本文關鍵詞：頁巖的物理力學各向異性及拉伸剪切破裂特征研究

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【摘要】：頁巖具有的礦物成分復雜、天然裂縫發(fā)育、泥質(zhì)發(fā)育和層狀構造等特點,導致了強烈的非均質(zhì)性和各向異性,極大地影響了頁巖氣的產(chǎn)能。因此,有必要通過物理力學試驗來研究頁巖的各向異性特征,并且采用更加直觀的試驗研究方法來獲取層理面的力學性質(zhì)和破裂特征。本文對頁巖試樣進行了超聲波測試、巴西劈裂和單軸抗壓等物理力學試驗,研究了不同層理角度頁巖的物理力學性質(zhì)各向異性情況,其中,層理角度定義為層理面法線與試樣軸向的夾角；研究了動彈性參數(shù)和靜彈性參數(shù)隨層理角度的變化情況,并且擬合出動靜彈性參數(shù)、抗拉強度和抗壓強度隨層理角度的變化曲線,最后通過公式變換計算出頁巖的各向異性材料參數(shù)。通過試驗和擬合成果得出如下結論：隨著層理角度的增大,縱波波速、橫波波速、動彈性模量和動剪切模量隨之增大,變化趨勢一致,動體積模量和動泊松比的變化曲線呈現(xiàn)出“M”型,存在兩個先增大后減小的過程,且都在層理角度為45。時取到極小值點；抗拉強度隨層理角度的變大逐漸減小,彈性模量和破裂面復雜性隨著層理角度的變大逐漸增加,而單軸抗壓強度則呈現(xiàn)出先減小后增大的“U”型的變化規(guī)律,并且在層理角度為60。時取到最小值。為了研究層理面的力學特性,本文進行了層理角度為0。和90。頁巖立方塊試樣的直接拉伸、拉伸剪切和壓縮剪切等試驗,建立了層理角度為90。頁巖試樣的拉伸剪切全區(qū)破裂特征曲線,并且重點研究了相應條件下頁巖的破裂特征。試驗和擬合結果顯示,層理角度為0。的試樣在拉剪應力條件下非常不穩(wěn)定,很容易破壞；而層理角度為90。的試樣,通過拉伸剪切試驗可以得到拉剪-壓剪全區(qū)破裂特征曲線,通過該曲線得到的拉伸強度和剪切強度均小于其他方法的值,說明傳統(tǒng)的破裂準則對拉剪應力條件下巖石的破裂特征描述存在一定的偏差。拉伸剪切試驗后,本文利用三維激光掃描和電鏡掃描的方法,從宏觀和微觀的角度研究了頁巖的破裂面特征,宏觀角度分析了頁巖的破裂模式和各向異性特點,微觀角度分析了頁巖的破裂機理。主要得出如下結論：拉剪應力條件下,多種因素共同主導了頁巖試樣的破裂,導致破裂面形貌復雜,并且破裂大多發(fā)生在膠結物中,特別是風化嚴重和膠結程度較差的部位,基質(zhì)顆粒在裂紋擴展的過程中通常扮演著誘導和牽引作用。
【關鍵詞】：頁巖 各向異性 拉伸剪切 破裂面特征 破裂機理
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU45
【目錄】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 緒論11-19
• 1.1 研究背景和意義11-12
• 1.2 研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 頁巖各向異性研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 巖石拉伸剪切破裂特征研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3 存在問題15-16
• 1.4 主要研究內(nèi)容16
• 1.5 技術路線16-19
• 2 頁巖物理力學各向異性研究19-45
• 2.1 概述19
• 2.2 基于超聲波測試的各向異性研究19-29
• 2.2.1 巖石超聲波測試方法介紹19-22
• 2.2.2 基于波速的各向異性系數(shù)22-24
• 2.2.3 動彈性參數(shù)的各向異性研究24-29
• 2.3 基于巴西劈裂試驗的各向異性研究29-34
• 2.3.1 巖石巴西劈裂試驗方法介紹29-31
• 2.3.2 頁巖抗拉強度的各向異性31-34
• 2.4 基于單軸壓縮試驗的各向異性研究34-39
• 2.4.1 巖石單軸壓縮試驗方法介紹34
• 2.4.2 力學特性分析34-38
• 2.4.3 破裂模式分析38-39
• 2.5 頁巖各向異性材料參數(shù)計算39-44
• 2.6 本章小結44-45
• 3 頁巖拉伸-剪切試驗研究45-57
• 3.1 概述45
• 3.2 試驗方法介紹45-47
• 3.3 試驗結果與分析47-52
• 3.3.1 拉伸試驗47-49
• 3.3.2 剪切試驗49-50
• 3.3.3 拉剪試驗50-51
• 3.3.4 壓剪試驗51-52
• 3.4 拉剪-壓剪全區(qū)破裂特征曲線52-55
• 3.4.1 壓剪區(qū)破裂特征曲線53
• 3.4.2 拉剪區(qū)破裂特征曲線53-54
• 3.4.3 拉剪-壓剪全區(qū)破裂特征曲線54-55
• 3.5 本章小結55-57
• 4 頁巖破裂面宏觀和微觀分析57-69
• 4.1 概述57
• 4.2 頁巖拉伸剪切破裂面宏觀分析57-61
• 4.2.1 斷裂面三維激光測試方法介紹57-59
• 4.2.2 破裂面宏觀形貌研究59-61
• 4.3 頁巖拉伸剪切破裂面微觀分析61-68
• 4.3.1 斷裂面掃描電鏡SEM試驗方法介紹61-64
• 4.3.2 掃描電鏡SEM的結果與分析64-68
• 4.4 本章小結68-69
• 5 結論與展望69-71
• 5.1 結論69-70
• 5.2 展望70-71
• 參考文獻71-75
• 作者簡歷75-79
• 學位論文數(shù)據(jù)集79

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