中心直裂纹半圆盘试样的石灰岩断裂韧度尺寸效应试验研究

为了考察试样尺寸和预制裂缝长度对岩石断裂韧度测试值的影响,采用4种圆盘半径分别为25.0、37.5、50.0、75.0 mm,预制裂缝长度与圆盘试样半径比值(无量纲裂缝长度)在0.3～0.7范围内的中心直裂纹半圆盘石灰岩试样(NSCB)进行了三点弯曲断裂试验。结果表明:NSCB试样的破坏过程表现出明显的"脆性"破坏特征。与预制裂缝长度相比,试样尺寸对峰值载荷和载荷-位移曲线的形态影响更显著;随着试样尺寸的增加,试样的断裂韧度测试值不断增加,增加幅度随着预制裂缝长度的增加而加剧;当试样尺寸一定时,随着无量纲裂缝长度的增加,断裂韧度测试值有一定程度降低;为减小尺寸效应的影响,建议采用圆盘半径大于37.5 mm,无量纲预制裂缝长度范围在0.4～0.6内的NSCB试样测试岩石的断裂韧度。所得结果为推广NSCB试样国际建议方法及准确测试岩石的断裂韧度提供了一定的参考。     

采用NSCB试样进行石灰岩断裂韧度尺寸效应的试验研究

为了考察试样尺寸和预制裂缝长度对岩石断裂韧度测试值的影响,采用四种圆盘半径分别为25mm、37.5mm、50mm、75mm,预制裂缝长度与圆盘试样半径比值(无量纲裂缝长度)在0.3～0.7范围内的中心直裂纹半圆盘石灰岩试样(NSCB)进行了三点弯曲断裂试验。结果表明:NSCB试样的破坏过程表现出明显的“脆性”破坏特征,与预制裂缝长度相比,试样尺寸对峰值载荷和载荷-变形曲线的形态影响更显著;随着试样尺寸的增加,试样的断裂韧度测试值不断增加,增加幅度随着预制裂缝长度的增加而“加剧”;当试样尺寸一定时,随着无量纲裂缝长度的增加,断裂韧度测试值有一定程度降低;为减小尺寸效应的影响,建议采用圆盘半径大于37.5mm,无量纲预制裂缝长度范围在0.4～0.6内的NSCB试样测试岩石的断裂韧度。所得结果为推广NSCB试样国际建议方法及准确测试岩石的断裂韧度提供了一定的参考。     

采用NSCB试样进行石灰岩断裂韧度尺寸效应的试验研究

为了考察试样尺寸和预制裂缝长度对岩石断裂韧度测试值的影响,采用四种圆盘半径分别为25mm、37.5mm、50mm、75mm,预制裂缝长度与圆盘试样半径比值(无量纲裂缝长度)在0.3～0.7范围内的中心直裂纹半圆盘石灰岩试样(NSCB)进行了三点弯曲断裂试验。结果表明:NSCB试样的破坏过程表现出明显的“脆性”破坏特征,与预制裂缝长度相比,试样尺寸对峰值载荷和载荷-变形曲线的形态影响更显著;随着试样尺寸的增加,试样的断裂韧度测试值不断增加,增加幅度随着预制裂缝长度的增加而“加剧”;当试样尺寸一定时,随着无量纲裂缝长度的增加,断裂韧度测试值有一定程度降低;为减小尺寸效应的影响,建议采用圆盘半径大于37.5mm,无量纲预制裂缝长度范围在0.4～0.6内的NSCB试样测试岩石的断裂韧度。所得结果为推广NSCB试样国际建议方法及准确测试岩石的断裂韧度提供了一定的参考。     

采用NSCB试样进行石灰岩断裂韧度尺寸效应的试验研究

为了考察试样尺寸和预制裂缝长度对岩石断裂韧度测试值的影响,采用四种圆盘半径分别为25mm、37.5mm、50mm、75mm,预制裂缝长度与圆盘试样半径比值(无量纲裂缝长度)在0.3～0.7范围内的中心直裂纹半圆盘石灰岩试样(NSCB)进行了三点弯曲断裂试验。结果表明:NSCB试样的破坏过程表现出明显的“脆性”破坏特征,与预制裂缝长度相比,试样尺寸对峰值载荷和载荷-变形曲线的形态影响更显著;随着试样尺寸的增加,试样的断裂韧度测试值不断增加,增加幅度随着预制裂缝长度的增加而“加剧”;当试样尺寸一定时,随着无量纲裂缝长度的增加,断裂韧度测试值有一定程度降低;为减小尺寸效应的影响,建议采用圆盘半径大于37.5mm,无量纲预制裂缝长度范围在0.4～0.6内的NSCB试样测试岩石的断裂韧度。所得结果为推广NSCB试样国际建议方法及准确测试岩石的断裂韧度提供了一定的参考。     

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。     

不同预制裂缝方法及长度对岩石三点弯曲试验的影响

为选择岩石三点弯曲试验合适的预制裂缝方法和裂缝长度以获得相对准确可靠的岩石I型断裂韧度K_(IC),并了解岩石三点弯曲宏观断裂过程和细观断裂特征,采用线切割、锯片切割和水刀切割3种方法预制花岗岩和大理岩三点弯曲梁试样直切槽裂缝,以研究不同预制裂缝方法对岩石K_(IC)的影响,结合场发射扫描电镜比较了不同切割方法岩样的细观断裂特征,试验结果表明线切割方法对岩石K_(IC)测试结果的影响最小。另对含无量纲裂缝长度0.1、0.2、0.3、0.4和0.5的花岗岩及大理岩试样进行试验测得岩石K_(IC)随裂缝长度增加呈先增大后减小的趋势,建议使用a=0.3的裂缝长度进行试验以得到有代表性的岩石K_(IC)值。岩样破坏宏观上经历变形局部化带萌生、局部化带发展、裂纹起裂、最终扩展断裂的过程,声发射过程显示岩样破坏的脆性特征明显,裂缝开口位移与声发射累计曲线趋势一致,可视为试样内部破坏发展过程的宏观表征。     

岩石断裂韧度CCNSCB方法渐进破坏机制与无量纲应力强度因子宽范围标定

国际岩石力学学会建议了4种岩石I型断裂韧度（KIC）测试方法。将建议方法的人字形切槽巴西圆盘试样与直切槽半圆盘试样结合,可以得到具有诸多优点的人字形切槽半圆盘（CCNSCB）三点弯曲试样。近年来,CCNSCB方法受到许多关注,然而,其渐进破坏过程却尚未进行有效的评估。为此,对其进行了数值研究,其内容包括：进行细观损伤力学模拟,直观展现CCNSCB试样渐进断裂过程;考虑不同支撑跨距与直径之比（ ）的影响,发现 愈大,愈加符合测试原理,建议 取0.8;采用有限元子模型技术对CCNSCB方法（ 0.8）中计算KIC的关键参数-临界无量纲应力强度因子（ ）进行了宽范围标定,可供相关研究直接查取;细观损伤力学模拟峰值力对应的临界裂纹与有限元标定 对应的临界裂纹较为一致,证明CCNSCB方法测试原理的合理性,以及数值模拟与 标定结果的有效性。     

用5种圆盘试件的劈裂试验确定岩石断裂韧度

用5种不同形状的圆盘试件测定了大理岩张开型断裂韧度。5种圆盘试件分别为平台巴西圆盘、带有中心圆孔的平台巴西圆盘、人字型切槽巴西圆盘、直切槽巴西圆盘和圆孔切槽平台巴西圆盘。加载模式是对径压缩劈裂。介绍了试件的制作方法,提出了用每种圆盘确定断裂韧度的公式。结果表明,含有切槽圆盘的断裂韧度值在0.78～0.91 MPa•m1/2之间,不含切槽圆盘测得的值在1.01～1.04 MPa•m1/2之间。有3种含有切槽圆盘测得的断裂韧度值比较稳定,其中孔槽式平台巴西圆盘能够制作理想的宽度较小的切槽。     

CO2-水作用对层状页岩拉伸破坏影响的微观损伤研究

CO₂压裂页岩储层时CO₂-水作用损伤页岩微观结构,改变拉伸破坏特征与裂缝扩展模式。为研究CO₂-水影响层状页岩拉伸破坏的微观损伤原因,设计了矿物含量测定、扫描电镜观察与巴西劈裂试验,对CO₂-水作用前后龙马溪与长7段页岩试件的微观损伤、破坏特征与裂缝扩展进行研究。结果表明：CO₂-水对层理的微观损伤作用较基质显著,层理黏土矿物脱水而体积减小,有机质被萃取收缩,纹层内产生沿层理分布的大尺寸(长度为10～30μm,开度为1～5μm)微裂缝,基质碳酸盐、长石等矿物被溶蚀,产生随机分布的小尺寸(长度小于1μm,开度小于0.5μm)微裂纹;CO₂-水作用后页岩抗拉强度降低且各向异性增强,破坏模式变为拉剪混合破坏,垂直层理加载试件的剪切作用更强;CO₂-水作用后层理对裂缝扩展的影响更大,垂直层理加载裂缝延伸被层理限制,裂缝沿层理方向水平扩展,平行加载裂缝扩展轨迹受层理约束,裂缝仅在层理扩展。     

粘性土体断裂韧度KIC研究

本文提出了利用矩形横截面单侧开缝土试件测定粘性土体断裂韧度K_(IC)的方法,并通过对黄河小浪底水利枢纽工程粘性土试样的K_(IC)值测定,研究了粘性土的干容重、含水量变化对K_(IC)的影响。     

V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度KIC的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论：（1）该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径（75 mm）的试样测试结果更为稳定;（2）CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力（间接拉伸）作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;（3）V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。     

循环荷载下含层理页岩渗透特性试验研究

深入理解含层理以及含宏观裂缝页岩在循环荷载扰动下渗透率的演化规律,对于页岩气隧道安全施工而言意义重大。利用GCTS岩石力学测试系统对含轴向层理及轴向宏观裂缝页岩试件在循环轴向应力和循环围压下渗透率的演化规律开展相关试验研究。结果表明：含轴向层理页岩试件渗透率随轴向应力的加载和卸载基本不发生明显改变,而随围压增加以负指数的形式下降,随围压的减小以指数的形式增加;含宏观裂缝页岩试件的渗透率随轴向应力的加、卸载近似以线性形式降低和增加,而随围压的增大以负指数形式下降,随围压的减小以指数形式增加;含轴向裂缝页岩试件的渗透率相较含轴向层理页岩试件而言有大幅提升,其二者比值约为9倍左右;页岩试件对围压的敏感性约为轴向应力的26倍;试件渗透率几乎不随轴向应力循环次数发生明显改变,而随围压循环次数的增加呈负指数式下降,且其降幅主要集中在第1循环阶段内。研究成果可对页岩气隧道的安全施工提供一定的理论支撑。     

考虑层理影响页岩巴西劈裂及声发射试验研究

基于不同层理角度的页岩巴西劈裂试验,利用高速摄像系统和声发射系统,对页岩力学特性、裂纹扩展及声发射特征的层理效应进行了深入研究。结果表明：（1）页岩巴西劈裂破坏过程可以分为压密、弹性和破坏3个阶段;（2）页岩抗拉强度、劈裂模量和应力峰值时变形的各向异性特征明显,层理角度 30°时,层理效应最为明显, 90°时影响最小;（3） 0°和 15°时试样的裂纹破坏面基本是沿着层理面, 30°时裂纹面交切层理面,与加载基线面重合, 45°～90°的各试样的断裂面呈不同程度的偏离加载基线面,为弧面或曲面;（4） 30°和 45°为破坏机制转化角,其中 30°为沿着层理面压致性张拉开裂转化为交切层理面开裂的转化角, 45°为交切层理面开裂转化为交切层理面且沿着层理面不同程度的剪切滑移开裂的转化角;（5）声发射活动性和能量释放随层理角度的增加而加强,主要因为受层理角度的影响,其破坏机制不同,这也进一步验证了页岩随层理角度的变化,其破坏机制的各向异性。能率峰值与抗拉强度具有很好的线性关系,表明声发射能率峰值能很好地反映岩石抗拉伸破坏的程度。     

巴西劈裂法在层状岩体抗拉强度测试中的分析与讨论EI北大核心CSCD

为分析巴西圆盘劈裂法在层状岩体抗拉强度试验中的适用性,在以往层状岩体巴西圆盘劈裂试验成果分析基础上,选取层理砂岩为试验对象,设计并进行了考虑不同层理角度的砂岩巴西圆盘劈裂试验。分析结果表明,(1)层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显,层理角度对各种层状岩体的劈裂抗拉强度的影响规律是基本类似的,只是影响程度不一样;(2)不同层理角度圆盘试样的破裂面形状差别较大,其破坏模式可以归纳为直线型、折线型和弧形型;(3)当层理角度0°<β<90°时,破裂面的发展规律不能严格满足巴西圆盘劈裂试验力学理论模型的假定,采用式(1)计算得到的劈裂抗拉强度只能是一个近似的值;(4)当圆盘试样加载线两侧的岩石材料、层理结构对称分布时,加载时圆盘内的应力分布可以较好地满足其理论计算模型,其试验结果比较准确。研究成果可为层状岩体抗拉强度的准确测定提供较好的参考。     

单轴压缩下层状含水页岩损伤破坏过程及特征

页岩在重庆地区分布较广,在隧址围岩赋存环境中占较大比重,考虑到层理和水对页岩性质影响显著,因此,对页岩在层理和含水率影响下损伤破坏过程和劣化机制进行研究。试验借助于MTS815岩石力学测试系统和PAC声发射仪,进行单轴压缩条件下层状页岩损伤破坏过程的声发射试验研究,并采用大型离散元软件3DEC对页岩破坏模式进行对比分析。研究结果表明:(1)页岩的矿物成分、矿物排列和加载方向决定其损伤破坏过程,原生微裂隙的分布、矿物晶粒大小和加载方向决定了宏观裂隙的分布,宏观裂隙则控制着页岩的破坏模式。(2)页岩内部沿层理方向原生微裂隙群是页岩破坏起裂部位,次生微裂隙常沿矿物边界发展,与加载方向基本一致,最终形成宏观裂隙,起到连通层理破裂面的作用。(3)层状页岩AE事件的生成和分布与试件内部的微裂隙分布关系密切,初始压密阶段积聚于试件中部层理附近,后沿层理法向方向向端部或两侧发展,最终沿宏观裂隙转折及交点处聚结成核。(4)层理和水对页岩的损伤劣化机制不同,层理对页岩的损伤作用本质上是沿层理分布的原生微裂隙群的损伤作用,而水对页岩的损伤作用主要是水的吸附和毛细管压力作用。     

基于P-CCNBD试样的岩石动态断裂韧度测试方法

预裂的人字形切槽巴西圆盘(Pre-cracked chevron notched Brazilian disc,简称P-CCNBD)是将人字形切槽巴西圆盘(cracked chevron notched Brazilian disc,简称CCNBD)的切槽尖端再稍加切削制成直裂纹前沿的试样。利用霍普金森压杆对P-CCNBD砂岩试样进行径向冲击,完成I型动态断裂试验后再做数值分析得到岩石的动态断裂韧度。为了验证数值模拟的可靠性,先进行了无限平面中一条有限尺寸裂纹表面受冲击拉伸作用的动态有限元分析,结果表明,数值模拟的结果与Shi得到的结果非常吻合。将试验-数值法和他人的准静态法分别确定的砂岩的动态起裂韧度进行对比,两种方法得到的结果有一定的差异。采用试验-数值法,将比较成熟的直裂纹巴西圆盘(cracked straight-through Brazilian disc,简称CSTBD)和P-CCNBD两种试样测得的结果进行对比,两者吻合较好。得到的动态起裂韧度都有随着加载率的增加而增大的加载率效应。分析了准静态法的缺陷,认为试验-数值法得到的结果更为合理。     

层状含水页岩的抗拉强度特性试验研究

为分析层理和水对页岩的抗拉强度特性的影响,现场选取龙马溪组黑色页岩制备成4种含水状态含层理页岩,沿与层理呈0°、30°、60°和90°夹角加载进行巴西劈裂圆盘试验,试验过程同步进行声发射测试,并采用离散元软件3DEC对试验结果进行数值模拟验证。结果表明,相比于含层理页岩,同时考虑含水和层理的页岩在巴西劈裂试验中有其独特的破坏模式和力学特性。含层理页岩的巴西劈裂破坏模式和抗拉强度均与层理角度和含水率有关,破坏模式主要受控于层理与荷载的加载方向,水虽不会影响其破坏模式但能够导致次生裂纹的形成。抗拉强度则表现出随层理角度的增加而先减小后增大,随含水率的增加而减小的趋势。并且,在页岩同时受水和层理损伤作用时,受层理损伤程度越大,水对其损伤程度也越高。通过对含层理不同含水率页岩的微观结构分析得到了上述变化规律的内在机制,即页岩层理面处的内部矿物颗粒遇水膨胀,产生膨胀力作用,使页岩内部结构变得松散、破碎,微裂纹逐渐增多、变宽,宏观表现为次生裂纹的增多,矿物颗粒间的黏结力也在水的作用下降低从而使页岩的抗拉强度下降。     

不同类型储层岩石三轴压缩变形破裂与声发射特征研究

随着页岩气开采、废水回注和CO₂地质封存工程活动的进行,储层应力环境改变诱发地震的问题得到广泛关注,研究储层岩石变形破裂和声发射规律对于理解诱发地震活动具有重要意义。本文选取了页岩、致密砂岩和白云岩开展三轴压缩声发射试验,获取了空间裂缝形态,揭示了不同类型储层岩石的变形破裂过程和声发射特征。结果表明：(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高,其次为白云岩和致密砂岩,表明页岩主要发生脆性破坏。(2)岩石结构对裂缝扩展和强度具有明显影响,页岩层理发育,抗压强度和裂缝形态各向异性显著。当层理角度为0°时,试样发生剪切-拉张复合型破坏。当层理角度为30°和60°时,试样主要发生剪切破坏。当层理角度增大至90°时,试样主要发生拉张破坏。致密砂岩破裂形成剪切主裂缝,白云岩形成两条剪切主裂缝和微裂缝。(3)不同类型储层岩石破裂过程声发射特征差异显著。页岩在扩容应力点附近有少量声发射活动,达到峰值应力时,声发射活动迅速增强。致密砂岩仅在破裂瞬间有少量声发射活动。相比之下,白云岩在裂缝非稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活动显著。因此,在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施,避免页岩作为储...     

脆性岩石试样断裂过程区及宏观疲劳裂纹行为研究

通过脆性岩石试样巴西圆盘试验研究了疲劳效应对脆性岩石断裂韧度KIC的影响,阐释了脆性岩石的疲劳损伤机制,首次展示了脆性岩石破坏前宏观裂纹的张开和闭合行为。巴西圆盘试验结果表明,循环荷载作用下,脆性岩样的KIC降低了35%,巴西劈裂拉伸强度降低了30%。通过高速相机数小时的观测并记录到了岩石力学领域从未观测到的过程,即脆性岩样破坏前,疲劳裂纹在正弦荷载作用下弹性张合。扫描电镜和计算机断层扫描结果显示,巴西圆盘和V形切槽巴西圆盘试样的破坏是由断裂过程区(fracture process zone,简称FPZ)引起的,FPZ中包含许多异于循环荷载作用下单条宏观裂纹的微裂纹,切槽裂纹尖端FPZ的形成导致未破坏脆性岩样中可视疲劳裂纹弹性张合。室内试验和数值计算结果表明,切槽裂纹倾角为60°时获得最大FPZ(即FPZmax),这表明最大FPZ的形成可能与Ⅰ-Ⅱ型(拉伸和剪切)组合加载模式有关。     

页岩各向异性力学特性微观测试方法研究

页岩力学各向异性特征是地应力、井壁稳定、水力裂缝扩展相关研究的重要基础参数。针对页岩力学各向异性宏观测试中存在样品制取困难、制样成功率低的特点,采用来源丰富的钻井岩屑或破碎岩块,通过研究纳米压痕实验原理、实验方法和数据解释方法,采用连续刚度测试方法对平行层理和垂直层理的页岩试样进行纳米压痕测试;基于硬度的分类准则将纳米压痕数据分为三类主要矿物基质进行合理解释,采用接触刚度法计算硬度、杨氏模量,采用能量法计算断裂韧性,得出了页岩粘土基质的杨氏模量、硬度和断裂韧性。测试结果表明这种基于硬度的分类准则处理纳米压痕数据是方便合理的。页岩粘土基质力学特性在纳米尺度上具有各向异性,纳米尺度力学参数与层理方向相关。页岩不同力学参数的各向异性表现不同,杨氏模量各向异性较弱,断裂韧性各向异性较强。平行层理方向断裂韧性为垂直层理方向断裂韧性的80%。