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基于声发射技术的页岩压缩损伤破坏实验研究

姚欢迎  
【摘要】:为了研究页岩真实的损伤演化机理,探究层理方向、围压对页岩岩石力学性质的影响,并建立页岩损伤本构方程,利用声发射技术,进行了陆相页岩单、三轴压缩声发射实验、页岩巴西劈裂实验、页岩I型断裂韧性测试实验,分析不同围压下、不同层理方向下,页岩损伤演化特点、岩石破坏特征、声发射信号特点、应力-应变等岩石力学特征,并给出合理的理论分析。研究结果表明,页岩受载初期内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,应力-应变曲线斜率不断增大,页岩弹性模量不降反增,曲线呈下凹型,受载岩石损伤不是单调增大,而是先减小后增大。建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构方程,由建立的本构方程得出的应力-应变曲线与实际应力-应变曲线吻合度更高,对以往损伤理论进行了补充和完善。声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程。声发射信号只与损伤演化有关,与损伤变化剧烈程度无关,声发射信号总是与损伤近似呈现线性关系。层理属于弱胶结面,对页岩抗拉强度、I型断裂韧性具有重要影响,不同层理方向的页岩抗拉强度和I型断裂韧性各向异性明显,对层理性岩石进行科学研究时,层理效应不可忽略。围压使页岩内部接触更加紧密,降低了孔隙、裂缝等初始损伤对岩石性质的影响,增强了页岩抵抗压缩的能力,围压减弱了页岩脆性性质,增强了塑性性质。围压不同,岩石破坏形态不同;围压不同,声发射信号特征也不同。由于层理的影响,页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大。


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