浅海沉积石英砂岩各向异性与I型断裂尺寸效应试验研究

发布时间：2020-09-01 14:02

　　浅海沉积石英砂岩由于其浅海沉积的成岩机理使其成为一种具有特殊结构和复杂力学特性的软岩材料,在交通、采矿、油气开发、水电等多个领域都存在各式各样的应用和随之而来的各种工程和科学问题。浅海沉积石英砂岩是一种带有层理分布的高孔隙率岩石,作为一种力学特性受多种因素同时控制的岩石首先具有工程和科学问题上的特殊性,同时分布较广,是常见的工程对象。从细观结构来区分该岩石属于带有层理分布的沉积型砂岩,具有显著的各向异性;从岩性来区分属于低强度、准脆性的软岩,并且在中等应力水平下就可出现屈服,力学特性较常规应力条件发生显著改变。本文以浅海沉积石英砂岩为研究对象,综合考虑了各向异性、应力路径、屈服条件、尺寸效应等因素,分别从压破坏和拉破坏两大方面全面分析了该岩石的力学特性。结合力学试验、理论推导、高精度的细观光学观测与分析技术、离散元数值模拟等手段揭示了该岩石的压缩和张拉破坏机理,取得了如下成果:(1)采用静水压缩-增大偏应力(轴压)的试验方法,对5种层理角度的石英砂岩试样,在9种应力路径的加载作用下进行了总计45种情况的三轴压缩破坏试验。研究了不同应力路径条件下层理对岩石的破坏模式、弹性模量以及强度的影响。发现在不同围压条件下,各向异性的石英砂岩试样表现出不同的变形破坏特征。围压以30MPa为界,破坏模式由剪切型脆性破坏向剪切屈服或体积屈服破坏模式转化,破裂面受到层理软弱面不同程度的影响;同时随着围压的增大,新闭合的孔隙裂纹数目减少,各向异性对弹性模量的影响呈现降低趋势,弹性模量增长速率降低。弹性模量以30MPa为界,呈现不同规律性的变化。不同层理角度石英砂岩的强度特征系数随着围压的增大而逐渐减小,围压大于30MPa后该系数逐渐趋于稳定。(2)根据试验结果,将带层理分布的浅海沉积石英砂岩抽象为横观各向同性材料,结合该石英砂岩偏应力(围压)超过30MPa出现塑性变形和体积屈服的特点,采用坐标转化的方法从理论上分析了弹性模量、强度随着围压和层理角度变化出现规律性的原因,通过公式推导得到的理论规律与试验规律基本符合。从理论和试验两方面阐明了该砂岩在多种因素综合影响下的变形破坏规律和各向异性特征及其机理。(3)针对该砂岩高孔隙率的特点,得出了偏应力(围压)超过30MPa后出现显著的塑性变形和体积屈服的结论,并采用电镜扫描观测岩石细观结构变化加以验证。基于此进行了层理软弱面屈服条件、弱面最不利位置的理论推导和计算,得出了不同应力路径下该砂岩本身或层理软弱面是否进入塑性状态的判别结果。(4)在拉破坏方面,对测定岩石标准张拉强度的试验做出了一定改进,进行了(改进的)标准张拉试验、巴西劈裂张拉试验、伺服稳定荷载作用下的Ⅰ型张拉试验和恒幅循环荷载作用下Ⅰ型疲劳张拉试验。在测定了该石英砂岩标准张拉强度的前提下,对尺寸成等比例的试样进行了伺服稳定荷载作用下的三点弯曲Ⅰ型张拉试验,结果表明尺寸对砂岩断裂参数存在影响:随着试样尺寸的增大,名义张拉强度减小,名义断裂韧度和破裂过程区长度增大,三者均为试样尺寸的函数。基于试验结果,引入有效破裂过程区长度cf,建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型,通过理论分析,发现其尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料之间,体现出准脆性材料的尺寸效应特点,并计算得到了不同尺寸试样的破裂过程区长度等断裂参数。为验证该尺寸效应模型在砂岩中的正确性,采用细观岩石力学观测手段:数字图像匹配技术(DIC),通过该技术测定了相应尺寸砂岩试样的破裂过程区长度,测定结果和理论模型计算值相符。(5)为了对Ⅰ型张拉试验中破裂过程区尺寸这一评判尺寸效应的核心指标进行数值模拟研究,采用了专用的离散元数值模拟软件CA2进行数值模拟研究。建立了符合岩石材料张拉断裂力学行为的数值本构模型,通过与室内试验结果的对比标定,确定了合理的细观力学参数。在此基础上进行数值模拟,研究了尺寸成等比例的岩石材料破裂过程区随尺寸变化的影响,以及室内试验无法定量研究的岩石脆性对尺寸效应的影响。数值模拟结果表明:破裂过程区的尺寸效应符合室内试验结果,而岩石的尺寸效应随着岩性由脆性向延展性转化和试件尺寸的增大愈为显著。(6)定量描述疲劳裂纹扩展与结构寿命的方法为帕里斯公式,然而该公式适用于塑性材料,采用该公式对不同尺寸的石英砂岩Ⅰ型张拉疲劳试验结果进行分析无法得到通用的表达式。为此针对石英砂岩这种准脆性材料,基于能量等效原理,引入尺寸参数,建立了一个改进的帕里斯公式,可作为该岩石疲劳断裂的通用公式,并得到了该岩石疲劳断裂参数不再随尺寸变化而变化的临界结构尺寸和极限破裂过程区长度,证明了疲劳裂纹扩展在软岩类材料中也存在尺寸效应,最后采用数字图像匹配技术验证了改进的帕里斯公式的正确性。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45

【参考文献】