张拉作用下页岩裂缝扩展演化机制研究

为深入认识张拉作用下页岩裂缝的扩展演化机制及其层理方向效应,通过三点弯曲和巴西劈裂试验,系统研究张拉作用下不同层理方位页岩裂缝的扩展演化形态,探讨裂缝的扩展演化机制及其层理方向效应。结果表明:(1)三点弯曲时,裂缝沿Arrester方位扩展时,会出现弱层理开裂和断裂路径偏移,易分叉、转向形成复杂的扩展形态;裂缝沿Divider方位扩展时,会出现断裂路径偏移,易剪切转向;裂缝沿层理扩展时,断裂路径为层理,较平直,无转向现象。(2)巴西劈裂时,层理方位对裂缝的起裂点、起裂机制、扩展路径和扩展机制等影响较大;垂直或斜交层理加载时,裂缝多自加载鄂起裂,扩展路径一般呈弧形,多伴随沿层理和贯穿层理的剪切破裂,且扩展中张拉和剪切断裂此消彼长,共同控制裂缝的扩展形态;仅Short-Transverse方位裂缝自圆盘中心起裂,扩展路径为层理,无转向现象,为纯张拉裂缝。(3)张拉裂缝沿层理扩展时,应力能促使其转向;而当张拉裂缝垂直或斜交层理扩展时,易出现分叉、转向和弱层理开裂等复杂扩展行为,形成相对较复杂的扩展形态;裂缝的复杂扩展行为与受力条件、裂缝与层理的相对方位直接相关,层理和受力条件对裂缝的扩展起主控作用。

直剪条件下页岩裂缝扩展演化机制研究

为深入认识页岩剪切裂缝的扩展演化机制及其层理方向效应,通过直剪试验,系统研究不同法向应力下不同层理方位页岩剪切裂缝的扩展演化形态,探讨直剪过程中雁列状裂缝成核、扩展、连接及贯通后形成宏观剪切裂缝的力学机制及其层理方向效应。结果表明:(1)直剪时,剪切力诱导的张拉作用在剪切面附近产生雁列状微裂缝,而雁列状微裂缝的进一步扩展、连接及贯通等形成宏观剪切破裂带,剪切破裂带的宽度不均一,表现出明显的非均质性。(2)对层状页岩,直剪时一般沿层理形成雁列状裂缝,而层理的开裂程度与开裂方向与层理方位直接相关,表现出明显的层理方向效应;沿层理剪切时极难形成斜穿层理的雁列状裂缝,剪切面为层理面,较平直、光滑;与层理成30°和60°角剪切时,均形成了沿层理的雁列状裂缝,且30°时更明显;垂直层理剪切时,仍能观察到一定程度的层理开裂,但已较微弱。(3)雁列状裂缝相互沟通后形成的剪切破裂面多呈锯齿状,摩擦滑动时易出现擦痕和磨损现象,而法向压力能明显抑制雁列状裂缝的产生,使剪切面趋于光滑。(4)当剪切力与层理成一定夹角时,剪切力能诱导大量的层理开裂,形成复杂的裂缝形态,而该裂缝形态多局限于剪切破裂带,表现出明显的变形局部化。