X-ray micro-computed tomography study of the propagation of cracks in shale during uniaxial compression

An understanding of crack propagation is critical for the development of rock mechanic models. To study the propagation of internal cracks in situ and determine their formation mechanism, a series of uniaxial compression tests on shale specimens were conducted using a novel setup that combines X-ray micro-computed tomography (X-ray micro-CT) with a uniaxial loading apparatus, which allows CT scans to be performed during compression. Macro- and micro-scale internal cracks were extracted from CT images collected after various stages of deformation through image thresholding segmentation, providing a record of the evolution of damage within the specimens, characterized by crack closure, generation, growth, and penetration. In addition, macroscopic cracks with two distinct orientations were observed and their formation mechanism was further determined. Furthermore, test results show that the distribution of pyrite grains influences the formation of cracks at the meso- and macro-scales. These results are significant for understanding crack propagation and the failure of shale.     

Quantitative analysis of meso-damage evolution for shale under in situ uniaxial compression conditions

In order to investigate the meso-damage evolution of shale, four uniaxial compressive tests were conducted using X-ray micro-computed tomography (micro-CT) equipment. Two of the four samples were conducted the in situ compression tests, from which a series of CT images at different stress levels were got during the loading process. Based on those CT images, a new damage variable was first proposed to quantitatively analyze the damage evolution of shale under uniaxial compression condition. Analysis results show that the evolution of the damage variable is consistent with both the mesoscopic CT images and the macroscopic stress–strain, which can well characterize the meso-damage evolution of shale. Additionally, the parameters of crack area and crack length were obtained to quantitatively describe the cracking characteristics. The statistical results demonstrate that the distributions of crack are closely related to the scanning stress levels and the scanning elevations. These quantitative conclusions are important to understand the meso-damage evolution and the cracking mechanism of shale.     

三轴条件下软岩变形破坏过程的CT图像分析

采用X射线CT方法对一种软弱粉砂岩在三轴压缩条件下的变形破坏过程进行了实时观测,获得系列CT图像。软岩破裂成核现象在远离强度峰值前发生,完整岩石试件裂纹从外向内传播,裂纹演化基本方式表现为扩张和扩展的交替性。软岩屈服现象的本质是CT尺度裂纹演化,裂纹演化是软岩在峰值强度前的主要细观过程。      

单轴压缩载荷作用下双裂隙扩展的CT扫描试验

由于精选后的陶瓷材料与岩石性质相似,因此选择陶瓷作为基本材料制作中部含2条圆币状裂隙的试件,进行单轴压缩荷载作用下的CT实时扫描试验,研究试件内双裂隙的扩展和损伤演化规律。采用3种不同区域划分方案,通过CT数、CT方差和CT图像的对比,分析上、下裂隙及岩桥区域不同的扩展状况。分析表明,上裂隙区域一直以压密为主,扩展很小,对试件破坏影响较小;下裂隙区域扩展剧烈,最终形成了宏观裂纹,对试件的破坏影响较大;当上下裂隙之间的中心距离等于4倍的裂隙半径时,裂隙的扩展过程将与裂隙自身参数有关,几乎看不出裂隙之间的相互作用。     

炭质页岩巴西劈裂载荷下破坏过程的时空特征研究

页岩在加载过程中的破裂时机及其空间位置研究对于页岩气探测及储层评价具有重要意义,为此开展了不同层理倾角条件下页岩的巴西圆盘劈裂载荷下的破坏过程试验,采用数字图像相关技术（DIC）,全程跟踪页岩裂纹萌生、扩展和贯通全过程的变形场实时演化特征,同时记录力-位移曲线,利用扫描电镜获得炭质页岩的破裂面特征及微观结构,采用宏、细观相结合的手段,研究不同层理方向炭质页岩微裂缝起裂时间、空间位置和扩展规律及其破裂机制。结果表明：页岩的巴西劈裂强度随层理方向与加载方向角度的增大而逐渐增大;随加载方向与层理面夹角的增加,裂缝萌生的时间逐渐增加,而裂缝从萌生、扩展到贯通所用时间逐渐减少。所有角度试件基本从试件端部萌生裂缝并沿层理面扩展,除90°试件外,不同层理倾角试样主裂缝破裂的位置逐渐偏离中心位置而向试件外侧发展。各角度试件主破坏类型存在一定差异性,除90°试件竖向主裂缝为张拉破坏外,随加载方向与层理面夹角的增加,各加载角度试件的主破裂模式从张拉剪切破坏逐渐过渡为剪切滑移破坏。     

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角（0°～90°）预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术（3D-DIC）获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下：（1）裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;（2）声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;（3）结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63～0.94、归一化损伤应力的范围为0.83～0.99;（4）预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。     

水压影响岩石渐进破裂过程的试验研究

岩石的压缩过程伴随着裂纹扩展,在低、中围压条件下扩展的裂纹主要受到张拉作用而产生,张拉破坏是首要的作用机制。研究发现,岩石的渐进破裂过程受岩石的结构和构造影响,比如矿物成分、颗粒大小以及胶结情况等,另外,围压以及开挖扰动等外界因素对岩石的渐进破裂过程也有重要影响。基于试验方法探讨水压对岩石渐进破坏过程的影响,首先,阐述岩石渐进破裂过程各个阶段的特征;然后,对岩石渐进破裂指标--岩石的启裂强度 和损伤强度 的确定方法进行总结;最后,选取细粒的石英砂岩为研究对象,通过试验研究水压对岩石渐进破坏过程的影响。试验结果表明,相同围压条件下,随着岩样两端水压的增大,岩石的 有逐渐增大的趋势,而岩石的 和峰值强度 逐渐变小;随着围压逐渐增大,岩石的启裂强度 、损伤强度 及峰值强度 均逐渐增大。     

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟与CT试验验证

在混凝土细观损伤的CT试验基础上,以密度损伤（CT数变化）变量为基础,建立了混凝土分段损伤演化方程,以此进行了混凝土试件单轴受压的细观损伤数值模拟。并从混凝土破坏图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟结果与CT试验结果,结果表明,试件破坏时裂纹扩展过程与CT观测到的相似,实现了将细观密度损伤（CT数变化）与试件的宏观力学性能的劣化相联系,为改进试验设计提供了力学依据,并使在可靠和有效的前提下用数值方法取代部分试验成为可 能。     

交叉裂隙岩体裂纹扩展试验及混合有限-离散元数值模拟研究

对预制交叉裂隙岩石试样进行裂纹扩展试验,研究了裂纹萌生、扩展、聚合过程,分析了主裂隙和轴向载荷夹角及主次裂隙夹角对裂纹起裂应力和聚合应力的影响,并用混合有限元-离散元程序,即图形处理器并行化的3D Y-HFDEM代码对试验进行了仿真计算,实现了岩石破坏从连续介质向非连续介质的过渡,对裂纹类及损伤破坏模式进行了识别,捕捉到了试验中难以发现的现象。研究表明：随主裂隙与轴向载荷夹角增加,裂纹聚合区的拉伸裂纹数量增加;裂纹起裂和聚合应力与主裂隙与轴向载荷夹角成正比;主次裂隙夹角增加,岩石的破坏模式由拉伸破坏转为剪切破坏,交叉裂隙加剧岩石破碎程度;主裂隙尖端萌生扩展的拉伸-剪切混合裂缝引起的破坏在岩石破坏中占主导地位,是导致岩体失去承载能力的主控裂纹;混合有限元-离散元仿真软件GPGPU并行化的3D Y-HFDEM IDE在岩石裂纹扩展研究中具有优势,可以捕捉实验室难以发现的损伤断裂类型,可以作为岩石裂纹扩展研究的有力工具。     

冻结红砂岩单轴损伤破坏CT实时试验研究

为探究冻结岩石的宏观力学特性及损伤演化机理,对20、?5、?10 ℃红砂岩进行单轴加载CT实时扫描,获得各扫描层的CT扫描图像。利用Matlab自编程序生成灰度直方图和二值图像,基于CT数H值正比于密度的关系定义岩样扫描层的安全区、损伤区、破坏区,结合温度效应、水的软化作用及冰的冻胀力对岩样的影响,定量地研究冻结岩石的损伤破坏演化规律。试验研究表明,(1) 温度由20 ℃降至?5、?10 ℃时未冻水含量减少而冻结冰含量增加,岩样强度增大、抗变形能力提高、整体稳定性提高,CT图像呈现出岩样裂纹尺寸发展减慢、损坏程度减弱的规律;(2) 不同温度下岩石单轴加载的损伤演化经历了裂隙萌生、闭合、延伸、汇集及形成宏观主裂纹的阶段,岩样变形增大发生破坏;(3) 由于端部效应,中间较两端扫描层的损伤程度高,外侧较内侧扫描层先发生损伤,损伤边缘化并向内部扩展。     

基于CT-CA的天然裂隙岩石受拉破坏特性研究

岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明:(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓慢减少再迅速增加,但对岩样耗散能影响不大。     

裂隙岩石单轴压缩损伤扩展细观机理CT分析初探

完成了单一裂纹的裂隙砂岩单轴压缩条件下细观损伤破坏机理CT实时试验,得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像、CT数和CT数方差。结果表明,与无预制裂隙的岩石试样相比,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响,预制裂纹的存在导致裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量。     

北山花岗岩热破裂室内模拟试验研究

岩石热破裂是高放废物地质处置工程中需深入研究的课题。对我国高放废物重点预选场址甘肃北山的花岗岩开展室内热破裂模拟试验研究,采用多通道温度测试仪、声发射、波速层析成像和数码显微镜等手段研究了该花岗岩热破裂过程。试验表明,（1）热破裂从试件端部开始产生,逐步向内缓慢扩展,表现出分段性和独立性;（2）根据声发射撞击率可将热破裂可分为稳定热损伤、宏观裂纹形成、宏观裂纹扩展、裂纹冷却闭合4个阶段,声发射定位的时空演化规律清楚地揭示了裂纹从试件上端部向内部扩展的规律;（3）波速层析成像指示了宏观裂纹位置及高温对岩石造成显著损伤的区域,热应力产生的损伤集中在试件边界,范围小,损伤严重,高温造成的损伤集中在钻孔附近高温区,范围较大,损伤略轻微;（4）监测多通道温度,获得了试件内的温度场并为数值模拟参数选取提供验证,采用有限元程序进行了热力耦合数值模拟,从机制上初步解释了热破裂现象,研究认为综合声发射实时监测热破裂过程和波速层析成像能实现对热损伤的量化的特性可实现岩石热破裂的动态监测和损伤量化,为今后地下实验室相关试验的开展和认识高放废物处置长期稳定性做了有意义的探索。     

节理岩石卸载损伤破坏过程CT实时检测

在国内外首次利用CT专用岩石三轴试验加载设备,完成了单一裂纹岩石卸围压应力作用下损伤破坏全过程CT实时监测试验,得到了非常清晰的节理岩石卸围压破坏全过程中从裂纹发展、贯通到破坏等各个阶段的CT图像。结果表明,节理岩石的卸载破坏具有突发性。     

Fatigue-Damage Evolution Characteristics of Interbeded Marble Subjected to Dynamic Uniaxial Cyclic Loads

In this work, uniaxial fatigue tests combined with post-test X-ray computed tomography (CT) scanning were conducted on marble samples with different interbed orientations, in order to reveal the anisotropic damage evolution characteristics during rock failure. The dynamic elastic modulus, damping ratio, fatigue deformation, damage evolution, accumulative damage modeling and crack pattern were systematically analyzed. The testing results indicate that the interbed structure in marble affects the damage evolution and the associated dynamic mechanical behaviors. The damage curve in “S” style indicates three-stage trend, namely, initial damage stage, steady damage stage and the accelerated damage stage. The damage index during cyclic deformation for marble presents obvious discrepancy. In addition, a fatigue damage prediction models was employed numerically as double-term power equations based on the experimental data. It is found that the selected damage model is suitable in modeling the rapid damage growth in the early and final stage of rock fatigue lifetime. Moreover, post-test CT scanning further reveals the anisotropic damage characteristics of marble, the crack pattern in the fractured sample is controlled by the interbed structure. What is more, the most striking founding is that the fracture degree is in consistent with the damage accumulation within the steady damage stage. Through a series of damage mechanical behavior analysis, the internal mechanism of the effect of interbed orientation on damage evolution of marble is firstly documented.

     

使用相对熵研究花岗岩的损伤演化特征

岩石试件表面的视频图像可作为试件表面变形破坏的信息载体。为从试验视频图像中分析出定量的信息,文章提出一种描述岩石损伤演化的新方法:计算基准图像与对比图像的相对熵,用相对熵表征变形和破裂的发展,将相对熵明显上升阶段的起点作为试件损伤演化的启动时刻。根据花岗岩试件室内单轴压缩试验拍摄的试验视频,使用灰度分界阈值分割法得到了试件各细观组分的分布,使用相对熵表征试件中不同位置、不同组分的损伤演化特征,分析了试件全局区域的损伤演化阶段,探讨了损伤演化过程与组分类型、位置之间的关系。结果表明:试件损伤从试件中部开始,先扩展至左下,再扩展至右上;组分损伤的先后顺序为长石、石英、黑云母,且损伤大小顺序为石英＞长石＞黑云母;黑云母损伤从右上开始、然后扩展至中部,石英损伤从中部开始、先后扩展至左下和右上部位,长石损伤从上部开始、先后扩展至中部和下部。     

三轴压缩试验前后含气页岩微纳尺度裂隙空间分布特征研究

含气页岩受力后裂隙扩展分布方式与矿物之间的关系研究对页岩气勘探开采具有重要指示意义,但受制于前期仪器设备水平的不足,目前相关研究较少。本文以四川盆地志留纪龙马溪组页岩为例,分别选择三轴压缩试验前后的天然样和压缩样进行氩离子抛光,借助高性能场扫描电镜和能谱仪进行矿物晶体和微纳尺度的裂纹观察（分别设定扫描电镜像素大小10 nm和1 μm,观察面积设为1 mm）,结合空间统计分析技术,进行三轴压缩试验前后含气页岩微纳尺度裂隙空间分布特征及其与矿物组成的相关关系进行分析研究。研究表明,三轴压缩试验前后,样品内微纳尺度裂隙的空间分布均符合幂律分布,具有一定的自仿射性和层次结构性。但是不同矿物（石英、长石、碳酸盐、黏土等）在受压前后产生的微观裂隙分布特征值（D、logC）变化方式存在显著差异,反映了不同矿物的力学响应特征和机制的不同以及不同矿物对页岩压裂造缝的贡献作用的不同。脆性矿物中的长石、碳酸盐矿物组成以及脆性矿物与黏土矿物的相互作用可能对页岩缝网改造中起着较为重要的作用。不同矿物压缩前后的破坏模式总体存在从张性破坏到剪性破坏的转变过程,然而不同矿物类型在压缩前后裂隙展布形态特征及力学机制有很大不同,特别是碳酸盐类和黏土类矿物变化最为显著,容易形成较复杂的缝网,并存在复杂应力状态主导的多种不同力学机制裂纹共存的现象,在研究时需要考虑页岩复杂矿物构成和结构导致的破裂过程的不确定性等因素。     

适于CT试验的动态加载设备研制及其应用

研制了与医用CT配套的便携式实时动态加载设备。该设备由加载主机、作动器、数字测控器3部分组成,拉、压最大出力为100 kN,频率为5 Hz,可以进行冲击、三角波、正弦波下动态拉、压试验。同时,利用新研制的加载设备对一级配混凝土进行了正弦波压缩荷载条件下的CT试验,获得了清晰的混凝土试件在动荷载作用下裂纹的开裂、扩展、贯通的全过程CT图像,结果表明所研制的加载设备为混凝土类脆性材料的动力CT试验奠定了基础。     

Computational model coupling mode II discrete fracture propagation with continuum damage zone evolution

We propose a numerical method that couples a cohesive zone model (CZM) and a finite element‐based continuum damage mechanics (CDM) model. The CZM represents a mode II macro‐fracture, and CDM finite elements (FE) represent the damage zone of the CZM. The coupled CZM/CDM model can capture the flow of energy that takes place between the bulk material that forms the matrix and the macroscopic fracture surfaces. The CDM model, which does not account for micro‐crack interaction, is calibrated against triaxial compression tests performed on Bakken shale, so as to reproduce the stress/strain curve before the failure peak. Based on a comparison with Kachanov's micro‐mechanical model, we confirm that the critical micro‐crack density value equal to 0.3 reflects the point at which crack interaction cannot be neglected. The CZM is assigned a pure mode II cohesive law that accounts for the dependence of the shear strength and energy release rate on confining pressure. The cohesive shear strength of the CZM is calibrated by calculating the shear stress necessary to reach a CDM damage of 0.3 during a direct shear test. We find that the shear cohesive strength of the CZM depends linearly on the confining pressure. Triaxial compression tests are simulated, in which the shale sample is modeled as an FE CDM continuum that contains a predefined thin cohesive zone representing the idealized shear fracture plane. The shear energy release rate of the CZM is fitted in order to match to the post‐peak stress/strain curves obtained during experimental tests performed on Bakken shale. We find that the energy release rate depends linearly on the shear cohesive strength. We then use the calibrated shale rheology to simulate the propagation of a meter‐scale mode II fracture. Under low confining pressure, the macroscopic crack (CZM) and its damaged zone (CDM) propagate simultaneously (i.e., during the same loading increments). Under high confining pressure, the fracture propagates in slip‐friction, that is, the debonding of the cohesive zone alternates with the propagation of continuum damage. The computational method is applicable to a range of geological injection problems including hydraulic fracturing and fluid storage and should be further enhanced by the addition of mode I and mixed mode (I+II+III) propagation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

冻融温变速率对岩石受载特性的影响规律

以贺兰山岩画、云冈石窟等中常见的硅质胶结砂岩为研究对象,对不同温变速率冻融后岩样进行称重、超声波测试和单轴压缩试验,探究了冻融后岩石物理力学性质随冻融温变速率的变化规律;根据冻融后岩石受载过程中的声发射和微震特征,揭示了温变速率对冻融后岩石内部不同尺度裂纹扩展的影响规律及其内在机制。研究表明：（1）随着温变速率增加,岩样冻融后的微裂纹增多,颗粒间联结强度减弱,峰值强度、弹性模量降低,破坏应变及损伤参量D_e、D_v增大;（2）冻融岩石受载过程中,微裂纹具有“初始压密―扩展孕育―急速扩展”的演化特征,宏观裂纹演化过程可分为“匀速扩展－急速扩展”两个阶段,其中宏观裂纹的急速扩展阶段还呈现出“孕育－扩展－再孕育－再扩展”的波浪式发展特点;温变速率越大,冻融后岩石受载过程中的微裂纹、宏观裂纹扩展越快,且更易于进入急速扩展阶段;当温变速率增大到一定数值后,微裂纹、宏观裂纹从加载开始即以较高速率扩展,直至岩样破坏;（3）微裂纹孕育阶段和加载全过程的声发射振铃相对增长速率,以及宏观裂纹匀速扩展阶段的相对时长、微震振铃相对增长速率均与损伤参量D_e、D_v具有较好的拟合关系,能够反映冻融循环对岩石的初始损伤作用;（4）冻胀力随温变速率增加而增大,导致不同温变速率冻融后岩样的初始损伤不同,这是引起冻融后岩石受载过程中裂纹扩展、声震特性出现显著差异的内在原因。