基于多尺度页岩巴西劈裂试验的岩石强度尺度效应根源研究

为探究页岩抗拉强度尺度效应规律及岩石强度尺度效应根源,采集鄂尔多斯盆地延长组长7段陆相页岩野外露头,制作成直径为50 mm,高度分别为15.32 mm,20.39 mm,25.46 mm和30.28 mm四种尺度的岩样并进行巴西劈裂试验,在分析岩样抗拉强度尺度效应规律的基础上,对岩石强度尺度效应根源提出了新的认识。结果表明:页岩最大载荷和破裂面条数随岩样尺度增大而增大,抗拉强度随岩样尺度增大而减小,破裂时间与岩样尺度相关性较差;非均质性和端部摩擦效应是目前解释岩石强度尺度效应根源的主要观点,页岩巴西劈裂试验结果中抗拉强度存在良好的尺度效应现象,这表明岩石强度尺度效应并不是完全根源于试件与压头之间的端部摩擦作用;岩石强度尺度效应由岩石非均质性和端部摩擦效应共同作用而成,对于小尺度岩样,端部摩擦效应占据主导地位,对于大尺度岩样,非均质性占据主导地位,不同类型的岩石,其岩样尺度的“小”与“大”不同。对岩石强度尺度效应规律和根源的研究有助于提高岩体强度预测的准确性,并为揭示岩石破坏机理提供一定借鉴。     

砂岩蠕变破裂多尺度演化试验研究

岩石随着外载荷的增大发生变形和破坏,当外载荷保持不变时,变形并未停止,仍会持续增加,发生蠕变变形,其根本原因是岩石的非均匀性。岩石蠕变破裂是由岩石内部原始非均匀性引起的微观尺度破裂、细观尺度裂纹扩展和贯通、宏观尺度变形增大和破坏的过程,因此需要对岩石蠕变破裂的多尺度演化机理进行研究。本研究以砂岩为研究对象,从蠕变破裂宏观演化试验和破裂断口微细观扫描试验出发,分析砂岩试样不同尺度变形破裂机理。通过砂岩蠕变破裂宏观演化试验可以看出,在初始蠕变和等速蠕变阶段,岩石表面无裂纹,主要为微、细观裂纹的萌生和扩展。当宏观破裂面形成后进入加速蠕变阶段,在加速蠕变阶段,沿破裂面产生摩擦滑动,最终发生破坏。通过对典型破裂断口的微、细观结构特征分析及不同分析点位的组成成分和元素特征分析可以得出,岩石微观孔隙、裂隙等缺陷发育的结构非均匀性和组成成分的非均匀性是造成砂岩微观破裂和细观裂纹扩展的主要原因。多尺度分析的结果直观的反映了岩石内部裂纹扩展空间位置和扩展方向。这对深入研究岩石蠕变破裂演化机理是十分有意义的。     

岩石紧凑拉伸断裂过程及其尺寸效应的三维数值模拟

采用最近开发的三维岩石破裂过程分析软件RFPA3D模拟单边裂纹紧凑拉伸断裂过程。试验中五个不同尺寸的岩样具有相同的力学性质参数分布,模拟结果得到了裂纹扩展中的应力场、位移场和声发射的空间分布以及单边裂纹扩展贯通的过程。单边裂纹拉伸断裂的路径是一个复杂的空间三维曲面,三维裂纹比二维裂纹更为复杂。分析了岩石试样的峰值强度和试样尺寸之间的关系。随着岩样尺寸的增加,峰值强度逐渐减小,并且延性破坏特征更加明显,模拟结果满足岩石的尺寸效应规律。最后模拟了三组不同均匀性的试样拉伸破坏过程,结果表明细观上的非均匀性对岩石尺寸效应有很大影响,随着非均匀性的增加,岩石宏观强度随之提高,即使在均匀材料中一样存在尺寸效应。     

岩样单轴压缩变形破坏与能量特征研究

基于在伺服试验机上得到的同直径不同长度大理岩样的单轴压缩试验结果,研究了尺寸对岩石变形破坏与能量特征的影响规律.结果表明,岩石长度对峰值应力前的轴向变形特性没有显著影响,但明显改变峰后的轴向变形特性;岩样长度对峰后塑性变形特性影响不大;直径一定时随着长度的增大,岩样破裂形式由竖向劈裂变为剪切破坏.随着长径比的增加,岩石破坏应变能呈幂律衰减趋势,且当长径比增加至2以后,便基本趋于恒定,不再明显减小;而岩石破坏能呈先减小后增大的非线性变化趋势.     

混凝土高温动态劈拉行为细观数值分析

为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为，考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用，结合混凝土材料内部非均质性，建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤:首先对混凝土进行热传导行为模拟，进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上，分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制，对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系，揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明:(1) 高温作用后，试件损伤区域较常温下更集中；(2) 名义应变率较大时，破坏过程急促，常温下骨料发生破坏，而经历高温后骨料基本没有破坏；(3) 由于混凝土试件细观结构的非均质性，其内部应力呈枣核状不连续分布；(4) 相比于应变率效应，混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。     

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

巴西圆盘泥岩试件裂纹扩展及应变演化实验研究

为了研究准静态加载条件下岩石试件巴西劈裂裂纹扩展规律,采用MTS试验机进行准静态加载,同时用高速摄像机记录裂纹扩展过程。采用白光数字散斑处理软件对摄像机记录的照片进行处理,得到试件裂纹扩展过程中应变场的演化情况。通过实验和分析可以看出,由于端部效应及加载方式的原因,因此裂纹起裂点在底部加载部位;泥岩试件表面裂纹的平均扩展速度为252m/s;岩石的非均质性即内部微缺陷、微裂纹使得泥岩试样的开裂并不是沿着中心直径方向,而是偏离一定的角度,初始偏离角度约为17°。裂纹扩展过程可以划分为三个阶段:泥岩试件宏观变形阶段(宏观无裂纹)、宏观裂纹稳定扩展阶段、宏观裂纹动态张裂阶段。同时,在裂纹扩展过程中,表面第一主应变场、水平位移场等变化明显,在开裂部位第一主应变最大。通过对圆盘泥岩试件裂纹扩展实验研究,可为研究岩石破裂及其演化规律提供依据。     

岩石动态巴西圆盘实验中的过载现象

巴西圆盘实验是国际岩石力学与工程学会（ISRM）推荐的测量岩石静态拉伸强度的方法之一,也是该学会推荐的唯一测量岩石动态拉伸强度的方法。但是巴西圆盘实验得到的静态或者动态拉伸强度往往较真实值偏大,其中一个原因是所谓的过载现象,而且其相应的过载效应在动态巴西圆盘测试中尤为明显。为探究岩石材料动态劈裂拉伸强度的过载效应机理及其率相关性,利用SHPB实验装置开展了不同加载率条件下的动态巴西圆盘实验,对岩石材料劈裂拉伸强度的过载特性进行了定量分析;结合颗粒流程序进行了相关实验的数值模拟,得到了圆盘破裂的微观过程。结果表明:（1）动态巴西圆盘实验得到的岩石拉伸强度存在明显的过载现象,圆盘试样拉伸强度的过载比随加载率增加呈对数形式增加;（2）依据动态拉伸强度实验结果对模型参数引入率相关性后,模拟观察到的过载效应更加贴近实验观测。这些结果表明巴西圆盘实验中拉伸强度的过载现象是客观存在的,其机理与试样的圆盘构型以及测试方法有关。结合实验和数值结果,解释了巴西圆盘实验的过载机理,证明了动态巴西圆盘实验修正的必要性并给出了相应的方案,以获取岩石材料的真实动态拉伸强度。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

含瓦斯煤单轴压缩的尺度效应实验研究

含瓦斯煤与其它岩石类材料一样,在力学特性等方面具有尺度效应。利用特制的饱和加压装置和电子万能试验机,对不同尺度、不同饱和瓦斯压力下的煤样进行了单轴压缩试验,探讨了煤样变形破坏及强度特性的变化规律。分析表明,煤样抗压强度、弹性模量随瓦斯压力的增大而减小,抗压强度随高径比的增加明显减小,弹性模量随高径比的增加略有提高。利用Weibull模型和线弹性强化理论对含瓦斯煤产生尺度效应的原因进行了合理地解释,为含瓦斯煤样尺度效应在强度表征等方面的深入研究提供了新的实验和理论依据。     

次轻页岩集料混凝土基本力学性能试验研究

为了研究次轻页岩集料混凝土的基本力学性能,以取代率为变化参数,用碎石、河砂分别取代全轻混凝土中的陶粒、陶砂,配制形成石轻混凝土、砂轻混凝土。对其立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量和泊松比等基本力学性能指标开展了试验研究,获取了次轻页岩集料混凝土的受力破坏形态,分析了取代率对次轻页岩集料混凝土力学性能指标的影响规律。建立了次轻页岩集料混凝土弹性模量、轴心抗压强度与立方体抗压强度换算关系、拉压比与泊松比关系等计算模型。研究结果表明:随着碎石、河砂取代率的增加,次轻页岩集料混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度逐渐增大,弹性模量逐渐增大;石轻混凝土的泊松比呈先减小后增大的变化规律;砂轻混凝土的泊松比则逐渐减小。通过引入取代率影响参数,所建立的计算模型简单实用,计算精度良好。     

基于巴西劈裂法的饱水煤样能量耗散特征研究

为研究饱水煤样拉伸破坏过程中的能量耗散规律,利用RMT-150B岩石力学实验系统对赵固二矿二1煤层煤样在自然和饱水状态下进行巴西圆盘劈裂实验,探讨了自然与饱水状态下煤样的应力、强度及能量变化。结果表明:巴西劈裂实验时,加载过程应力-时间关系与实验控制方式有关。采用载荷控制方式时,峰值前拉应力与时间呈良好线性关系,达到峰值时应力瞬间跌落为零,表现出明显脆性破坏特征;采用变形控制方式时峰值前拉应力与时间呈非线性关系,峰值后出现分次破坏特征;采用两种控制方式在巴西圆盘劈裂实验破坏前没有本质区别;两种状态下不同层位煤样抗拉强度和峰值能率存在差异,自然状态下层位煤样抗拉强度较高(1.80MPa),中层位煤样抗拉强度较低(1.23MPa),上层位煤样抗拉强度介于两者之间(1.52MPa),饱水后上中下层位煤样的抗拉强度和峰值能率均有不同程度降低,抗拉强度平均软化系数分别为0.65,0.61和0.61,平均峰值能率降幅为36.0%,56.1%和40.6%;两种状态下煤样抗拉强度与峰值能率大致呈线性关系,表明抗拉强度越高的煤样,能量耗散越少,煤样抗拉强度越低,能量耗散越多。     

含水状态对砂岩劈裂抗拉力学特性影响研究

为了研究含水状态对岩石劈裂抗拉强度的影响效应和机理,设计进行了0.00%、33.33%、48.15%、62.96%、77.78%、85.19%、100.00%,7种含水饱和度的砂岩圆盘劈裂试验,对劈裂面进行了微观形貌扫描分析。结果表明:(1)砂岩的抗拉强度随着含水饱和度的增大明显下降,总体呈现先陡后缓的趋势,含水饱和度大于60%之后,抗拉强度下降趋势趋于缓慢;(2)随着含水饱和度的增加,破裂面的平整度逐渐变差,加载钢丝处的局部破坏现象逐渐严重;(3)随着含水饱和度的增大,劈裂面表面形貌的高度起伏、波动程度、表面粗糙程度和偏离基准面程度均逐渐增加,形貌参数增大幅度呈现先陡后缓的趋势,在含水饱和度大于60%之后,增长趋势逐渐变得缓慢;(4)随着含水饱和度的增加,矿物颗粒间的连接明显减弱,加之孔隙水压力作用,使劈裂面沿薄弱面发展,从而导致劈裂面高度参数、纹理参数逐渐增大,宏观上表现为劈裂面平整度、粗糙度增大,抗拉强度下降。研究成果可为含水状态下岩石物理力学特性的劣化机理分析提供参考。     

基于巴西劈裂试验的岩石声发射特性及断口特征分析

为综合研究岩石在拉伸状态下的破裂机理,对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验,采用PCI-2声发射仪采集试样破裂全过程的声发射信号,利用扫描电镜研究试样断口的微观结构,并探讨了岩石破裂声发射信号与断口微观特征之间的关系。试验结果表明:岩石破裂声发射信号的特征与断口微观特征可联合表征岩石在劈裂荷载下的破坏机理。在劈裂荷载下,岩石破裂产生的声发射信号的累计振铃计数呈稳定增长期、突增期、平静期3个阶段,且峰值频率呈带状分布,分别集中于0~50kHz,100~150kHz及300kHz上下3个频率段;岩石断口微观特征为典型的脆性拉伸断口样貌,且断口花样的复杂程度与振铃计数率呈正相关,断口破裂尺度与峰值频率呈负相关。     

拉格朗日元与虚拟裂缝模型耦合方法及准脆性材料拉伸试验模拟

利用自主开发的拉格朗日元与虚拟裂缝模型耦合的连续-非连续方法,模拟了拉伸位移控制加载条件下正方形岩样的变形-开裂过程,推导了位移控制加载条件下矩形岩样的载荷-位移曲线峰后斜率的解析式,其依赖于岩样的几何尺寸和力学参数(弹性模量、泊松比、抗拉强度和断裂能),还模拟了压缩位移控制加载条件下巴西圆盘岩样的变形-开裂过程。结果表明:对于正方形岩样,随着加载的进行,最大主应力分布较为均匀,呈先上升后下降趋势,直至真实裂缝出现;岩样端部的载荷、允许开裂位置上节点的法向力和法向张开度随时间或时步数目的演变规律均呈现3个相对应的阶段;不同网格尺寸的结果基本不具有网格依赖性。对于圆盘岩样,无论网格疏密,裂缝带均由圆盘中心向圆盘两端扩展,直至贯穿圆盘;随着单元数目的增加,裂缝带宽度有减小趋势;网格疏密对计算得到的抗拉强度几乎没有影响。     

岩石断裂尺寸效应测试装置研制及实验研究

面向岩石断裂尺寸效应研究的实验装置需求,针对现有技术中三点弯曲装置对多组尺寸岩石试件适应性差、最小跨距的测试量程不足等问题,研制了一种可灵活用于岩石断裂尺寸效应测试的三点弯曲装置。装置采用“两体分离式”的设计,三种不同型号的滚子与压头体、支座体配合使用,有效避免了不同尺寸试件采用同一直径滚子测试带来的实验精度问题;同时,装置实现了4mm~100mm不同实验跨距的设置,可同时满足尺寸变化较大的多组试件开展断裂测试。借助该装置开展了页岩三点弯曲断裂尺寸效应测试,并利用ABAQUS软件进行了相关数值计算。获得了不同尺寸页岩试件的Ⅰ型表观断裂韧度、名义强度等断裂参数,结果显示:尺寸对页岩的Ⅰ型表观断裂韧度和名义强度有显著影响。实验计算值与Bazant提出的尺度律模型(SEL)对比,结果吻合良好,借助SEL曲线可对页岩的断裂强度进行有效预测,同时表明该装置具有实验高效、高精准性等优点。     

基于微米力学实验的页岩I型断裂韧度表征

页岩断裂韧度($K_{IC})$是页岩气储层水力压裂设计的基础参数之一,由于组成的非均质性,常规宏观力学测量方法存在制样困难、力学解释参数不连续、精度偏低等问题. 如何及时获取页岩的断裂特性,确保安全高效的工程施工,是当前面临的一大问题. 因此,提出了基于微米力学实验的页岩Ⅰ型断裂韧度分析方法,可用于页岩微裂纹起裂、发育直至形成宏观裂纹的机理研究,进行页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测. 基于页岩多尺度组成分析,开展了维氏压头和玻氏压头的页岩微米力学实验,分析了页岩残余压痕与压头间的相似关系、有效测试载荷以及压头参数的优化与选择. 分析了不同压入载荷下的页岩细观断裂韧度分布特征,开展了宏观巴西圆盘实验,验证页岩微米力学测试方法的适用性. 研究结果表明,在有效载荷范围内的页岩细观Ⅰ型断裂韧度波动性较小,当压入载荷过大时,由于岩样压痕区域出现局部剥落导致断裂韧度测量值偏小. 与宏观实验的比对分析显示,微米力学实验的$K_{IC}$平均值为0.86 MPa$\cdot \sqrt{m}$,直槽切缝巴西圆盘实验得到的$K_{IC}$平均值为0.92 MPa$\cdot \sqrt{m}$,两类方法的统计平均值较为接近,页岩局部组成的非均质性使得微米力学测量结果较宏观测试更为分散. 研究结果可用于页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测,为有效解决页岩气储层水力压裂参数评价提供新的思路和方法.      

岩石动态断裂韧度的尺寸效应

采用两种圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(一种为直径分别为42、80、122、155 mm的几何相似试件,另一种为直径80 mm、仅裂缝长度不同的单一尺寸试件)对岩石动态断裂韧度的尺寸效应进行了研究。给出了在霍普金森压杆系统上对试件进行径向撞击产生的应变波形和断裂模式。实验结果表明,对于几何相似试件,动态断裂韧度的测试值随着尺寸的增大而增大,而对于单一尺寸试件,其测试值随着中心裂缝长度的增加呈现先增大后减小的趋势。裂缝前端的断裂过程区长度和孕育时间是岩石动态断裂韧度测试值表现为尺寸效应的主要原因,为了减小尺寸效应,建立了考虑这两个参数在空间-时间域对动态应力强度因子的分布进行积分后再平均来确定岩石动态断裂韧度的方法。     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。