页岩的物理力学各向异性及拉伸剪切破裂特征研究

发布时间：2017-08-07 19:26

  本文关键词：页岩的物理力学各向异性及拉伸剪切破裂特征研究

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【摘要】：页岩具有的矿物成分复杂、天然裂缝发育、泥质发育和层状构造等特点,导致了强烈的非均质性和各向异性,极大地影响了页岩气的产能。因此,有必要通过物理力学试验来研究页岩的各向异性特征,并且采用更加直观的试验研究方法来获取层理面的力学性质和破裂特征。本文对页岩试样进行了超声波测试、巴西劈裂和单轴抗压等物理力学试验,研究了不同层理角度页岩的物理力学性质各向异性情况,其中,层理角度定义为层理面法线与试样轴向的夹角；研究了动弹性参数和静弹性参数随层理角度的变化情况,并且拟合出动静弹性参数、抗拉强度和抗压强度随层理角度的变化曲线,最后通过公式变换计算出页岩的各向异性材料参数。通过试验和拟合成果得出如下结论：随着层理角度的增大,纵波波速、横波波速、动弹性模量和动剪切模量随之增大,变化趋势一致,动体积模量和动泊松比的变化曲线呈现出“M”型,存在两个先增大后减小的过程,且都在层理角度为45。时取到极小值点；抗拉强度随层理角度的变大逐渐减小,弹性模量和破裂面复杂性随着层理角度的变大逐渐增加,而单轴抗压强度则呈现出先减小后增大的“U”型的变化规律,并且在层理角度为60。时取到最小值。为了研究层理面的力学特性,本文进行了层理角度为0。和90。页岩立方块试样的直接拉伸、拉伸剪切和压缩剪切等试验,建立了层理角度为90。页岩试样的拉伸剪切全区破裂特征曲线,并且重点研究了相应条件下页岩的破裂特征。试验和拟合结果显示,层理角度为0。的试样在拉剪应力条件下非常不稳定,很容易破坏；而层理角度为90。的试样,通过拉伸剪切试验可以得到拉剪-压剪全区破裂特征曲线,通过该曲线得到的拉伸强度和剪切强度均小于其他方法的值,说明传统的破裂准则对拉剪应力条件下岩石的破裂特征描述存在一定的偏差。拉伸剪切试验后,本文利用三维激光扫描和电镜扫描的方法,从宏观和微观的角度研究了页岩的破裂面特征,宏观角度分析了页岩的破裂模式和各向异性特点,微观角度分析了页岩的破裂机理。主要得出如下结论：拉剪应力条件下,多种因素共同主导了页岩试样的破裂,导致破裂面形貌复杂,并且破裂大多发生在胶结物中,特别是风化严重和胶结程度较差的部位,基质颗粒在裂纹扩展的过程中通常扮演着诱导和牵引作用。
【关键词】：页岩 各向异性 拉伸剪切 破裂面特征 破裂机理
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 研究现状12-15
• 1.2.1 页岩各向异性研究现状12-13
• 1.2.2 岩石拉伸剪切破裂特征研究现状13-15
• 1.3 存在问题15-16
• 1.4 主要研究内容16
• 1.5 技术路线16-19
• 2 页岩物理力学各向异性研究19-45
• 2.1 概述19
• 2.2 基于超声波测试的各向异性研究19-29
• 2.2.1 岩石超声波测试方法介绍19-22
• 2.2.2 基于波速的各向异性系数22-24
• 2.2.3 动弹性参数的各向异性研究24-29
• 2.3 基于巴西劈裂试验的各向异性研究29-34
• 2.3.1 岩石巴西劈裂试验方法介绍29-31
• 2.3.2 页岩抗拉强度的各向异性31-34
• 2.4 基于单轴压缩试验的各向异性研究34-39
• 2.4.1 岩石单轴压缩试验方法介绍34
• 2.4.2 力学特性分析34-38
• 2.4.3 破裂模式分析38-39
• 2.5 页岩各向异性材料参数计算39-44
• 2.6 本章小结44-45
• 3 页岩拉伸-剪切试验研究45-57
• 3.1 概述45
• 3.2 试验方法介绍45-47
• 3.3 试验结果与分析47-52
• 3.3.1 拉伸试验47-49
• 3.3.2 剪切试验49-50
• 3.3.3 拉剪试验50-51
• 3.3.4 压剪试验51-52
• 3.4 拉剪-压剪全区破裂特征曲线52-55
• 3.4.1 压剪区破裂特征曲线53
• 3.4.2 拉剪区破裂特征曲线53-54
• 3.4.3 拉剪-压剪全区破裂特征曲线54-55
• 3.5 本章小结55-57
• 4 页岩破裂面宏观和微观分析57-69
• 4.1 概述57
• 4.2 页岩拉伸剪切破裂面宏观分析57-61
• 4.2.1 断裂面三维激光测试方法介绍57-59
• 4.2.2 破裂面宏观形貌研究59-61
• 4.3 页岩拉伸剪切破裂面微观分析61-68
• 4.3.1 断裂面扫描电镜SEM试验方法介绍61-64
• 4.3.2 扫描电镜SEM的结果与分析64-68
• 4.4 本章小结68-69
• 5 结论与展望69-71
• 5.1 结论69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 作者简历75-79
• 学位论文数据集79

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