当前位置：文档之家 › 层理对岩石抗压强度影响研究

层理对岩石抗压强度影响研究

  • 格式：pdf
  • 大小：1.94 MB
  • 文档页数：2

Chenmical Intermediate当代化工研究2016·0539技术应用与研究层理对岩石抗压强度影响研究ＯＯ穆景福（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院ＯＯ陕西ＯＯ710075）摘要：页岩作为页岩气的主要聚集岩层，由于其具有薄页状的层理，使得页岩与其它常规储层岩石力学性质显著不同，具有明显的各向异性特征。

依然假定页岩为各向同性岩体，必然会产生不可避免的错误，在现场工作中造成不必要的损失。

本文对不同层理倾角页岩进行单轴和三轴压缩实验获得力学参数，研究页岩的各向异性强度特征以及变形各向异性特征。

由于离散元理论适用于不连续岩石的特点，利用离散元软件PFC2D对含有层理页岩进行数值模拟研究，实现对页岩力学参数的确定，从而研究不同角度下含有单一层理和含有一组层理页岩的抗压强度。

关键词：页岩；各向异性；颗粒流软件中图分类号：TU452 文献标识码:AExploration of the anisotropic mechanical of shaleMu Jingfu(Research institute, Shaanxi Yanchang Oil(Group) Co., Ltd, Shanxi , 710075)Abstract ：Shale which is the set of rock of shale gas is obviously anisotropic different from conventional reservoir rock, since it has thin pageof bedding. It must cause unnecessary loss in the actually work if still assumes that shale is isotropic. In this paper the anisotropy of shale strength and deformation is studied base on the mechanical of rock of different angle of bedding which are obtained through the uniaxial and triaxial compression test. The anisotropy of shale of single bedding and a group of bedding is studied. The mechanical of shale is simulated by discrete element software PFC2D.Keyword ：Shale ；Anisotropy ；PFC引言自然界岩体中存在着大量的节理、层理等不连续面，具有明显的各向异性。

层理弱面的存在对岩体的强度以及变形规律产生明显的影响，依然假设岩体为连续介质，将会产生不可避免的错误。

当前，许多学者开展了大量关于节理、层理弱面对岩体力学性质影响的试验研究。

但是由于岩石的不均匀性、复杂性以及技术原因，室内试验获得力学参数费时、费力而且花费高。

如若将室内试验和数值模拟试验结合，将会更好的研究和了解层理面的存在对岩体力学性质的影响。

对于含有层理的不连续体，不宜采用连续介质模型或 “等效模型”进行分析，采用离散元软件PFC2D进行仿真模拟，能更准确的分析含有层理岩石试样的力学参数。

一、室内试验1.试样制备及实验过程岩石单轴压缩实验是指，是岩石试样在无侧压的情况下，在轴向压力作用下发生变形直至破坏的试验。

页岩层理发育明显，所以本次试验所用岩石试样取自志留系龙马溪组中厚层状黑色页岩，碳质含量高，试验仪器为全伺服控制岩石力学实验系统。

由于取自露头的页岩形状很不规则，不能直接用于实验。

实验前必须对页岩进行加工，由于取芯设备、时间和技术原因，只能分别与层理方向为0度，45度，90度角度取芯并编号，岩石试样为圆柱型，直径为25mm，长度为50mm。

轴向和径向应变仪夹持并固定在试件上，试件放入三轴应力试验仪器，无围压，轴向加载速度为0.35mm/min，通过数据采集系统获得试验过程中的轴向应力，从而得到该试件的抗压强度。

2.试验结果岩石是矿物颗粒集合体，具有明显的非均质性，同时由于岩石在长期复杂的地质作用产生裂隙、空洞等缺陷，所以试样的力学参数具有明显的差异性，离散度大。

本次试验三个层理倾角的取样不少于5块，以减少试样及试验产生的误差。

层理倾角为0度岩心抗压强度分布为101.1MPa～170.4Mpa，平均值137.0Mpa；层理倾角为45度岩心抗压强度分布为71.3MPa～106.9MPa，平均值90.4Mpa；层理倾角为90度岩心抗压强度分布为94.9Mpa～158.6MPa，平均值132.4MPa。

随着倾角的增大，试样的抗压强度先减小后增大层理倾角不同，岩石的抗压强度有明显的差异。

二、层理试件数值试验模拟PFC2D程序作为一种特殊的离散单元法，克服了传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设，无需事先指定岩石或节理的本构关系, 可以解决基于连续介质力学建立本构模型难以处理的复杂岩石断裂力学问题。

PFC 模型是直接破坏型模型, 其强度并不按指定的应力—应变关系发生变化, 而是随着内部微观结构发生改变。

1.试验模型建立PFC2D模型建立的依据是所取岩心试件室内试验结果获得的。

根据室内试验获得的0度、45度、90度岩石试件抗压强度、弹性模量和泊松比的平均值，通过不断调试程2016·0540技术应用与研究Chenmical Intermediate当代化工研究序，获得与室内试验相符合的数值模型的颗粒微观力学参数。

数值试验选择点接触本构模型，模型为长方形，长度为100mm，宽度为50mm，最小颗粒半径0.3mm，颗粒半径比1.66，颗粒密度2600kg/m3，力学参数与实际基本一致。

建立层理面倾角为0度、15度、30度、45度、60度、75度、90度等七种不同倾角的模型，微观力学参数分别为法向粘结力为70Pa，剪切粘结力为420Pa，摩擦系数为0.1。

层理面位于模型的中心位置，含有一组层理面模型层理面间距为12mm。

2.数值试验过程含有层理模型生成以后，进行双轴压缩模拟环境的建立。

模型周围的四个墙单元来对模型施加力或者位移从而完成实验模拟。

对于双轴实验，上端墙单元与下端墙单元作为加载板，通过伺服控制机制，侧面两个墙单元施加速度，从而保持恒定的围压。

关闭侧面墙单元的伺服控制，删除侧面的两个墙单元，就可以对模型进行单轴压缩实验。

上方墙单元与下方墙单元分别以速度Vp 彼此移动靠近从而产生压力进行双轴压缩实验。

如果速度设定为一个单一的速度，如此大的加速度产生的施加给试件的惯性力将会对试件产生破坏。

为了避免惯性力的产生，设定一个小的加速步S p 在Np步循环以后达到最终速度Vp。

对双轴压缩环境设定结束后，即可进行单轴和双轴压缩试验数值模拟。

3.单轴压缩数值试验结果分析如上所述建立模型，进行单轴压缩实验，获取倾角45度试件数值模拟应力应变曲线，并与实验应力应变曲线对比。

红色虚线为数值试验模拟结果，蓝色实线为室内试验获得的数据，基于PFC2D的数值试验能很好的模拟含有层理岩石的室内压缩试验，所获得的数值模拟力学参数与真实试验获得的力学参数基本一致。

通过PFC2D程序内置FISH语言，编制程序，获得含有单一层理和一组（三条）层理在7种层理面倾角情况下的抗压强度。

对比室内试验数据与数值模拟数据，数据差异控制在6%以内，差异较小。

对于含有单一层理模型抗压强度曲线呈现“单肩型”，符合Jeager提出的单一弱面理论，在0度到30度时，抗压强度基本相等变化不明显；30度到60度时，抗压强度明显减小，并在60时取得最小值；60度到90度时，抗压强度逐渐增大，90度与0度抗压强度基本相等。

对于含有一组层理模型抗压强度曲线不再为“单肩 型”，在0度到30度时，抗压强度略微减小；30度到60度时，抗压强度明显减小；在60度到75度之间取得最小值；60度到90度时，抗压强度逐渐增大；90度与0度抗压强度基本相等。

含有一组层理模型抗压强度小于同一倾角的含有单一层理模型的抗压强度，层理面的数量影响模型的抗压强度，层理面增多，抗压强度减小。

4.双轴压缩数值试验结果分析修改目标围压值为10M P a，20M P a，30M P a， 40MPa，50MPa，运行程序，模拟在多种围压情况下，数值试件的抗压强度的变化。

随着围压增大，试件的抗压强度明显增大，最低抗压强度值依然在60度倾角试件获得，曲线逐渐趋于平滑，呈现出“双肩型”，各向异性性质逐渐不明显，当围压达到单轴抗压强度一半时，试件中存在的弱面即不在发生作用。

对含有一组三条平行层理试件分别施加10M P a、 20MPa、30MPa、40MPa和50MPa围压进行双轴试验数值模拟。

在相同围压下，抗压强度曲线随着试件倾角的增大表现为先减小后增大，在60度时取得最小值。

在围压下，由于含有多条层理弱面，弱面效应对于低角度和高角度倾角也变得明显，含有一组层理试件曲线不再与含有单一层理的 “双肩型”曲线相同。

三、结论通过对含有层理页岩进行室内力学参数试验以及含有单一层理和一组层理试件模型的数值试验，得出以下主要结论：1.0度、45度、90度三种倾角试件室内单轴试验表明，随着角度增大，单轴抗压强度先减小后增大，层理弱面效应明显。

2.颗粒流程序能很好的模拟含有层理岩石的数值模拟试验。

单一层理与一组（三条）层理模型抗压强度倾角效应曲线不同；含有单一层理模型抗压强度倾角效应曲线为“单肩型”，而含有一组（三条）层理模型抗压强度倾角效应曲线，表现为先缓慢减小到急剧减小然后急剧增大的趋势。

3.在施加围压情况下，含有单一层理模型抗压强度倾角效应曲线为“双肩型”，一组层理模型表现为先减小后增大的趋势。

参考文献[1]张鸿翔,页岩气:全球油气资源开发的新亮点——我国页岩气开发的现状与关键问题.中国科学院院刊,2010(04).　[2]周健,池毓蔚,池永等.砂土双轴试验的颗粒流模拟[J].岩土工程学报，2011,23(6):701—704.[3]Cundall P A.Practice Flow Code in 2 Dimensions [M].Minnesota: Itasca Consulting Group,Inc,1996.[4]Cundall P A. Practice Flow Code in 2 Dimensions Fish in pfc[M].Minnesota: Itasca Consulting Group, Inc,1996.[5]Cundall P A. PFC2D User’s Manual [M].Minnesota: Itasca Consulting Group,Inc,1996.[6]Jeager J C.Shear failure of anisotropic rocks[J] .Geol.Mang.1960,97,65-72.[7]Hoek E. Brittle failure of rock. In Rock Mechanics Engineering Practics[J],G Stagg and O.C.Zienkiewicz.eds.,Wiley,London.1968,99.•【作者简介】穆景福（1985~），男，陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，研究方向：储层改造。

合集下载

2.5 岩石影响强度的因素

2.5 岩石影响强度的因素

7
8
三、水对岩石力学性能的影响 岩石中的水 结合水（连结、润滑、水楔作用） 结合水（连结、润滑、水楔作用） 重力水（ 自由水） 孔隙压力、 重力水 （ 自由水 ） （ 孔隙压力 、 溶 蚀及潜蚀作用） 蚀及潜蚀作用）。 水对岩石力学性质的影响与岩石的孔隙性 和 水对岩石力学性质的影响与岩石的 孔隙性和 水理性 孔隙性 （吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）有关。 吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）有关。 水对岩石力学性质的影响主要体现在5个方面： 水对岩石力学性质的影响主要体现在5个方面： 连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、 连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶 蚀及潜蚀作用。 蚀及潜蚀作用。
10
水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近， 3、水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补 充到矿物表面时， 充到矿物表面时 ， 矿物颗粒利用其表面吸引力将水分子 拉到自己周围， 拉到自己周围 ， 在颗粒接触处由于吸引力作用使水分子 向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入， 向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入 ， 这种现象称为水楔 作用。 作用。
19
六、 受力状态对岩石力学性能的影响
岩石的脆性和塑性并非 岩石固有的性质， 岩石固有的性质 ， 而与岩石 的受力状态有关， 的受力状态有关 ， 随着受力 状态的变化， 状态的变化 ， 其脆性和塑性 时可以相互转化的。 时可以相互转化的。 例如坚硬的花岗岩在很高 的地应力条件下， 的地应力条件下 ， 表现出明 显的塑性变形。 显的塑性变形 。 这与试验结 果吻合。 果吻合。
16
c. 边坡失稳降雨的诱发因素 2001年该地区出现几十年未遇的特大旱情,由于大旱后 被砂粘土层覆盖的风化壳型边坡, 经过强烈蒸发后, 地下 水位出现不同程度的降低, 形成深厚的非饱和区, 使坡体 内的地下水位对表水进入反应敏感。2002年4 月, 当地 出现连续暴雨, 雨势急猛, 月降雨量高达500~ 600mm, 大量雨水汇集浸入坡体, 边坡剪出口出水量亦随之增大、 混浊。经取样试验(见表1) , 大荒田边坡大旱降雨 后, ฀ 内摩擦角平均降低了31.1%, c 值平均降低了 45.0%, 通过计算知, 2001年10月大旱时边坡的稳定系数 为1.07, 而在2002年4月降雨后则剧降至0.89。
岩石力学

岩石力学

岩石力学岩石的物理性质 一、 岩石的分类火成岩：侵入岩和喷出岩。

沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。

变质岩：不含油气。

二、 岩石的强度主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。

1、 孔隙度：绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。

有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。

2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。

其大小用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。

达西定律：A LhK Q ∆=φ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。

则渗透率为1达西（D ）。

3、 岩石中的油、气、水饱和度。

…4、 岩石的粒度组成和比表面积：粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。

通过粒度得孔隙度。

比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。

通过粒度组成估算比面。

孔隙度、粒度、比表三者之二求一岩石的力学性质岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。

2、 塑性3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。

4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。

（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于的称脆性材料）5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。

岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。

其本构关系略。

6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。

探究岩石抗压强度的影响因素及试件破坏形态

探究岩石抗压强度的影响因素及试件破坏形态

第47卷第3期6|J送坊Vol.47,No.3 2021年3月Sichuan Building Materials March,2021探究岩石抗压强度的影响因素及试件破坏形态杨振,亓宪寅(长江大学城市建设学院，湖北荆州434023)摘要:影响岩石抗压强度的因素众多，其与自身物理力学性质有着极大相关性。

由于岩石矿物组成成分不同、胶结物不同、内部裂隙及层理不同，均可能导致岩石抗压强度不同。

本文着重对岩石抗压强度试验中，人为或试验设备等外部因素对其强度的影响进行归纳与分析。

已有大量试验证明，不同的试件尺寸与形状、相对比例、加载速率及端部效应等会对岩石抗压强度产生不同程度的影响，试验机刚度较低、围压腔体渗漏、试件崩解等会造成岩石抗压强度的差异。

此外，通过岩石单轴和三轴抗压强度试验验证了三种典型的岩石破坏模式，并讨论了其破坏机理。

关键词：岩石抗压强度;影响因素；试验设备;破坏形态中图分类号:TU45文献标志码:A文章编号：1672-4011(2021)03-0087-02D01：10.3969/j.issn.1672-4011.2021.03.043Explore the influencing factors of rock compressive strength and the failure form of specimenYANG Zhen,QI Xianyin(School of Urban Construction, Yangtze University,Jingzhou434023,China)Absrtact:There are many factors that affect the compressive strength of rock,and its strength has an important relationship with its physical properties.Due to different rock mineral compo­sition,different cement,internal cracks and bedding,all may cause different rock compressive strength.This article focuses on the induction and analysis of the influence of external factors such as artificial or experimental equipment on compressive strength of rock.A large number of tests have proved that differ­ent specimen size and shape,relative ratio,loading rate and end effect will have different effects on the compressive strength of the rock；the rigidity of the test machine is low,the confining pressure cavity leaks,the test Piece disintegration will cause differences on rock compressive strength.In addition,through rock uniaxial and triaxial compressive strength tests,the three typical failure forms of the rock were verified,and the failure mechanism and factors affecting the strength in the test were dis­cussed.Keywords:compressive strength of rock；influencing factors；ex­perimental equipment；failure formo前言岩石抗压强度对工程实际应用与科学试验研究有着重要收稿日期：2020-07-19作者简介：杨振(1996—),男，湖北潜江人，硕士，主要从事岩土及地下空间工程方面的研究工作。

实验一 岩石单轴抗压强度试验

实验一 岩石单轴抗压强度试验

实验一岩石单轴抗压强度试验1.1 概述当无侧限岩石试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。

在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。

不同含水状态的试样均可按本规定进行测定，试样的含水状态用以下方法处理：（1）烘干状态的试样，在105～1100C下烘24h。

（2）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度的1/4，然后每隔2h分别升高水面至试样的1/3和1/2处，6h后全部浸没试样，试样在水下自由吸水48h；采用煮沸法饱和试样时，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于6h。

1.2 试样备制（1）试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不允许有人为裂隙出现。

按规程要求标准试件为圆柱体，直径为50mm，允许变化范围为4.8～5.20m m。

高度为100m m，允许变化范围为9.5～10.50m m。

对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:1～2.5:1。

（2）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备3个。

（3）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。

两端面的不平行度最大不超过0.05mm。

端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。

1.3 试样描述试验前的描述，应包括如下内容：（1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。

（2）节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。

（3）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。

1.4 主要仪器设备试样加工设备：钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。

量测工具与有关检查仪器：游标卡尺、天平（称量大于500g，感量0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。

加载设备：压力试验机。

压力机应满足下列要求：（1）有足够的吨位，即能在总吨位的10%～90%之间进行试验，并能连续加载且无冲击。