頁巖的物理力學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雜、天然裂縫發(fā)育、泥質發(fā)育和層狀構造等特點，導致了強烈的非均質性和各向異性，極大地影響了頁巖氣的產能。因此，有必要通過物理力學試驗來研究頁巖的各向異性特征，并且采用更加直觀的試驗研究方法來獲取層理面的力學性質和破裂特征。
　　本文對頁巖試樣進行了超聲波測試、巴西劈裂和單軸抗壓等物理力學試驗，研究了不同層理角度頁巖的物理力學性質各向異性情況，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)、抗拉強度和抗壓強度隨層理角度的變化曲線，最后通過公式變換計算出頁巖的各向異性材料參數(shù)。通過試驗和擬合成果得出如下結論: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，存在兩個先增大后減小的過程，且都在層理角度為45°時取到極小值點;抗拉強度隨層理角度的變大逐漸減小，彈性模量和破裂面復雜性隨著層理角度的變大

3、逐漸增加，而單軸抗壓強度則呈現(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°時取到最小值。
　　為了研究層理面的力學特性，本文進行了層理角度為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，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，并且重點研究了相應條件下頁巖的破裂特征。試驗和擬合結果顯示，層理角度為0°的試樣在拉剪應力條件下非常不穩(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度和剪切強度均小于其他方法的值，說明傳統(tǒng)的破裂準則對拉剪應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，微觀角度分析了頁巖的破裂機理。主要得出如下結論:拉剪應力條件下，多種因素共同主導了頁巖試樣的破裂，導致破裂面形貌復雜，并且破裂