实验岩石压机必须同时具备这两种模式，才能成功管理从稳定加载到岩石临界破坏的过渡。应力控制用于初始稳定载荷模拟，而在后期阶段则严格要求微位移控制，以防止石灰岩发生爆炸性坍塌。这种双重方法是观察重要渗流突变和裂缝扩展而不立即破坏样品的唯一途径。
为了捕捉岩石行为的全貌，研究人员必须能够应对从弹性变形到非线性破坏的转变。从应力控制切换到位移控制就像一个安全刹车，可以防止快速能量释放，并允许详细测量渗透率的突然变化和裂缝的形成。
岩石变形的两个阶段
第一阶段：通过应力控制进行稳定加载
在实验的初始阶段，岩石会发生弹性变形。实验室压机利用应力控制模式来模拟对样品施加稳定、可预测的载荷增加。这符合岩石达到断裂点之前的稳定条件。
第二阶段：通过微位移管理破坏
随着实验进入后期阶段，岩石进入非线性破坏状态，结构完整性迅速下降。在这个关键时刻，系统必须切换到微位移控制。这种模式调节的是压机的物理运动而不是施加的力，从而有效地防止样品发生爆炸性破碎。
捕捉关键渗流现象
观察渗流突变
这些实验的主要科学价值在于观察“渗流突变”，即流体在岩石中移动方式的剧烈变化。只有通过防止爆炸性坍塌，研究人员才能维持样品足够长的时间来记录这些突然的变化。
追踪裂缝贯通和渗透率
位移控制允许对裂缝贯通进行受控观察。随着裂缝的形成和连接，系统会捕捉到由此产生的渗透率突然增加，而这在瞬时破坏中是无法观察到的。
监测声发射
破坏过程会产生称为声发射的声波。通过位移控制稳定破坏速率，设备可以准确记录表征深层岩石破裂的声学活动中的剧烈波动。
不当控制的后果
爆炸性坍塌的风险
如果实验仅依赖于应力控制，则无法补偿岩石强度的突然损失。一旦超过峰值强度，储存的能量会瞬间释放，导致爆炸性坍塌。
关键数据丢失
这种瞬时破坏会在数据中产生一个“盲点”。如果没有位移控制的制动作用，就无法观察破坏的进展或相关的渗流特征。
优化实验准确性
为确保石灰岩渗流实验结果的有效性，请根据变形的具体阶段应用控制模式：
- 如果您的主要重点是模拟初始加载：在弹性变形阶段使用应力控制施加稳定、真实的载荷。
- 如果您的主要重点是分析破坏力学：在破坏前立即切换到微位移控制，以防止样品损坏并捕捉渗透率突变。
掌握这种过渡是可视化岩石渗流和破坏复杂力学的关键。
总结表：
| 加载阶段 | 控制模式 | 目的与益处 | 关键观察 |
|---|---|---|---|
| 第一阶段：初始 | 应力控制 | 弹性变形期间的稳定载荷模拟 | 基准渗透率 |
| 第二阶段：后期 | 位移控制 | 防止爆炸性坍塌并管理非线性破坏 | 渗流突变与裂缝贯通 |
| 破坏分析 | 微位移 | 稳定破坏速率以保护设备/样品 | 声发射与渗透率突然变化 |
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参考文献
- Yijun Gao, Gang Huang. Study on precursor information and disaster mechanism of sudden change of seepage in mining rock mass. DOI: 10.1515/arh-2023-0116
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
