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Escabrosa石灰岩断裂特性及其岩芯饼化机理研究

吴昊燕  
【摘要】:随着深部地应力的复杂性增加,岩体的破坏形式逐渐呈现多样化,但Ⅰ型断裂破坏与Ⅱ型断裂破坏仍是两种重要的基本形式。本文通过室内物理试验、数值模拟试验、理论推导等研究方法,完成了 Escabrosa石灰岩的基本力学性质和Ⅰ型、Ⅱ型两种断裂韧度测试,而后针对研究较少的Ⅱ型断裂韧度试验,进行了应力分析;从细观方面入手,构建了围压冲切试验细观模型,建立了围压与Ⅱ型断裂韧度的关系;揭示了围压冲切试验中微观裂隙的时空演化规律,提出了 Ⅱ型断裂韧度、岩石抗拉强度与围压的数量关系。在较小围压下:通过围压冲切试验的应力分析结果,得到最大主应力集中于上切口内侧与下切口外侧,揭示了较小围压下应力集中区呈整体“八字”型的规律特点;通过围压冲切试验细观模拟同样得到了“八字”型裂纹扩展特征。该形态特征与Escabrosa石灰岩围压冲切物理试验中的“八字”型试样断裂破坏迹线相吻合。通过围压冲切试验的细观模型计算得到,Ⅱ型断裂韧度值在较小围压下呈线性增长,当围压增大至40MPa时,断裂韧度值逐渐趋于稳定,该规律与众多物理试验结果一致,从而验证了该细观模型对于岩石Ⅱ型断裂韧度试验研究的正确性。此外,随着围压的增加,翼裂纹受到抑制,微观剪切破坏逐渐增多。断裂韧度作为岩石抵抗裂纹扩展的能力,是岩石力学研究中常见的岩石力学性质。所有岩石工程的断裂破坏都离不开裂纹的萌生、扩展和最终贯通,比如岩石钻探工程中常见的岩芯饼化现象,亦是深部高地应力的典型标志之一。本文从裂纹扩展角度,结合岩石断裂力学理论对岩芯饼化现象进行系统研究。使用离散元方法对Indiana石灰岩的岩芯饼化物理试验进行数值模拟,直观地揭示了岩芯饼化现象中裂纹发展及其与三向主应力的关系。三向主应力作用下,垂直向钻孔的岩芯饼化发生的基本条件为:水平最大主应力不小于垂直主应力,且水平最大主应力不小于岩石单轴抗压强度的一半,岩石巴西劈裂抗拉强度的5倍。水平主应力与垂直主应力差值越大,岩饼厚度越小;两水平主应力差值越大,岩饼断面“马鞍形”越明显。一般应力条件下,岩芯饼化起裂于岩芯表面持平于钻孔底面;逆冲断层应力状态下,岩芯饼化起裂于岩芯轴下方约1/2半径处。两处不同的起裂点分别对应岩芯外围和中心的最大轴向应力点。


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