基于应力-应变曲线的硬岩脆性定量评价方法研究

作     者：靳一鼎 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李日运;王松江

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：岩石脆性 评价方法 应力-应变曲线 应力门槛值 声发射 

摘      要：脆性是岩石重要的力学性质之一。已有研究表明,在水力压裂、岩爆等工程中脆性能够显著影响岩石的可钻性和井眼稳定性。因此,深入分析岩石脆性并做出评价是当前重要的研究课题。硬岩脆性的评价主要基于贯入度、应力-应变曲线、能量变化、矿物成分等理论。其中基于应力-应变曲线的评价方法具有易获得、实用性强的特点被广泛使用,然而大多数基于应力-应变曲线的脆性指标需要用到峰后数据,但由于试验机的刚度限制会导致岩石在发生破坏后无法得到峰后曲线,评价结果可靠性较低。此外,目前存在多种轴向应变和应力门槛值的确定方法,不同方法得到的结果存在差异,需要进一步验证分析。基于此,本文运用MTS试验机对玄武岩、花岗岩、砂岩、正长斑岩、大理岩和页岩进行单轴和三轴压缩试验,通过对比分析LVDT、压板位移和引伸计三种方法确定试验中岩样的轴向应变;其次,同步监测单轴压缩试验中岩样的声发射信号,利用声发射参数的变化规律确定岩石的应力门槛值;接着考虑损伤应力到峰值应力的增长速率同弹性模量之间的比值,并据此提出一个基于应力-应变曲线峰前特性的新脆性指标评价方法。主要结论如下:(1)确定岩石在MTS试验机的压缩试验中轴向应变(变形)的选取。岩样在峰值强度前的轴向应变应采用引伸计测量得到的变形数据;峰值强度后的轴向应变应采用LVDT测量得到的轴向变形数据;同时也可采用压板位移测量的数据来表示岩样在峰值强度后的变形。采用引伸计测量得到的轴向应变在达到峰值强度后数据并不准确。(2)确定岩石在压缩试验中应力门槛值的大小。通过声发射能量、声发射绝对能量、计数、幅值、AF值和RA值几个参数都能确定岩石的1～3应力门槛值,而声发射b值的演化规律难以确定岩石的应力门槛值。(3)提出了一个基于岩石应力-应变曲线峰前特性的脆性指标B,其脆性指数B在0～1之间。在不同岩石的三轴压缩试验中,将脆性指数B与基于峰后应力-应变曲线的指标B进行了对比,验证了B的有效性;通过单轴压缩试验表明,在评价极脆岩石的脆性时,B比B更具区分性。此外,岩石的脆性随围压的增加而降低。(4)运用脆性指标B评价对页岩的脆性各向异性。在相同倾角下页岩与围压成正线性关系,而闭合应力受围压影响不大;在相同围压下页岩的起裂应力、损伤应力和峰值应力随倾角增大表现出明显的波动特征,闭合应力受倾角影响不大。通过脆性评价指标B能够很好的评价页岩的脆性各向异性。