一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置

1.本发明涉及惯性力作用下微纳观剪切加载技术领域，特别是涉及一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置。


背景技术：

2.页岩气开采需要采用水力压裂技术使页岩破裂产生缝网，将微纳米孔隙中的页岩气释放出来。页岩缝网中的剪切裂纹在地应力作用下不易闭合，可成为微纳米孔隙中页岩气的有效渗流通道，因此研究岩石微纳观剪切裂纹扩展规律至关重要。剪切裂纹形成过程中，页岩受到爆破及地震作用时会产生加速度，从而使岩石受到惯性力的作用。在宏观实验中证实，对岩石试样整体进行快速晃动，不对其施加压力或变形荷载，岩石的裂纹仍能在惯性力作用下继续扩展。在微纳观尺度，页岩微纳观剪切裂纹在惯性力作用下如何扩展？对渗流通道有何影响？目前人类无法深入地下进行微纳米尺度观察。因此，制作相应的试验装置进行实验室观测尤为重要。
3.申请号202021091523的实用新型专利，公开了一种可加载拉力或压力及振动的复合式试验装置，该装置试样尺寸较大，不适用于扫描电镜下小尺寸试样微纳观裂纹扩展观察；由于岩石类试样存在天然节理裂隙，加工过程中会导致岩石破碎、受损，无法加工成待测试样形状，因此该装置不适用于岩石类试样；该装置施加振动的方式为直接作用在试样上的动荷载，对于微纳米尺度断裂来说，施加如此大的变形荷载，微纳观裂纹将瞬间贯穿，无法观察到微纳观裂纹扩展的中间过程。
4.申请号2020109586409的发明专利，公开了一种提供正交加载的小型高低周复合疲劳原位试验机，该试验机同样存在上述问题，无法解决岩石类试样在惯性力作用下微纳观剪切裂纹扩展观测问题。
5.可见，现有技术手段均无法解决岩石类试样在惯性力作用下微纳观剪切裂纹扩展观测问题。
6.因此，亟需一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，用来解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，以解决上述现有技术存在的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，包括扫描电镜加载台，所述扫描电镜加载台顶端两侧均设置有施力座，两所述施力座位于同一水平面上，两所述施力座相对的两侧壁上均开设有放置槽，所述放置槽内设置有咬合组件和振动板，所述振动板和所述咬合组件对应设置，两所述振动板平行设置，所述施力座顶端远离所述放置槽的一侧固定连接有激振器，所述激振器与所述振动板通过连杆固定连接，两所述振动板之间设置有剪切组件，所述剪切组件
上设置有岩石试样，所述扫描电镜加载台与所述岩石试样对应设置。
9.优选的，所述咬合组件包括两组咬合件，两组所述咬合件分别位于所述放置槽内部两端，每组所述咬合件包括转动连接在所述放置槽内壁上的若干层转动柱体，若干层所述转动柱体位于同一轴线上，每层所述转动柱体包括第一齿轮柱、第二齿轮柱和第三齿轮柱，所述振动板两侧分别固定连接有两组齿板，每组齿板包括固定连接在所述振动板一侧的第一齿板、第二齿板和第三齿板，所述第一齿轮柱、所述第二齿轮柱和所述第三齿轮柱分别与所述第一齿板、所述第二齿板和所述第三齿板啮合。
10.优选的，所述第一齿轮柱、所述第二齿轮柱和所述第三齿轮柱组成第一匚字型结构，所述第一齿板、所述第二齿板和所述第三齿板组成第二匚字型结构，所述第二匚字型结构位于所述第一匚字型结构和所述振动板之间，且所述第二匚字型结构扣合在所述振动板一侧。
11.优选的，所述剪切组件包括固定连接在所述振动板中部的剪切板，两所述剪切板相对的一侧均开设有凹槽，两所述凹槽交错设置，两所述凹槽相对的两侧壁上均开设有剪切凹槽，两所述剪切凹槽对应设置，所述岩石试样粘接在两所述剪切凹槽内。
12.优选的，两所述剪切凹槽拼接方形框，所述岩石试样与所述方形框相适配。
13.优选的，所述岩石试样顶端一侧开设有切槽，所述切槽的方向与剪切方向一致。
14.优选的，所述施力座顶端远离所述放置槽的一端两侧均开设有螺纹开孔，所述螺纹开孔内设置有螺栓，所述施力座通过所述螺纹开孔和所述螺栓与所述扫描电镜加载台可拆卸连接。
15.本发明公开了以下技术效果：
16.本发明提供的一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，扫描电镜加载台和剪切组件用于实现对岩石试样施加剪切荷载，激振台用于对岩石试样施加振动惯性力，同时通过设置咬合组件实现了对振动板的稳定咬合，保证了剪切组件和振动板的同步稳定振动，为岩石试样施加振动惯性力，避免了直接对试样施加压力与变形荷载导致试样瞬间破坏。本技术无需对岩石试样进行复杂的加工，可同时施加剪切荷载与惯性力，配合扫描电镜加载台使用，可实现扫描电镜下小尺寸岩石试样裂纹扩展观测，从而可在岩石破裂过程中原位观测与研究地应力作用下岩石在受到惯性力作用时的微纳观裂纹扩展规律。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明结构示意图；
19.图2为本发明咬合组件结构示意图；
20.图3为本发明剪切组件结构示意图；
21.图4为本发明激振器结构示意图；
22.图5为本发明实施例二剖视图；
23.图6为本发明实施例二顶视图；
24.其中，1、施力座；2、螺纹开孔；3、第一齿轮柱；4、第二齿轮柱；5、第三齿轮柱；6、第一齿板；7、第二齿板；8、第三齿板；9、剪切板；10、剪切凹槽；11、振动板；12、激振器；13、连杆；14、岩石试样；15、切槽；16、空腔；17、固定板；18、支撑杆；19、转动轴；20、驱动盘；21、第一齿轮；22、第二齿轮；23、电机；24、驱动杆；25、驱动块；26、凹槽；27、限位滑块；28、限位滑槽。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.实施例一：
28.参考图1-4，本发明提供一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，包括扫描电镜加载台，扫描电镜加载台顶端两侧均设置有施力座1，两施力座1位于同一水平面上，两施力座1相对的两侧壁上均开设有放置槽，放置槽内设置有咬合组件和振动板11，振动板11和咬合组件对应设置，两振动板11平行设置，施力座1顶端远离放置槽的一侧固定连接有激振器12，激振器12与振动板11通过连杆13固定连接，两振动板11之间设置有剪切组件，剪切组件上设置有岩石试样14，扫描电镜加载台与岩石试样14对应设置。
29.进一步优化方案，咬合组件包括两组咬合件，两组咬合件分别位于放置槽内部两端，每组咬合件包括转动连接在放置槽内壁上的若干层转动柱体，若干层转动柱体位于同一轴线上，每层转动柱体包括第一齿轮柱3、第二齿轮柱4和第三齿轮柱5，振动板11两侧分别固定连接有两组齿板，每组齿板包括固定连接在振动板11一侧的第一齿板6、第二齿板7和第三齿板8，第一齿轮柱3、第二齿轮柱4和第三齿轮柱5分别与第一齿板6、第二齿板7和第三齿板8啮合。
30.通过齿轮柱和齿板的啮合设置，实现了对振动板11的稳定咬合，保证了其垂直方向上的稳定振动。
31.进一步优化方案，第一齿轮柱3、第二齿轮柱4和第三齿轮柱5组成第一匚字型结构，第一齿板6、第二齿板7和第三齿板8组成第二匚字型结构，第二匚字型结构位于第一匚字型结构和振动板11之间，且第二匚字型结构扣合在振动板11一侧。
32.第一匚字型结构和第二匚字型结构相适配，保证了对振动板11前端、后端和侧端的稳定咬合，两端的两个第一匚字型结构和两个第二匚字型结构配合，进一步保证对振动板11的稳定咬合，在进行振动操作时，保证振动板11垂直方向上的稳定振动，从而在剪切加载的同时对试样施加稳定的惯性力，保证实验数据的精准。
33.进一步优化方案，剪切组件包括固定连接在振动板11中部的剪切板9，两剪切板9相对的一侧均开设有凹槽，两凹槽交错设置，两凹槽相对的两侧壁上均开设有剪切凹槽10，两剪切凹槽10对应设置，岩石试样14粘接在两剪切凹槽10内。
34.岩石试样14放置在两个剪切凹槽10内，保证了岩石试样14的剪切过程实验的稳定。
35.进一步优化方案，两剪切凹槽10拼接方形框，岩石试样14与方形框相适配。
36.岩石试样14为矩形的小块结构，避免了直接在大块试样上施加较大的变形荷载，对于微纳米尺度断裂来说，避免了微纳观裂纹的瞬间贯穿，保证了能够观察到微纳观裂纹扩展的中间过程，正方体结构保证了岩石试样14在剪切凹槽10内的稳定，并且保证了其受到荷载作用力的均匀分布。
37.进一步优化方案，岩石试样14顶端一侧开设有切槽15，切槽15的方向与剪切方向一致。
38.切槽15的方向与剪切方向一致，保证了实验过程中剪切力对切槽15的影响，实现了岩石微纳观剪切裂纹扩展的观测实验，保证了试验数据的精准。
39.进一步优化方案，施力座1顶端远离放置槽的一端两侧均开设有螺纹开孔2，螺纹开孔2内设置有螺栓，施力座1通过螺纹开孔2和螺栓与扫描电镜加载台可拆卸连接。
40.通过螺纹开孔2和螺栓将施力座1安装在扫描电镜加载台上，实现施力座1的便携拆卸和安装。
41.本发明提供一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，在使用时将两施力座1安装在扫描电镜加载台上，使两施力座1对应设置，将样品切割成正方体的岩石试样14，并在顶端一侧开设切槽15，将岩石试样放置在剪切凹槽10中，使岩石试样14顶端与剪切板9顶端平齐，并通过强力胶进行粘接，同时使切槽15的方向与剪切方向一致，实验时，启动扫描电镜加载台对岩石试样14施加剪切荷载，同时启动两侧的激振器12，使两侧激振器12同步上下振动，振动过程中两侧振动板11、两侧剪切板9的相对位置保持不变，两侧激振器12运行时通过上方的连杆13带动固定连接的振动板11进行竖向的振动，振动板11与剪切板9同步垂直振动，保证剪切加载的同时对正方体岩石试样14施加垂直惯性力，在实验过程中可随时停止设备，移动扫描电镜镜头从切槽15处沿着裂纹扩展路径观察微纳观裂纹，从而实现惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测。
42.实施例二：
43.参考图5-6，本实施例与实施例一的区别在于，两振动板11相对两侧壁上设置有旋转组件，所述剪切板9通过所述旋转组件与振动板11转动杆连接；
44.振动板11内开设有空腔16，旋转组件包括固定连接在空腔16内的固定板17，固定板17靠近剪切板9的一侧中部转动连接有支撑杆18的一端，支撑杆18另一端伸出振动板11与剪切板9固定连接，固定板17靠近剪切板9的两端转动连接有,转动轴19，转动轴19上固定连接有驱动件，支撑杆18上同轴固定连接有驱动盘20，驱动件与驱动盘20对应设置，固定板17远离剪切板9的一侧中部转动连接有两第一齿轮21，两第一齿轮21啮合，转动轴19一端贯穿固定板17同轴固定连接有第二齿轮22，两第一齿轮21位于两第二齿轮22之间，且分别与两第二齿轮22啮合，空腔内固定连接有电机23，任一第一齿轮21上的中心轴与电机23的输出轴固定连接。
45.驱动件包括一端固定连接在转动轴19上的驱动杆24，驱动杆24另一端固定连接有驱动块25，驱动盘20两端均开设有凹槽26，驱动块25与凹槽26相适配，驱动杆24上固定连接有限位滑块27，驱动盘20上设置有两限位滑槽28，限位滑块27与限位滑槽28相适配。
46.通过电机23带动第一齿轮21转动，第一齿轮21带动第二齿轮22转动，两个第二齿轮22带动两个转动轴19上的两个驱动件间歇运动，运动时通过驱动块25滑入凹槽26内带动驱动盘20转动，两侧的驱动块25间歇运动带动驱动盘20呈90
°
偏转从而实现剪切板9的90
°
转向，固定装置整体后可进行横向振动实验。
47.具体的驱动块25滑入凹槽26底端时，限位滑块27与限位滑槽28处于滑动状态，对驱动盘20整体施加滑动限位，进一步保证剪切板9处于90
°
转动后的稳定，从而保证实验时装置整体的稳定，保证实验数据的精准。
48.具体的岩石试样14为正方体结构，装置呈90
°
翻转后固定进行横向振动实验时，岩石试样14可直接跟随剪切板9进行翻转，保证翻转前后横向振动、竖向振动试验时岩石试样14的一致性，无需拆卸调节，提高实验效率。
49.进一步的实施例一中的咬合组件在装置90
°
翻转后仍能对横向测试振动起到稳固作用，保证实验数据的精准。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，包括扫描电镜加载台，其特征在于：所述扫描电镜加载台顶端两侧均设置有施力座(1)，两所述施力座(1)位于同一水平面上，两所述施力座(1)相对的两侧壁上均开设有放置槽，所述放置槽内设置有咬合组件和振动板(11)，所述振动板(11)和所述咬合组件对应设置，两所述振动板(11)平行设置，所述施力座(1)顶端远离所述放置槽的一侧固定连接有激振器(12)，所述激振器(12)与所述振动板(11)通过连杆(13)固定连接，两所述振动板(11)之间设置有剪切组件，所述剪切组件上设置有岩石试样(14)，所述扫描电镜加载台与所述岩石试样(14)对应设置。2.根据权利要求1所述的一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，其特征在于：所述咬合组件包括两组咬合件，两组所述咬合件分别位于所述放置槽内部两端，每组所述咬合件包括转动连接在所述放置槽内壁上的若干层转动柱体，若干层所述转动柱体位于同一轴线上，每层所述转动柱体包括第一齿轮柱(3)、第二齿轮柱(4)和第三齿轮柱(5)，所述振动板(11)两侧分别固定连接有两组齿板，每组齿板包括固定连接在所述振动板(11)一侧的第一齿板(6)、第二齿板(7)和第三齿板(8)，所述第一齿轮柱(3)、所述第二齿轮柱(4)和所述第三齿轮柱(5)分别与所述第一齿板(6)、所述第二齿板(7)和所述第三齿板(8)啮合。3.根据权利要求2所述的一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，其特征在于：所述第一齿轮柱(3)、所述第二齿轮柱(4)和所述第三齿轮柱(5)组成第一匚字型结构，所述第一齿板(6)、所述第二齿板(7)和所述第三齿板(8)组成第二匚字型结构，所述第二匚字型结构位于所述第一匚字型结构和所述振动板(11)之间，且所述第二匚字型结构扣合在所述振动板(11)一侧。4.根据权利要求3所述的一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，其特征在于：所述剪切组件包括固定连接在所述振动板(11)中部的剪切板(9)，两所述剪切板(9)相对的一侧均开设有凹槽，两所述凹槽交错设置，两所述凹槽相对的两侧壁上均开设有剪切凹槽(10)，两所述剪切凹槽(10)对应设置，所述岩石试样(14)粘接在两所述剪切凹槽(10)内。5.根据权利要求4所述的一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，其特征在于：两所述剪切凹槽(10)拼接方形框，所述岩石试样(14)与所述方形框相适配。6.根据权利要求5所述的一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，其特征在于：所述岩石试样(14)顶端一侧开设有切槽(15)，所述切槽(15)的方向与剪切方向一致。7.根据权利要求1所述的一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，其特征在于：所述施力座(1)顶端远离所述放置槽的一端两侧均开设有螺纹开孔(2)，所述螺纹开孔(2)内设置有螺栓，所述施力座(1)通过所述螺纹开孔(2)和所述螺栓与所述扫描电镜加载台可拆卸连接。

技术总结
本发明公开了一种惯性力作用下岩石微纳观剪切裂纹扩展观测实验装置，包括扫描电镜加载台，扫描电镜加载台顶端两侧均设置有施力座，两施力座位于同一水平面上，两施力座相对的两侧壁上均开设有放置槽，放置槽内设置有咬合组件和振动板，振动板和咬合组件对应设置，两振动板平行设置，施力座顶端远离放置槽的一侧固定连接有激振器，激振器与振动板通过连杆固定连接，两振动板之间设置有剪切组件，剪切组件上设置有岩石试样，扫描电镜加载台与岩石试样对应设置。本发明可同时施加剪切荷载与惯性力，从而可在岩石破裂过程中原位观测与研究地应力作用下岩石在受到惯性力作用时的微纳观裂纹扩展规律。观裂纹扩展规律。观裂纹扩展规律。


技术研发人员：张建勇 李平 苏占东 王伟 沈超 乔峰
受保护的技术使用者：防灾科技学院
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/21