頁巖的物理力學(xué)各向異性及拉伸剪切破裂特征研究.pdf

1、頁巖具有的礦物成分復(fù)雜、天然裂縫發(fā)育、泥質(zhì)發(fā)育和層狀構(gòu)造等特點(diǎn)，導(dǎo)致了強(qiáng)烈的非均質(zhì)性和各向異性，極大地影響了頁巖氣的產(chǎn)能。因此，有必要通過物理力學(xué)試驗(yàn)來研究頁巖的各向異性特征，并且采用更加直觀的試驗(yàn)研究方法來獲取層理面的力學(xué)性質(zhì)和破裂特征。
　　本文對頁巖試樣進(jìn)行了超聲波測試、巴西劈裂和單軸抗壓等物理力學(xué)試驗(yàn)，研究了不同層理角度頁巖的物理力學(xué)性質(zhì)各向異性情況，其中，層理角度定義為層理面法線與試樣軸向的夾角;研究了動彈性參數(shù)和靜彈性

2、參數(shù)隨層理角度的變化情況，并且擬合出動靜彈性參數(shù)、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨層理角度的變化曲線，最后通過公式變換計(jì)算出頁巖的各向異性材料參數(shù)。通過試驗(yàn)和擬合成果得出如下結(jié)論:隨著層理角度的增大，縱波波速、橫波波速、動彈性模量和動剪切模量隨之增大，變化趨勢一致，動體積模量和動泊松比的變化曲線呈現(xiàn)出“M”型，存在兩個(gè)先增大后減小的過程，且都在層理角度為45°時(shí)取到極小值點(diǎn);抗拉強(qiáng)度隨層理角度的變大逐漸減小，彈性模量和破裂面復(fù)雜性隨著層理角度的變大

3、逐漸增加，而單軸抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)出先減小后增大的“U”型的變化規(guī)律，并且在層理角度為60°時(shí)取到最小值。
　　為了研究層理面的力學(xué)特性，本文進(jìn)行了層理角度為0°和90°頁巖立方塊試樣的直接拉伸、拉伸剪切和壓縮剪切等試驗(yàn)，建立了層理角度為90°頁巖試樣的拉伸剪切全區(qū)破裂特征曲線，并且重點(diǎn)研究了相應(yīng)條件下頁巖的破裂特征。試驗(yàn)和擬合結(jié)果顯示，層理角度為0°的試樣在拉剪應(yīng)力條件下非常不穩(wěn)定，很容易破壞;而層理角度為90°的試樣，通過拉伸剪切

4、試驗(yàn)可以得到拉剪-壓剪全區(qū)破裂特征曲線，通過該曲線得到的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均小于其他方法的值，說明傳統(tǒng)的破裂準(zhǔn)則對拉剪應(yīng)力條件下巖石的破裂特征描述存在一定的偏差。
　　拉伸剪切試驗(yàn)后，本文利用三維激光掃描和電鏡掃描的方法，從宏觀和微觀的角度研究了頁巖的破裂面特征，宏觀角度分析了頁巖的破裂模式和各向異性特點(diǎn)，微觀角度分析了頁巖的破裂機(jī)理。主要得出如下結(jié)論:拉剪應(yīng)力條件下，多種因素共同主導(dǎo)了頁巖試樣的破裂，導(dǎo)致破裂面形貌復(fù)雜，并且破裂