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基于岩石破坏全过程能量演化的脆性评价指数_张军

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基于强度参数脆性指数的岩石 Ⅰ 型断裂韧度评价

基于强度参数脆性指数的岩石 Ⅰ 型断裂韧度评价

基于强度参数脆性指数的岩石Ⅰ 型断裂韧度评价包含;郭文明;张国彪;晏长根【摘要】在试验数据收集基础上,选取3种典型强度脆性指数作为考察对象,建立Ⅰ型断裂韧度与脆性指数之间的线性关系,得到基于不同脆性指数的岩石Ⅰ型断裂韧度参数化模型.通过引入交叉验证法获得准确的模型参数,并对模拟结果进行检验,评价各模型的适用性和相互之间的差异.结果表明:3种评价模型在评价和预测岩石Ⅰ型断裂韧度上均有很强的可靠性,可以借助脆性指数评价岩石的Ⅰ型断裂韧度;3种模型的评价和预测精度存在一定差异,总体来看,基于莫尔圆脆性指数的评价模型优于压拉强度脆性指数评价模型和抗压强度脆性指数评价模型,从而证明Ⅰ型断裂韧度是岩石综合力学性质的体现,利用多强度指标建立评价模型将会获得更准确、合理的Ⅰ型断裂韧度值;由于抗压强度获取便捷,利用其建立的评价模型也具有较高的评价精度,在要求快速评价时,可优先考虑选择基于抗压强度脆性指数的岩石Ⅰ型断裂韧度评价模型.【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2018(035)004【总页数】8页(P97-104)【关键词】Ⅰ型断裂韧度;脆性指数;强度参数;多强度指标;优化模型【作者】包含;郭文明;张国彪;晏长根【作者单位】长安大学公路学院 ,陕西西安 710064;河南省交通科学技术研究院有限公司 ,河南郑州 450006;长安大学公路学院 ,陕西西安 710064;长安大学公路学院 ,陕西西安 710064【正文语种】中文【中图分类】TU458.30引言断裂韧度是反映岩石抵抗裂纹扩展能力的重要力学参数，在科学研究和工程实践中应用广泛。

Ⅰ型断裂韧度KIC作为最常用的断裂力学参数，反映了岩石抵抗拉张破坏的能力。

为获取岩石的Ⅰ型断裂韧度，国际岩石力学学会(ISRM)推荐使用“V”形切槽圆梁三点弯曲(CB)试样[1]、短棒(SR)试样[1]、“V”形切槽巴西圆盘(CCNBD)试样[2]和中心直裂纹半圆盘三点弯曲(SCB)试样[3]，美国材料与测试协会(ASTM)则推荐了单边直裂纹三点弯曲梁(SC3PB)试样[4]。

岩石脆性和塑性指标测试方法与分析

岩石脆性和塑性指标测试方法与分析

岩石脆性和塑性指标测试方法与分析岩石是地球上重要的构造材料之一，了解岩石的性质对工程建设和地质研究具有重要意义。

其中，岩石的脆性和塑性指标是评估岩石抗破坏性能的重要参数。

本文将介绍岩石脆性和塑性指标的测试方法和分析。

一、岩石脆性指标测试方法与分析脆性是岩石破裂的倾向，通常可以通过强度试验来表征。

最常用的方法是岩石压缩试验。

该试验会施加垂直于岩石样本的压力，通过测量压力和变形的关系，可以得到相应的脆性指标。

在岩石压缩试验中，常用的指标包括弹性模量、抗压强度和破裂韧度。

弹性模量可以反映岩石的刚度，抗压强度则是岩石在受到压力时能够承受的最大应力，而破裂韧度则是岩石在破裂前能够吸收的能量。

除了岩石压缩试验，还可以利用冲击试验来评估岩石的脆性。

冲击试验中，会利用冲击能量使岩石样本受到冲击加载，从而观察岩石样本的破裂情况。

通过测量冲击力和冲击变形，可以得到脆性指标。

二、岩石塑性指标测试方法与分析塑性是岩石变形的倾向，可以通过剪切试验来评估。

剪切试验中，将岩石样本施加剪切力，通过测量强度和变形，可以得到相应的塑性指标。

在岩石的剪切试验中，常用的指标包括剪切强度和剪切模量。

剪切强度是岩石在受到剪切力时能够承受的最大应力，剪切模量则是岩石变形的刚度。

除了剪切试验，还可以通过拉伸试验来评估岩石的塑性。

拉伸试验中，将岩石样本拉伸，通过测量拉伸力和变形，可以得到相应的塑性指标。

三、岩石脆性与塑性指标分析脆性指标和塑性指标主要描述了岩石在受力过程中的破裂和变形情况。

通过对这些指标的测试和分析，可以更全面地了解岩石的力学性质和破坏机理，为工程建设和地质研究提供依据。

脆性指标较高的岩石通常呈现出脆性破坏，即在受到较小的应力作用下迅速发生破坏。

塑性指标较高的岩石则表现出塑性变形，即在受到较大的应力作用下具有一定的变形能力。

了解岩石脆性和塑性指标的测试方法和分析对于地质灾害评估和工程设计具有重要的意义。

在地质灾害评估中，通过分析岩石的脆性和塑性指标，可以预测岩石在地震或其他外力作用下的破坏程度。

岩石类脆性材料细观本构模型参数反演方法研究进展

岩石类脆性材料细观本构模型参数反演方法研究进展

3. 岩石宏观本构模型参数反演方法研究进展

岩石是一种由多种物质组成的具有初始缺陷的非均匀体。岩体中裂隙面的分布情况决定了岩体在各
种工况下的破坏过程。离散元法已广泛应用于岩石工程和地下工程等多个领域。当前离散元模型的核心
摘要
连续介质力学模型较难模拟岩石类脆性材料在破坏过程中出现的非连续特性，离散元方法为解决这类难 题提供了新的途径。如何准确反演估计岩石类脆性材料细观本构模型参数，已经成为制约离散元方法工 程应用的瓶颈之一。系统评述了岩石破坏过程细观数值模拟方法，介绍了岩石宏观本构模型参数反演方 法研究进展，讨论了岩石细观本构模型及其参数反演方法。岩石材料细观本构模型参数反演研究为离散 元模拟从定性分析到精确定量计算奠定基础，也是进行岩石类材料破坏机理多尺度研究的前提。
关键词
参数反演，细观本构模型参数，响应面方法，径向基神经网络，宏观实验数据，平行粘结模型
Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). /licenses/by/4.0/
DOI: 10.12677/ijm.2020.92007
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力学研究
李守巨
及裂隙传播情况[3]。岩石是一种初始缺陷随机分布的非均匀体，其各种参数的分布具有统计学的特征。在 外荷载的长期作用下，岩石的结合面上产生初始损伤。该损伤会局部出现，并导致岩石的应变软化现象。
国外学者提出了一种颗粒流的方法，用来模拟岩石颗粒的运动与相互之间的作用。该方法已经在岩 石力学等多个工程领域得到应用，并对岩石断裂和岩石损伤机理从细观角度予以揭示。国内学者也应用 UDEC 软件模拟了岩石初始裂纹在各种荷载工况下的发展过程[4] [5]。根据岩石类材料局部应变和应力的 分布特点，于庆磊研究了单轴受压状态下颗粒材料的裂纹在三维空间的产生和发展状况及其破裂模式[6]。 但是，至今为止科学家还没有把岩石裂纹的微观机理和宏观参数建立起来有效的联系。而着眼与宏观裂 纹分析的岩石断裂力学理论与方法，主要致力于研究裂纹尖端附近的应力场、应变场和能量释放率等， 目的是建立宏观裂纹起裂、裂纹的稳定扩展和失稳扩展判据。

基于XGBoost模型岩体可爆性研究

基于XGBoost模型岩体可爆性研究

基于ＸＧＢｏｏｓｔ模型岩体可爆性研究收稿日期：２０２３－０８－０３；修回日期：２０２３－１０－２５基金项目：国家自然科学基金项目（５２２６４０１９，５１８６４０２３）作者简介：吴凌峰（１９８６—），男，工程师，从事地下采矿工程研究工作；Ｅ ｍａｉｌ：４０３３０２９７４＠ｑｑ．ｃｏｍ通信作者：周宗红（１９６７—），男，教授，博士，从事采矿与岩石力学教学与研究等方面工作；Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈｏｕ２００５１００１＠１６３．ｃｏｍ吴凌峰１，周宗红２，孙　伟１（１．金平长安矿业有限公司；２．昆明理工大学国土资源工程学院）摘要：岩体可爆性是衡量岩体爆破难易程度的一个重要指标，准确对岩体可爆性评价能够为合理爆破设计提供依据。

选取岩石密度、单轴抗压强度、岩石抗拉强度、岩石脆性指数、动载强度和完整性系数等作为岩体可爆性数据集的指标，采用Ｚ－Ｓｃｏｒｅ方法标准化岩体可爆性数据集，消除量纲对模型预测影响，分别采用朴素贝叶斯、支持向量机和ＸＧＢｏｏｓｔ模型进行岩体可爆性分级，结果表明：采用ＸＧＢｏｏｓｔ模型能够准确评价岩体的可爆性，为岩体可爆性评价提供一种新的方法。

关键词：爆破；岩体可爆性；可爆性分级；ＸＧＢｏｏｓｔ；机器学习算法 中图分类号：ＴＤ２３５ 文章编号：１００１－１２７７（２０２４）０２－００２１－０３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１１７９２／ｈｊ２０２４０２０４引　言岩体可爆性是指岩体在炸药爆炸冲击下发生破碎的难易程度。

由于矿山爆破自身存在不确定性、复杂性和多变性等，目前国内外对于岩体可爆性尚未达到统一共识。

因此，亟须探索一种方法进行岩体可爆性评价。

国内外学者对岩体可爆性展开研究，常用的分级方法包括单一指标普氏分级、勒诃谢达洛夫法和邦德法；多指标苏氏分级、库图佐夫分级和神经网络分级等。

单一指标分级多为早期岩体可爆性分级研究，岩体可爆性与岩石本身性质和爆破工艺相关，故单一指标无法有效反映岩体可爆性，近些年多指标研究被学者们广泛关注［１－３］。

岩石破损过程强度变化规律实测研究_张后全

岩石破损过程强度变化规律实测研究_张后全

Abstract：Rock material strength will degrade with the damage in rock failure process. This paper reports one self-designed method to test rock strength degradation and introduces the technical routine，sample preparation and its key technique in detail. Through self-designed direct shear tests，the relationships between shear stress and compressive stress of irregular damaged rock samples which are produced in common uniaxial and triaxial compressive experiments are obtained；and a Coulomb strength curve can be gained by the linear regression through compression-shear testing data. A comparison between the Coulomb strength curve and the ultimate Mohr circle envelope linearly-regressed by previous uniaxial and triaxial compressive experimental data is performed； and the evolution laws of material strength(cohesion and internal friction angle) in rock failure process are analyzed and discussed. The application scopes of two kinds of completely reverse evolution laws of cohesion and internal friction angle are clarified through the analysis and discussion. The research results show that the cohesion

岩石声发射b_值及其计算方法研究

岩石声发射b_值及其计算方法研究

·68·第8期张慧敏，等.大连自贸区岩质边坡稳定性评价在滑动面上边坡安全系数要根据极限平衡条件求得。

这时，安全系数等于总抗滑力比总滑动力如式（1）。

Fs=（CL+γV cosαtanφ）/γV sinα（1）式中：C代表岩土体的黏聚力，kPa；L表示滑动面的长度，m；γ表示边坡土体的容重，kn/m3；V代表岩体的体积，m3；α代表结构面的倾角，（°）；φ表示内摩擦角，（°）［7］。

计算结果见表2，由表2可知，平面滑动法所得到的边坡安全系数与上述赤平投影法所得到的边坡稳定状态相符合，三段边坡均处于稳定状态。

需要注意的是，通过平面滑动法得到的BC段边坡安全系数结果接近规范规定结果，理论上边坡仍处于稳定状态，但在实际工程应用中，这种类型边坡需要做支护处理，下文中有提及支护建议。

5边坡防护建议现场调查发现，该段边坡长时间暴露在外，在风化作用以及雨水的冲刷作用下，仍然存在坍塌滑落的风险。

而大连地处季风气候区，夏季多突发性暴雨。

据统计，大连日最大降水量为247.2mm，在这种条件下非常容易引发滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害［5-6］。

研究区域内岩体破碎，发育有大量节理、裂隙，遇降雨后易形成坡面径流，雨水沿着岩石上部裂隙不断渗入，在此条件下岩体会发生软化导致岩体抗剪强度降低，为滑塌创造条件。

观察该段边坡岩土体的情况可以发现，这段边坡坡度较大且遭受风化剥蚀严重，决定采取喷锚支护作为边坡的防护手段。

5.1支护技术参数设置全场黏结锚杆，锚杆长度6m，间距3×3m，梅花型布置。

AB段边坡支护如图5所示。

表面喷C20混凝土，混凝土厚度10cm。

坡面设置泄水孔，间距3×3m。

施工时坡面表面将松动和凸出的岩体凿除。

坡顶和坡底各设置一道截水沟，截水沟截面面积500×500mm2。

5.2支护施工工序支护施工工序如下：首先，清理坡面上的孤石、危岩及破碎岩体，并清除坡面植被；其次，分层清理坡面，清理一层完毕后立即进行坡面钻孔，设置锚杆；最后，喷射混凝土，挂设钢筋网，张拉锚索，设置坡面泄水孔。

某隧道硬岩岩石耐磨性与岩石基本力学指标的关系

某隧道硬岩岩石耐磨性与岩石基本力学指标的关系
罗华
【期刊名称】《西部探矿工程》
【年(卷),期】2009(021)007
【摘要】用试验和数理统计方法,对某隧道硬岩岩石耐磨性与岩石基本力学指标进行相关性关系研究,通过建立岩石耐磨性与基本力学指标(单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和单轴抗拉强度)以及各力学指标之间的数学拟合关系,分析得出硬岩岩石耐磨性与基本力学性质指标具有相关性,并且在硬岩条件下岩石单轴抗压强度可以作
为力学指标代表为TBM施工提供技术参数.
【总页数】3页(P166-168)
【作者】罗华
【作者单位】连云港市交通工程质量监督站,江苏,连云港,222006
【正文语种】中文
【中图分类】U452.12
【相关文献】
1.基于TBM施工的隧道岩石耐磨性与岩石强度的相关性分析 [J], 罗华;冯涛
2.钻爆法掘进硬岩隧道中岩石可钻性的预测 [J], Thuro,K;郭滨
3.北祁连山清水沟蓝片岩带中含硬柱石蓝片岩和榴辉岩的岩石学、40Ar/39Ar年
代学及其意义 [J], 林宜慧;张立飞
4.隧道岩石耐磨性与岩石物力学指标相关性研究 [J], 王华;吴光;赵志明
5.高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比关系研究 [J], 杨静熙;黄书岭;刘忠绪
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深层致密砂岩储层脆性指数评价新方法

深层致密砂岩储层脆性指数评价新方法刘惠民;郑金凯;赵文山;杜振京;李静;王昊【摘要】储层岩石脆性评价是储层压裂改造方案设计的重要基础工作,对储层压裂改造效果有着重要影响.以准中地区深层致密砂岩储层为研究对象,开展了0～90 MP a多级围压下的岩石三轴试验,分析了围压变化对于岩石脆性的影响.针对现有脆性指数对目标储层岩石脆性评价效果不理想的情况,基于应力-应变曲线中的能量转化关系建立了新的脆性指数模型,包括岩石峰前峰后脆性指数和综合脆性指数.研究结果表明:试验围压对岩石脆性评价有着显著影响;岩石峰前脆性随围压增大先增加后减小,峰后脆性和综合脆性随围压增大而递减;研究区储层含砾细砂岩的脆性较细砂岩的脆性小,脆性差异主要表现在峰后脆性.【期刊名称】《地质力学学报》【年(卷),期】2019(025)004【总页数】9页(P492-500)【关键词】岩石力学;脆性指数;应力-应变曲线;能量转化;峰前脆性;峰后脆性【作者】刘惠民;郑金凯;赵文山;杜振京;李静;王昊【作者单位】中国石化胜利油田分公司油气勘探管理中心, 山东东营257017;中国石油大学 (华东) 地质力学与工程研究所, 山东青岛266580;中国石化胜利油田分公司油气勘探管理中心, 山东东营257017;中国石化胜利油田分公司油气勘探管理中心, 山东东营257017;中国石油大学 (华东) 地质力学与工程研究所, 山东青岛266580;中国石油大学 (华东) 地质力学与工程研究所, 山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TE311;TU450 引言致密砂岩储层具有低孔、低渗的特征，压裂改造对于此类储层的开发尤为重要[1]。

而储层可压裂性评价对于压裂层段优选及压裂方案设计具有重要意义。

近年来，国外学者开始使用脆性指数来表征储层岩石的可压裂性，并指出脆性指数越大，储层岩石越易于压裂[2]。

在储层岩石脆性指数计算方面，相关学者从不同角度提出了多种计算方法。

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及损伤规律

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及损伤规律朱晶晶;李夕兵;宫凤强;王世鸣;贺威【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)007【摘要】在单次冲击和重复冲击载荷作用下,利用大直径霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对砂岩的动力学特性进行试验研究.从岩石的细观裂纹扩展和能量吸收的角度,分析岩石的破坏过程.基于Weibull分布的统计损伤理论,计算试件的损伤度,并结合应力-应变曲线分析岩石损伤度的演化规律.研究结果表明:砂岩的动态抗压强度和单位体积吸收能均表现较强的应变率效应,分别与应变率呈指数函数关系和线性关系.在重复冲击试验中,随着重复冲击作用次数的增加,试件的弹性模量降低,屈服应变增加,屈服应力呈降低趋势.此外,损伤度随着应变的增加逐渐增大,在应力-应变曲线的峰值强度处,损伤度出现一个明显的拐点,即在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤度迅速增大.%The experiments on dynamic mechanical performance of sandstone were carried out under single impact and repeated impact loadings by using a large diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB). The failure process of sandstone specimen was analyzed from the perspective of the microscopic crack growth and energy absorbency. The damage degree of specimens was calculated by using a statistical damage theory based on Weibull random distribution and its evolution law was analyzed with the stress-strain curves. The results show that, the dynamic compressive strength and the absorbing energy per unit volume of sandstone are strain rate dependent. The relationship between dynamicstrength and average strain rate is approximately exponential function, and for the absorbing energy per unit volume, the strain rate effect can be expressed by linear approximation. In repeated impact tests, with the increase of repeated action times of impact loads, the elastic modulus of sandstone decreases, the yield strain increases and the yield stress of specimens shows a decreasing trend. In addition, in the process of impact loading, the sandstone damage degree increases with the increasing of strain. At the peak of the stress-strain curve, the damage degree has an inflection point, which means that rock damage rapidly increases when the microcracks propagation runs into the unstable phase.【总页数】7页(P2701-2707)【作者】朱晶晶;李夕兵;宫凤强;王世鸣;贺威【作者单位】中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点试验室,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点试验室,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;湖南省长湘高速公路建设开发有限公司,湖南长沙,410219【正文语种】中文【中图分类】TU45【相关文献】1.冲击载荷作用下电磁阻尼器动力学特性 [J], 黄通;郭保全;张彤;毛虎平;丁宁2.冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及能耗规律 [J], 陈俊宇; 裴向军; 杜瑞锋; 张祺3.高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统动力学响应特性 [J], 程祥利; 赵慧; 焦敏; 叶海福; 李林川4.高冲击载荷作用下筒型电磁阻尼器动力学特性研究 [J], 常亚;郭保全;丁宁;黄通;潘玉田5.强冲击载荷作用下Halbach阵列电涡流阻尼器动力学特性仿真分析 [J], 李启坤;葛建立;李加浩;杨国来;孙全兆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

浅谈岩石损伤力学

浅谈岩石损伤力学岩石是一种典型的脆性材料，表现出与金属、合金和聚合物不同的特性，根本原因就是它是一种内部含有许多微裂隙的多孔介质。

当外界对其施加能量或者荷载时，其裂纹的扩展、汇合将会严重影响到岩石的宏观力学效能，对工程应用带来重大困难。

而岩石损伤力学就是针对这一问题从微裂纹萌生、扩展、演化到宏观裂纹形成、断裂、破坏的全过程进行研究，旨在通过建立岩土损伤本构模型和损伤演化方程，评价岩土体的损伤程度，进而评估其稳定性。

伴随着大规模的岩石工程建设，损伤力学理论取得了丰硕成果，本文仅对损伤力学在国内外研究现状做一个简要综述。

在矿山、水利、交通、国防、能源、人防等众多的岩体工程中，如何评价岩体的稳定性，进行合理的支护决策，以保证工程的安全建设和营运，是岩土力学领域的一个重要课题。

而岩体工程的失稳大多是由断层和裂隙扩展促成的，在岩土工程中随处可见，例如在地下工程中由于开采引起顶板上覆盖层破坏、围岩松动、里层的形成都是岩体中的微裂隙扩展造成的。

然而岩石是自然界的产物，是由多种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成的混杂体。

经过亿万年的地质演变和多期复杂的构造运动，使岩石含有不同阶次随机分布的微观孔隙和裂纹。

在宏观尺度上天然岩体又为多种地质构造面（节理、断层和弱面等）所切割。

这些重要特征表征岩石是一种很特殊很复杂的材料，它不是离散介质（因为它是结晶材料），也不是连续介质，因存在着宏、细、微观的不连续性。

岩石材料实质上是似连续又非完全连续，似破断又非完全破断的介质。

所以岩石材料是极其复杂的非连续和非均质体，它的力学属性具有非线性、各向异性及随时间变化的流变特性。

岩石的变形和破坏特性不但和岩石的复杂结构相关，而且还受温度、围压、孔隙水等环境因素的影响。

然而如何才能将岩石的微裂隙影响和细观断裂机理与岩石宏观力学宏观结合起来，把强度和断裂理论建立于微裂纹演化的细观动力学基础上，从而导出宏观的力学量，更好的解决岩石的稳定和强度问题？成为啦广大岩土工作者必须急待解决的课题，从而岩土理论也取得啦前所未有的发展，通过对岩土介质从微裂纹萌生、扩展、演化到宏观裂纹形成、断裂、破坏的全过程进行研究，通过建立岩土损伤本构模型和损伤演化方程，评价岩土体的损伤程度，进而评估其稳定性。

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1
引
言
脆性是岩石材料的一种综合力学特性，不仅受岩石 破坏前内部微缺陷的损伤演化的影响，而且与峰值 后破坏模式密切相关。进一步分析前人的脆性指数 可以知道，一个科学且适用的岩石脆性评价指标应 该具有充足的物理依据，能够描述岩石由理想塑性 到理想脆性的整个范围，并且其结果应该能够连续、 单调地衡量岩石的脆性。因此，仅以峰前力学参数 或峰后应力跌落特征表征的岩石脆性都有一定的局 限性。脆性表征的是材料破坏前抵抗非弹性变形与 破坏后维持宏观破坏的能力，与岩石的整个断裂破 坏过程密切相关，在定义和衡量岩石脆性时不能孤 立地考虑峰前或峰后的力学性质，而应考虑整个破 坏过程。岩石材料的变形破坏实质上是能量耗散和 能量释放的过程，基于全应力–应变曲线所反映的 能量特征来建立岩石脆性评价指标既能够较好地表 现材料脆性破坏的力学特征，又能客观描述材料弹 塑性的弱化和弹脆性的强化。 本文基于岩石破坏全过程的应力–应变曲线， 分析了岩石材料由塑性变形转化为脆性断裂过程中 弹性能、峰前耗散能、峰后断裂能等应变能的演化 规律，认为峰前耗散能和峰后断裂能分别反映了岩 石抵抗非弹性变形和维持裂缝扩展的能力，是决定 岩石是否发生脆性断裂的本质因素。结合这 2 种能 量建立了能够综合反映岩石破坏前后力学特征的脆 性评价指数，并对不同岩石材料在不同围压下的脆 性特征以及页岩脆性的各向异性进行评价。结果表 明本文建立的脆性评价指数能同时反映岩石脆性破 坏的难易程度和脆性的强弱，不仅可以描述不同岩 石材料脆性随围压的变化，而且能够描述层理页岩
Abstract：The current indices used to evaluate the shale brittleness consider mostly the mechanical properties before or after the peak separately and cannot reflect the brittleness characteristics in the whole process of rock failure. In this paper，the variation of the various types of strain energy of rock materials in the process of plastic deformation to brittle fracturing was analysed based on the complete stress-strain curves. The levels of the pre-peak dissipation energy and the post-peak fracturing energy are the key factors to determine whether the brittle fracturing occurs. The brittleness estimation indices which represent comprehensively the mechanical properties of rock in pre-peak and post-peak periods were proposed by combining the pre-peak dissipation energy and the post-peak fracturing energy. The brittle characteristics of different rock materials under different confining pressures and the anisotropy of shale brittleness were evaluated with these brittleness indices. The results show
收稿日期：2016–07–12；修回日期：2016–11–25 基金项目：国家科技重大专项项目(2016ZX05046004–004)；东北石油大学研究生创新科研项目(YJSCX2017–009NEPU) Supported by the Major National Science and Technology Projects(Grant No. 2016ZX05046004–004) and Northeast Petroleum University Innovation Foundation for Postgraduate(Grant No. YJSCX2017–009NEPU) 作者简介：张 军(1989–)，男，2016 年于东北石油大学油气井工程专业获硕士学位，现为博士研究生，主要从事岩石力学、油气井工程力学和非 常规储层压裂方面的研究工作。 E-mail ： zhangjun410410@。通讯作者：艾 事岩石力学及非常规油气开发方面的教学与研究工作。 E-mail ： aichi2001@ DOI：10.13722/ki.jrme.2016.0839 池 (1957– )，男，博士，现任教授、博士生导师，主要从
第 36 卷 第 6 期 2017 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.36 No.6 June，2017
基于岩石破坏全过程能量演化的脆性评价指数
张 军，艾 池，李玉伟，曾 佳，仇德智
(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)
摘要：目前用于评价页岩可压性的脆性指数大都孤立地考虑峰值前后的力学特性，并不能反映岩石整个破坏过程 的脆性特征。基于岩石的全应力–应变曲线，分析岩石材料由塑性变形转化为脆性断裂过程中各种应变能的演化 规律，认为峰前耗散能和峰后断裂能水平是决定岩石是否发生脆性断裂的本质因素。结合这 2 种能量建立能反映 岩石破坏前后力学特征的脆性评价指数，对不同岩石材料在不同围压下的脆性特征以及页岩脆性的各向异性进行 评价。研究结果表明：建立的脆性评价指数能同时反映岩石脆性破坏的难易程度和脆性的强弱，可评价不同力学 条件下的脆性变化特征。不同岩石材料峰前耗散能以及峰后断裂能随着围压增大而增大，脆性程度不断降低，但 降低趋势有所不同，红砂岩和页岩分别在低围压时和高围压时出现了脆–塑性的转化，而花岗岩在围压不断增大 的整个过程中都保持着较强的脆性。另外页岩脆性具有明显的各向异性，不同层理方向的页岩所表现出的脆性程 时页岩的脆性程度要强于 = 度差异显著，随着层理倾角的增大，页岩脆性表现出稳–减–增的变化趋势， = 0° 90° 时， = 60° 时页岩脆性最弱且表现出很强的塑性特征。实验结果很好地验证了提出的脆性指数的可靠性，研 究成果为岩石脆性的定量评价提供了一条新思路。 关键词：岩石力学；脆性评价；应力–应变曲线；能量演化；峰前耗散能；峰后断裂能 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2017)06–1326–15
页岩气储层通常需要通过大规模的压裂改造 才能形成稳定的工业产量，页岩的脆性特征不仅对 钻井过程中井壁稳定性及储层改造效果等有重要影 响，也是评价储层特征、遴选高品质页岩储层的重 要评价指标[1-4]。并且在深埋岩体工程建设领域，脆 性同样是预测岩爆发生以及反映岩爆倾向性的重要 参数[5-6]。合理而准确地评价岩石脆性特征对页岩 气的开发利用和地下工程建设具有重要意义。 目前各学科对于岩石脆性的定义并不统一，A. Morley 等[7-8]将材料的脆性定义为其塑性丧失的能 力， 而 J. G. Ramsay[9]则认为脆性是岩石材料断裂时 黏聚力转化为内摩擦力的能力。L. Obert 和 W. I. Duvall[10]认为岩石试样达到或超过屈服强度即破坏 的性质为脆性。G. E. Andreev[11]定义岩石材料在外 部应力的作用下发生连续变形而不产生永久形变的 能力为岩石脆性。R. M. Goktan 和 Y. N. Gunes[12]将 脆性定义为岩石在低应力条件下，不发生明显变形 的断裂倾向。李庆辉等[13]认为脆性是材料的综合特 性，是一种在自身非均质性和载荷作用下产生内部 非均匀应力，导致局部破坏，形成多维破裂面的能 力。目前很多领域的学者提出过表征岩石脆性的评 价标准，如 H. Honda 和 Y. Sanada[14]建议以岩石硬 度和坚固性的差异来衡量其脆性；H. Hucka 和 B. Das[15]建立了以岩石抗压强度和抗拉强度为参数脆 性评价标准；A. W. Bishop
第 36 卷第6期 Nhomakorabea张
军等：基于岩石破坏全过程能量演化的脆性评价指数
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that the proposed brittleness indices can simultaneously reflect the difficulty of brittle failure and the scale of brittleness and can evaluate the change of brittle characteristics under different mechanical conditions. The pre-peak dissipation energy and post-peak fracturing energy of different rock materials increase with the increase of the confining pressure. The brittleness decreases constantly with the increase of the confining pressure，but the decrease trends are different. The red sandstone and shale show the transformation of brittleness-plasticity at low and high confining pressures，while the granite has the strong brittleness in the whole process of the confining pressure increasing. The brittleness of shale is anisotropic. The brittleness of shale specimens with different inclination angles of bedding plane has significant difference. The shale brittleness shows a transition process of stable，increase to decrease as the inclination angle of bedding planes increases. When = 0° ，the degree of . When = 60° ， shale has the weakest brittleness and shows the brittleness of shale is stronger than that of = 90° plastic characteristic. Key words：rock mechanics；brittleness evaluation；stress-strain curve；energy evolution；dissipation energy before peak；rupture energy after peak 的物理依据， 或忽略了一些重要因素对脆性的影响。