三轴应力下含交叉裂缝页岩的力学特性及破坏模式数值模拟

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.02.007

摘要/Abstract

摘要：

为研究交叉裂缝对深层页岩力学特性及破坏模式的影响，更好地了解在高温高压耦合作用下含交叉裂缝页岩的损伤演化规律，建立了15组含不同倾角交叉裂缝页岩模型，并对页岩试件的应力?应变关系、损伤演化及声发射特征进行了模拟实验。结果表明，页岩的抗压强度和弹性模量与主裂缝倾角整体呈负相关，并随次裂缝倾角的增大呈上凹的变化趋势；当页岩中存在垂直或接近垂直于加载方向的裂缝时，其抗压强度显著下降；页岩试件的破坏模式在交叉裂缝影响下主要分为“X”形破坏、斜“N”形破坏、斜“W”形破坏、倒“V”形破坏、沿主裂缝贯穿破坏、“V”形破坏与“λ”形破坏；页岩试件的分形维数与主裂缝倾角整体呈负相关，随着主裂缝倾角的减小，分形维数整体趋于增大，相应的试件破坏模式更复杂，内部损伤更剧烈。

关键词: 页岩, 热固耦合, 交叉裂缝, 声发射, 分形维数

Abstract:

In order to study the influence of cross?fracture on the mechanical properties and damage modes of deep shale, and better understand the damage evolution law of shale containing cross?fracture under high temperature and high pressure coupling, 15 groups of shale models containing cross?fracture with different inclination angles were established, and simulation experiments were carried out to study the stress?strain relationship, damage evolution and acoustic emission characteristics of the shale specimens. The results show that the compressive strength and modulus of elasticity of shale are negatively correlated with the inclination angle of the main cracks, and show an upward concave trend with the increase of the inclination angle of the secondary cracks, and the compressive strength of shale decreases significantly when there are cracks perpendicular to or close to perpendicular to the loading direction; the damage modes of shale specimens under the influence of cross?cracks are mainly divided into "X"?shaped damage, diagonal "N"?shaped damage, diagonal "W"?shaped damage, inverted "V"?shaped damage, damage along the main crack, "V"?shaped damage and "λ"?shaped damage; the fractal dimension of shale specimens is negatively correlated with the inclination angle of the main crack, and as the inclination angle of the main crack decreases, the value of fractal dimension tends to increase, and the corresponding damage pattern of the specimens is more complicated and the internal damage is more intense.

Key words: Shale, Thermosolid coupling, Cross?fracture, Acoustic emission, Fractal dimension

中图分类号:

TE31

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图/表 11

图1 X射线全岩衍射定量分析图

Fig.1 X?ray whole rock diffraction quantitative analysis diagram

表1 页岩基质和石英矿物的力学参数[16]

Table1 Mechanical parameters of shale matrix and quartz minerals[16]

材料	弹性模量/GPa	均质度/m	抗压强度/MPa	泊松比	摩擦角/（°）	压拉比	热容量/(J $⋅$ kg^-1 $⋅$ ℃^-1)	热膨胀系数 $×$ 10⁶/℃^-1	密度/(g $⋅$ cm^-3)
页岩基质	51 600	4	145	0.22	35	14	1 250	1.36	2.56
石英矿物	96 000	8	375	0.08	60	15	700	1.10	2.60

表1 页岩基质和石英矿物的力学参数[16]

Table1 Mechanical parameters of shale matrix and quartz minerals[16]

材料	弹性模量/GPa	均质度/m	抗压强度/MPa	泊松比	摩擦角/（°）	压拉比	热容量/(J $⋅$ kg^-1 $⋅$ ℃^-1)	热膨胀系数 $×$ 10⁶/℃^-1	密度/(g $⋅$ cm^-3)
页岩基质	51 600	4	145	0.22	35	14	1 250	1.36	2.56
石英矿物	96 000	8	375	0.08	60	15	700	1.10	2.60

表2 页岩试件工况

Table 2 Shale samples conditions

试件	α/（°）	β/（°）	试件	α/（°）	β/（°）
S1	30	0	S9	45	60
S2	30	30	S10	45	90
S3	30	45	S11	60	0
S4	30	60	S12	60	30
S5	30	90	S13	60	45
S6	45	0	S14	60	60
S7	45	30	S15	60	90
S8	45	45

图2 含交叉裂缝页岩加载图

Fig.2 Loading diagram of shale with cross fractures

图3 页岩试件的应力?应变曲线及峰值应力图

Fig.3 Stress?strain curve and peak stress diagram of shale samples

图4 页岩试件的弹性模量图

Fig.4 Elastic modulus diagram of shale samples

表3 页岩试件的抗压强度和弹性模量

Table 3 Compressive strength and elastic modulus of shale samples

β/(°)	抗压强度/MPa			弹性模量/GPa
β/(°)	α=30°	α=45°	α=60°	α=30°	α=45°	α=60°
0	81.733	85.548	67.585	31.945	31.981	31.710
30	79.282	73.225	60.288	32.234	31.792	30.973
45	74.542	60.851	57.777	31.710	31.169	31.478
60	63.894	68.398	66.266	31.100	31.631	31.700
90	68.212	76.490	64.085	31.799	32.126	31.724

图6 页岩试件S15损伤变量?应变关系曲线

Fig.6 Damage variable?strain relationship curve of shale sample S15

图5 页岩试件的声发射计数及累计声发射图

Fig.5 Acoustic emission count and cumulative acoustic emission map of shale samples

图7 页岩试件的裂缝及累计声发射演化图

Fig.7 Evolution diagram of cracks and acoustic emission of shale samples

表4 交叉裂缝倾角与分形维数

Table 4 Dip angle and fractal dimension of cross fractures

β/(°)	分形维数
β/(°)	α=30°	α=45°	α=60°
0	1.355	1.227	1.330
30	1.277	1.341	1.315
45	1.368	1.277	1.262
60	1.388	1.339	1.333
90	1.346	1.249	1.214

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