本書系統(tǒng)介紹了頁巖在微細觀礦物尺度、宏觀層理結構尺度以及考慮有天然裂縫影響的巖體尺度下的各向異性力學行為。本書主要內容包括:頁巖微觀結構各向異性定量化表征、不同深度及不同層理角度下頁巖的裂隙演化過程及破壞特征、層理頁巖的變形場演化規(guī)律、頁巖損傷破壞機制的層理效應、層理頁巖的Hoek-Brown修正準則及頁巖裂紋遇層理起裂擴展準則、頁巖天然裂縫和層理的發(fā)育特征、頁巖巖體的力學參數(shù)尺寸效應以及層理面和裂隙對尺寸效應的影響。
同時,本書詳細介紹了相關研究采用的試驗、理論和數(shù)值模擬方法,包括:掃描電子顯微成像技術(SEM)、全自動礦物分析系統(tǒng)AMICS、單軸加載高分辨率CT同步掃描技術、巴西劈裂試驗、三點彎力學試驗以及數(shù)字散斑相關方法(DSCM)和數(shù)字體積相關(DVC)變形分析方法、巖石力學和斷裂力學理論推導以及含天然裂縫的層理頁巖巖體三維離散元數(shù)值模擬方法。
本書可供高等院校力學、土木工程、礦業(yè)工程等專業(yè)的師生以及從事相關領域研究的工程技術人員、科技工作者參考。
本書詳細介紹了相關研究采用的試驗、理論和數(shù)值模擬方法,包括:掃描電子顯微成像技術(SEM)、全自動礦物分析系統(tǒng)AMICS、單軸加載高分辨率CT同步掃描技術、巴西劈裂試驗、三點彎力學試驗以及數(shù)字散斑相關方法(DSCM)和數(shù)字體積相關(DVC)變形分析方法、巖石力學和斷裂力學理論推導以及含天然裂縫的層理頁巖巖體三維離散元數(shù)值模擬方法。
前 ?言
頁巖氣因其儲量豐富已成為世界能源開發(fā)領域備受關注的焦點之一。頁巖由多種礦物組成,內部含大量的微裂縫、微孔隙,宏觀上層理結構特征顯著,屬于典型非均質材料。我國頁巖氣儲層埋深大,地質條件復雜,頁巖氣開采遇到水平井井壁易失穩(wěn)和水力壓裂效果不理想等技術瓶頸。目前,其中一個關鍵的問題則是頁巖非均質性以及考慮地質構造和天然裂縫影響下所帶來的多尺度下的力學行為各向異性。針對此問題,在國家自然科學基金面上基金項目(42277167)“水化動力學過程對頁巖井壁開挖擾動細觀損傷特性影響研究”資助下,編者圍繞細觀變形損傷演化規(guī)律、宏觀破裂機理、層狀頁巖的強度準則和斷裂準則,考慮層理和天然裂縫頁巖巖體力學參數(shù)的離散元數(shù)值模擬方法等對基礎巖石力學問題開展了深入研究,在總結凝練近年來取得的研究成果基礎上完成了本書編寫。
本書共7章。第1章介紹了研究背景及意義、國內外研究現(xiàn)狀以及存在的問題,同時概述了本書的研究內容和方法;第2章介紹了層狀頁巖礦物微觀結構,分析了礦物顆粒朝向和分布的非均質性,推導出微觀結構的定量化表征參數(shù),內容包括試驗方法、基本礦物特征、礦物顆粒朝向特征及空間分布的非均質性定量化表征;第3章介紹了層狀頁巖細觀各向異性破壞過程及強度準則,分析了單軸加載條件下層狀頁巖細觀裂紋的演化及宏觀破壞特征,討論了細觀結構對各向異性破壞行為的影響,建立了考慮各向異性斷裂行為的強度準則,內容包括試驗方法、不同深度頁巖各向異性細觀破壞過程、不同微觀結構頁巖破壞后裂隙特征及強度準則的各向異性修正;第4章介紹了層狀頁巖細觀各向異性變形過程,定量化分析了單軸加載條件下裂隙的細觀演化過程,討論了層狀頁巖各向異性變形場演化規(guī)律和損傷局部化機理,內容包括數(shù)字體積圖像相關方法、裂隙演化的定量化表征和頁巖內部各向異性變形場分析;第5章介紹了層狀頁巖宏觀各向異性斷裂和破壞行為,分析了在巴西劈裂和三點彎曲加載條件下層狀頁巖表面變形場的演化規(guī)律及損傷程度因子局部化過程,內容包括試驗方法、巴西劈裂試件的破裂模式、三點彎曲試件的斷裂模式和位移場演化,以及損傷程度因子的定義和演化規(guī)律;第6章介紹了頁巖各向異性起裂擴展準則,在層狀頁巖宏觀斷裂行為和最大周向應力判據(jù)的基礎上,建立了考慮T應力的層狀頁巖Ⅰ型裂紋沿層理面起裂和擴展條件,內容包括裂紋尖端應力場的推導、T應力影響下裂紋遇層理擴展判據(jù)、Ⅰ型裂紋遇層理面擴展規(guī)律分析和實驗驗證;第7章介紹了應用于工程尺度的考慮層理和天然裂縫的離散元模擬方法,建立了含天然裂縫的層理頁巖巖體三維離散元模型,分析了巖體力學參數(shù)尺寸效應以及層理面和裂隙對尺寸效應的影響,內容包括頁巖巖體的天然裂縫和層理特征、巖體離散元模型的建立、加載路徑設計、力學參數(shù)尺寸效應以及層理面和裂隙共同作用對表征單元體REV的影響。
本書由李英杰、王炳乾、張亮共同編著,具體分工為:李英杰負責統(tǒng)稿和第1章、第4 ~ 7章內容的編寫工作,王炳乾負責編寫第3章,張亮負責編寫第2章。
本書旨在為頁巖氣開采工程提供深入的理論研究和實踐指導,希望能對相關領域的學者、工程師和決策者具有一定的參考價值。由于編者水平有限,書中難免存在不妥之處,懇請讀者批評指正。
編 者
中國礦業(yè)大學（北京）
目 錄
前?言
第1章?緒論1
1.1 頁巖的非均質性和各向異性1
1.2 頁巖多尺度力學行為研究進展2
1.2.1 頁巖微細觀尺度各向異性力學特征2
1.2.2 頁巖試件尺度各向異性力學特征4
1.2.3 頁巖巖體天然裂縫及巖體力學參數(shù)的各向異性5
1.3 本書主要內容8
第2章?頁巖微觀結構各向異性定量化表征10
2.1 層狀頁巖基本礦物特征10
2.2 層狀頁巖礦物顆粒各向異性特征22
2.2.1 礦物顆粒各向異性特征指標22
2.2.2 不同深度礦物顆粒各向異性特征22
2.3 層狀頁巖礦物顆�？臻g分布各向異性特征32
2.3.1 礦物顆粒空間分布各向異性特征指標32
2.3.2 不同深度頁巖礦物顆�？臻g分布各向異性特征34
第3章?層狀頁巖各向異性破壞特征及強度準則修正37
3.1 原位加載CT掃描試驗介紹37
3.2 單軸加載條件下層狀頁巖裂縫演化特征41
3.3 頁巖細觀結構對各向異性破壞的影響72
3.4 頁巖破壞后細觀裂隙的各向異性特征75
3.4.1 不同層理角度頁巖破壞后的細觀裂隙特征75
3.4.2 不同深度頁巖破壞后的細觀裂隙特征78
3.5 層狀頁巖各向異性Hoek-Brown準則修正模型研究80
3.5.1 各向同性Hoek-Brown準則的斷裂力學分析80
3.5.2 模型參數(shù)的各向異性修正82
3.5.3 模型的各向異性修正85
3.5.4 修正系數(shù)α和摩擦系數(shù)μ對模型參數(shù)m的影響分析86
3.5.5 Hoek-Brown準則各向異性修正模型參數(shù)的確定及驗證88
第4章?基于原位加載CT掃描試驗的層理頁巖變形場特征研究92
4.1 數(shù)字體積相關方法92
4.1.1 數(shù)字體積相關計算模式92
4.1.2 數(shù)字體積相關計算原理93
4.1.3 數(shù)字體積相關計算流程95
4.2 層理頁巖裂縫演化過程的定量化表征97
4.2.1 裂紋面積演化特征97
4.2.2 裂紋分形維數(shù)演化特征97
4.3 層理頁巖變形場演化特征分析100
4.3.1 DVC計算區(qū)域的選擇100
4.3.2 DVC計算窗口尺寸的選擇101
4.3.3 層理頁巖試件的變形場分析102
第5章?層狀頁巖各向異性斷裂及損傷演化規(guī)律研究107
5.1 數(shù)字散斑相關方法基本原理107
5.2 巴西劈裂和三點彎曲試驗介紹109
5.3 不同層理角度試件破壞模式112
5.3.1 巴西劈裂試驗試件破壞模式112
5.3.2 三點彎曲試驗試件破壞特征113
5.4 變形場演化規(guī)律116
5.4.1 巴西劈裂試驗變形場演化規(guī)律116
5.4.2 三點彎曲試驗變形場演化規(guī)律119
5.5 損傷局部化分析122
第6章?頁巖裂紋遇層理起裂擴展準則研究128
6.1 頁巖沿層理分叉裂紋尖端周向應力場解析推導128
6.2 T應力影響下頁巖裂紋遇層理擴展判據(jù)130
6.3 Ⅰ型裂紋遇層理弱面擴展規(guī)律解析分析132
6.3.1 T應力和層理傾角對擴展角的影響132
6.3.2 T應力和層理傾角對起裂、擴展臨界強度比的影響134
6.4 擴展判據(jù)解析解試驗驗證139
第7章?基于離散元方法的頁巖巖體力學參數(shù)的尺寸效應研究140
7.1 頁巖天然裂縫和層理特征140
7.2 頁巖巖體三維離散元計算模型145
7.3 基于Fish語言的加載路徑設計151
7.4 頁巖巖體三維離散元數(shù)值試驗結果153
7.4.1 不同各向異性比對頁巖巖體力學參數(shù)及REV的影響154
7.4.2 頁巖層理角度對頁巖巖體力學參數(shù)及REV的影響155
7.5 層理和天然裂縫共同作用對REV的影響158
參考文獻160
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