2：根据地应力，利用所述动剪设备对所述岩样预先施加初始法向荷载及初始剪切荷载；
7、s3：根据人类活动类别施加冲击扰动作用，以精确模拟不同类别人类活动对特定的地应力节理岩体产生的扰动作用，具体包括：
8、s31：根据模拟工程对模拟断层的影响，设置扰动冲击荷载的幅值和频率；
9、s32：根据模拟工程的实际工况，对试样进行单次冲击扰动荷载，或者连续多次冲击扰动荷载，直至达到模拟工程当地政府规定的最大允许位移值；
10、s4：依据动剪设备数据采集模块记录的节理面剪切荷载、剪切位移、法向荷载以及法向位移来绘制剪切荷载-时间和剪切位移-时间曲线；
11、s5：分析计算试样在扰动作用下发生剪切滑移诱发地震的滑移距离、能量释放及最大震级；
12、s6：通过比较多次扰动的累计滑移距离与当地政府规定的最大位移量，单次扰动的最大震级与政府规定的最大震级，来评估诱发地震的风险。
13、步骤s5中，通过记录的单次扰动位移累计求和计算累计剪切的所述滑移距离；
14、通过记录的单次扰动位移及剪切荷载计算单次扰动下模拟诱发地震释放的能量及最大震级，其中，能量释放及最大震级的计算方法如下：
15、，
16、，
17、其中，代表剪切滑移释放的能量，代表单次冲击扰动造成节理面上的剪应力降低数值的1/4，代表单次扰动冲击造成的剪切滑移距离，代表节理面的接触面积,代表诱发地震的震级。
18、步骤s1中，岩体试样的节理面根据实际工程尺度，设置为平直或粗糙，岩样种类选择与模拟岩体地质条件一致。
19、步骤s2中，根据模拟断层地应力以恒定的加载速率施加初始法向荷载和初始切向荷载，以准确的复现初始地应力大小对于诱发地震释放能量大小的影响。
20、步骤s32施加冲击扰动荷载中，根据人类活动造成冲击作用的幅值，冲击扰动荷载为液压伺服控制，其幅值低于岩体强度。
21、步骤s1中，通过调整岩石类别、节理面形态、法向力以及剪切力的大小，来对应不同工况下拟诱发地震的类别。
22、步骤s3中，连续多次重复所述扰动剪切试验，采用分段采集的方式，最后将分段采集的数据进行拼接得到整个扰动剪切试验的结果。
23、本发明采用的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
24、一种基于动剪设备的扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，根据模拟岩体地应力情况施加初始剪切荷载，根据模拟工程对模拟岩体的影响，设置扰动冲击荷载的幅值和频率，根据模拟工程的实际工况，对试样进行单次冲击扰动，或者连续多次冲击扰动。通过岩石种类的选择，初始法向荷载、切向荷载数值的设置以及扰动荷载的幅值及频率，能够更为真实的模拟各种人类活动对于节理岩体的扰动作用以及岩体产生剪切滑移并诱发地震的过程。
25、同时，本发明提出一种释放能量及最大震级的计算方法，能够为对人类活动诱发地震风险的稳定性评估提供参考，进而控制人类活动活动诱发地震的震级并保证地下能源开采活动的顺利进行提供实验支撑。
技术特征：
1.一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，其特征在于，步骤s5中，通过记录的单次扰动位移累计求和计算累计剪切的所述滑移距离；
3.根据权利要求1所述的一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，其特征在于，步骤s1中，岩体试样的节理面根据实际工程尺度，设置为平直或粗糙，岩样种类选择与模拟岩体地质条件一致。
4.根据权利要求1所述的一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，其特征在于，步骤s2中，根据模拟断层地应力以恒定的加载速率施加初始法向荷载和初始切向荷载，以准确的复现初始地应力大小对于诱发地震释放能量大小的影响。
5.根据权利要求1所述的一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，其特征在于，步骤s32施加冲击扰动荷载中，根据人类活动造成冲击作用的幅值，冲击扰动荷载为液压伺服控制，其幅值低于岩体强度。
6.根据权利要求1所述的一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，其特征在于，步骤s1中，通过调整岩石类别、节理面形态、法向力以及剪切力的大小，来对应不同工况下拟诱发地震的类别。
7.根据权利要求1所述的一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，其特征在于，步骤s3中，连续多次重复所述扰动剪切试验，采用分段采集的方式，最后将分段采集的数据进行拼接得到整个扰动剪切试验的结果。
技术总结
本发明一种扰动作用下节理岩体剪切滑移诱发地震的试验方法，包括S1、将岩样装配于动剪设备中；S2、根据模拟节理岩体的地应力状态施加法向荷载和切向荷载；S3、根据不同人类工程活动的类别施加单次扰动荷载或连续多次施加扰动荷载；S4、分析计算试样在扰动荷载作用下发生剪切滑移诱发地震的滑移距离、能量释放及最大震级；S5、通过比较多次扰动的累计滑移距离与当地政府规定的最大位移量，单次扰动的最大震级与政府规定的最大震级，来评估诱发地震的风险。本发明能够精确模拟不同地应力条件下节理岩体遭遇人类生产活动等扰动作用，发生剪切滑移并诱发地震的情况，对人类活动诱发地震风险的稳定性评估提供参考。
技术研发人员：李建春,王大鹏,郑彦龙,李星,袁伟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23