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《地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第2期

摘要:

層狀巖體的非均質(zhì)性及各向異性導(dǎo)致其破裂方式及規(guī)律與均質(zhì)巖體有顯著不同。對(duì)層狀巖體分別進(jìn)行不同方式的單軸、雙軸、三軸試驗(yàn)，分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征;再利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察應(yīng)力、應(yīng)變?cè)趲r體上的分布，通過曲線和圖件的對(duì)比分析，并結(jié)合巖石破裂理論，總結(jié)不同應(yīng)力狀態(tài)下層狀巖體的破裂方式、順序及規(guī)律;最后以富臺(tái)地區(qū)為例，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，不同受力方式對(duì)層狀巖體破裂的影響體現(xiàn)在施加的載荷及約束與層面的方位。當(dāng)應(yīng)力方向與巖層面平行時(shí)，強(qiáng)度大的石灰?guī)r巖體發(fā)生集中應(yīng)力，首先破裂;而應(yīng)力與巖層面垂直時(shí)，強(qiáng)度小的泥巖巖體首先破裂。巖石試驗(yàn)、數(shù)值模擬結(jié)果以及實(shí)例均成功驗(yàn)證了這個(gè)規(guī)律。

關(guān)鍵詞:

層狀巖體;巖石試驗(yàn);數(shù)值模擬;破裂規(guī)律

0引言

層狀巖體普遍分布于自然界中。與均質(zhì)塊狀巖體相比，層狀巖體的變形和強(qiáng)度特性具有明顯的各向異性，因此其穩(wěn)定性和破壞條件也有特殊表現(xiàn)，特別是裂縫的產(chǎn)生和延伸變得比較復(fù)雜，現(xiàn)有的破裂準(zhǔn)則也難以精準(zhǔn)描述它們的破裂規(guī)律。目前研究過層狀巖體力學(xué)性質(zhì)和變形方式的學(xué)者不在少數(shù)，胡明研等［1］對(duì)層狀復(fù)合巖石做了壓縮試驗(yàn)，分析了不同條件下裂縫在巖層上的發(fā)育和展布;黎立云等［2］通過巴西圓盤劈裂試驗(yàn)及單軸壓縮試驗(yàn)討論了層狀巖體破裂的特殊現(xiàn)象及成因機(jī)制;劉立［3］對(duì)復(fù)合巖體的特殊性質(zhì)進(jìn)行了深入研究，在損傷演化和斷裂破壞規(guī)律方面有了實(shí)質(zhì)進(jìn)展;許寶田等［4］對(duì)泥巖進(jìn)行了三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分析了泥巖應(yīng)力-應(yīng)變特性;戴俊生等［5］提出了適合脆性低滲透砂巖的破裂準(zhǔn)則，盧虎勝等［6］則在戴俊生的基礎(chǔ)上建立了用于砂泥巖間互地層的破裂準(zhǔn)則;雷宇［7］通過砂泥巖壓縮、回彈、破裂實(shí)驗(yàn)對(duì)裂縫成因進(jìn)行了初步分析;楊仕教等［8］、李永盛［9］和尹小濤等［10］分別研究了不同加載速率對(duì)巖石力學(xué)效應(yīng)的影響。利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，可以對(duì)不連續(xù)的非均勻介質(zhì)組成的巖體進(jìn)行應(yīng)力特征研究。將整個(gè)巖體分為數(shù)目有限的單元，通過分析計(jì)算每個(gè)單元的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)而綜合所有單元來研究整體特征。單元的位移、應(yīng)變及應(yīng)力都可以經(jīng)過計(jì)算而得出，因此巖體在受力狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布可以直觀地表現(xiàn)出來。本文以巖石試驗(yàn)為基礎(chǔ)，并用ANSYS軟件建立與實(shí)體1:1的模型，約束與載荷按照真實(shí)情景加載，分析層狀巖體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變及強(qiáng)度分布，據(jù)此推斷和解釋巖體的破裂規(guī)律。研究成果有助于判斷裂縫的產(chǎn)生、發(fā)育與分布，對(duì)儲(chǔ)層裂縫帶的預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義。

1巖石力學(xué)試驗(yàn)

巖石受到不同構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)，將發(fā)生不同形式的變形。當(dāng)其所承受的應(yīng)力超過極限強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生破裂并產(chǎn)生裂縫。由于不同巖石本身性質(zhì)及所受應(yīng)力條件不同，破裂的方式也不同。對(duì)于層狀巖石而言，各分層不同的力學(xué)性質(zhì)必然導(dǎo)致破裂規(guī)律的特殊性，而不同的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生不同的破裂方式。例如，裂紋在均質(zhì)花崗巖上的擴(kuò)展比較平直(見圖1a)，而在層狀花崗巖上，裂紋越過層面時(shí)擴(kuò)展路徑發(fā)生變化，呈鋸齒狀(見圖1b)［2］。本文根據(jù)相似原理［1］，利用與泥巖、砂巖和石灰?guī)r3種常見且性質(zhì)差異明顯的材料，制成復(fù)合成層狀巖體，分別為邊長(zhǎng)100mm的正方體及直徑50mm、高100mm的圓柱體。通過對(duì)單一巖體進(jìn)行三軸試驗(yàn)確定其彈性模量和泊松比。計(jì)算公式如下:E=σ2－σ1εz2－εz1(1)μ=εx1－εx2εz1－εz2(2)式中:E為巖石彈性模量，GPa;μ為巖石泊松比;σ1、σ2分別為應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段開始和結(jié)束時(shí)的應(yīng)力，MPa;εz1、εz2分別為應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段開始和結(jié)束時(shí)的軸向應(yīng)變［11］，mm;εx1、εx2分別為應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段開始和結(jié)束時(shí)的側(cè)向應(yīng)變，mm。試驗(yàn)得到的參數(shù)如表1。試驗(yàn)用的每件樣品應(yīng)完好無損，分別進(jìn)行單軸、雙軸、三軸壓縮試驗(yàn)，其中單軸和雙軸試驗(yàn)再分為巖層水平和豎直兩種情況。試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2。除三軸壓縮外，其余4曲線雖大致趨勢(shì)相似，但形態(tài)不盡相同，意味著不同受力方式對(duì)巖石破裂有重要影響。

2數(shù)值模擬與分析

模擬依據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)的5種方式進(jìn)行，即巖層水平的單軸壓縮，巖層豎直的單軸壓縮，巖層水平的雙軸壓縮，巖層豎直的雙軸壓縮，三軸壓縮試驗(yàn)(見圖3)。

2.1巖層水平的單軸壓縮

首先研究分層排列順序?qū)ζ屏训挠绊憽＿M(jìn)行3次試驗(yàn)，各層自上而下的排列順序分別為:①砂巖、泥巖、石灰?guī)r;②泥巖、砂巖、石灰?guī)r;③砂巖、石灰?guī)r、泥巖。以試驗(yàn)①為例，隨著壓力增大，強(qiáng)度最弱的泥巖先出現(xiàn)裂紋，但不能很快貫通界面;繼續(xù)增加荷載，當(dāng)裂縫的擴(kuò)張力大于層間的束縛力時(shí)，砂巖和石灰?guī)r也開始出現(xiàn)裂紋，且很快與泥巖的裂紋形成了貫通縫(見圖4)。試驗(yàn)②、③的結(jié)果與試驗(yàn)①類似，總是強(qiáng)度最弱的泥巖首先破裂。因此，受力條件相同的情況下，破裂與巖層排列順序無明顯關(guān)系。水平巖層單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖2a)大體分4個(gè)階段:孔隙壓密階段，表現(xiàn)為曲線“上凹”;彈性變形階段，表現(xiàn)為近直線;破裂發(fā)展階段，其上界為峰值強(qiáng)度;破裂后階段，曲線迅速下降。使用ANSYS15.0軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。模型按實(shí)際試件1∶1比例建立，層間為Glue方式膠結(jié)。采用Solid45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)單元為8節(jié)點(diǎn)，z方向施加擠壓力。為了看出應(yīng)力-應(yīng)變分布的顯著變化，擠壓力設(shè)定為15MPa。模擬計(jì)算結(jié)果見圖5。3個(gè)主應(yīng)力中，最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力均平行于層面，最大主應(yīng)力豎直向下。應(yīng)力分布特征:泥巖和石灰?guī)r的最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力為擠壓應(yīng)力，泥巖應(yīng)力值低于石灰?guī)r，而砂巖的最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力呈現(xiàn)部分拉張應(yīng)力。這是由于泥巖和砂巖交界處的水平變形不一致，而砂巖的彈性模量大于泥巖，且泊松比小于泥巖，導(dǎo)致泥巖的水平變形大于砂巖。在巖體受壓至達(dá)到峰值強(qiáng)度的過程中，由于變形特性的差異及變形連續(xù)靜力平衡條件，交界面附近的砂巖和泥巖在水平方向上必然發(fā)生應(yīng)力突變，就會(huì)在界面上產(chǎn)生方向相反的應(yīng)力［12］。正是這個(gè)原因，在交界處附近的石灰?guī)r層上也出現(xiàn)局部拉張力。應(yīng)力強(qiáng)度分布圖說明在單軸擠壓力的作用下，石灰?guī)r承受的壓力最大，強(qiáng)度最大，而泥巖承擔(dān)的壓力最小，強(qiáng)度低。巖石物理試驗(yàn)結(jié)果證明了這一點(diǎn)。巖體的最小應(yīng)變和中間應(yīng)變的方向與應(yīng)力方向一致，為平行于層面的水平方向?？梢钥闯?，泥巖在水平方向的應(yīng)變呈現(xiàn)出最大，砂巖次之，石灰?guī)r最小，即在單軸壓縮下，泥巖發(fā)生的水平膨脹最明顯，z方向泥巖也表現(xiàn)出最大的變形，而砂巖的變形依然較石灰?guī)r大。這是由于泥巖的強(qiáng)度最小，泊松比大，在力的作用下，相對(duì)砂巖和石灰?guī)r更容易發(fā)生水平膨脹和縱向擠壓變形。應(yīng)變強(qiáng)度分布圖同樣表現(xiàn)出泥巖應(yīng)變強(qiáng)度高于砂巖及石灰?guī)r，說明泥巖最容易發(fā)生形變，易于首先產(chǎn)生裂紋。

2.2巖層豎直單軸壓縮

巖層豎直單軸壓縮試驗(yàn)的壓力方向與層面平行，其最大主應(yīng)力方向平行于壓力方向，即z軸方向;最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力垂直于最大主應(yīng)力，即x，y所在平面?？梢钥闯瞿鄮r在y方向的應(yīng)變較大，而石灰?guī)r最小;z分量應(yīng)變與最大應(yīng)變方向平行，其應(yīng)變分布規(guī)律也基本一致:泥巖在z方向的應(yīng)變?nèi)匀蛔畲螅皫r次之，石灰?guī)r最小。應(yīng)變強(qiáng)度分布圖直觀地表明了各巖體應(yīng)變強(qiáng)度的順序?yàn)槟鄮r＞砂巖＞石灰?guī)r(見圖6)。應(yīng)力在巖體上的分布有如下特征:石灰?guī)r和砂巖上的最大主應(yīng)力值較大，而泥巖的最大主應(yīng)力值較小，應(yīng)力強(qiáng)度的分布也顯示此特征。這是由于豎直方向施加壓力時(shí)，三者同時(shí)受力，且位移相同，故彈性模量和強(qiáng)度比較大的石灰?guī)r和砂巖集中受力，承受的壓力較大。若增大載荷，石灰?guī)r首先出現(xiàn)裂紋，繼續(xù)施壓，裂紋擴(kuò)大，砂巖、泥巖緊接著出現(xiàn)裂紋，隨后破裂貫穿石灰?guī)r分層，發(fā)生完全破壞。該情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2b，與水平巖層單軸試驗(yàn)曲線相比，此時(shí)曲線的第二階段具有較高的斜率，當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度后，出現(xiàn)突變式下落，代表完全破壞的時(shí)刻，之后恢復(fù)平緩，是由于砂巖和泥巖很快承受了壓力。

2.3巖層水平雙軸壓縮

雙向加載試驗(yàn)與單向加載試驗(yàn)最大的不同是，雙向約束時(shí)只有一個(gè)自由面，相當(dāng)于在豎向單軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了一組約束(見圖3c)，因此受力時(shí)產(chǎn)生垂直于分界面向外的拉力。巖層水平雙軸試驗(yàn)的模擬結(jié)果如圖7。從圖7中可見，泥巖在z方向應(yīng)力與應(yīng)變均小于石灰?guī)r和砂巖的應(yīng)力與應(yīng)變，而最小應(yīng)力和應(yīng)變的方向與z軸平行，故泥巖最小應(yīng)力、最小應(yīng)變分布與z向應(yīng)力、應(yīng)變基本一致。應(yīng)力強(qiáng)度仍表現(xiàn)為泥巖較低，而石灰?guī)r較高。此外，泥巖和砂巖的應(yīng)變強(qiáng)度高于石灰?guī)r。該情況下z方向受力產(chǎn)生拉張，由于x和y方向均受約束，所以位移一致，故應(yīng)力集中于石灰?guī)r上;隨著擠壓增大，石灰?guī)r會(huì)首先破裂，其在z方向的高應(yīng)變量說明了石灰?guī)r已有產(chǎn)生裂紋的趨勢(shì)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(見圖2c)中，波峰為石灰?guī)r破裂的時(shí)刻，隨后的似階梯狀變化代表石灰?guī)r破裂后，壓力由砂巖和泥巖承受，以致其逐漸開裂、破壞。

2.4巖層豎直雙軸壓縮

巖層豎直的雙軸壓縮試驗(yàn)是在橫向單軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了一組約束，受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生平行于界面的壓力。其最小應(yīng)力與應(yīng)變方向平行于z方向，在該方向上泥巖的應(yīng)力值高于石灰?guī)r和砂巖，應(yīng)變值小于砂巖和石灰?guī)r(見圖8)。這是因?yàn)樵诋?dāng)前擠壓力(15MPa)下，石灰?guī)r和砂巖先后發(fā)生破裂，應(yīng)力釋放，此時(shí)泥巖為應(yīng)力的主要承受者，又由于泥巖具較高的泊松比，發(fā)生了更大的形變。

2.5三軸試驗(yàn)

三軸試驗(yàn)最大應(yīng)力方向?yàn)閳A柱的軸向，從圖9可以看出泥巖在軸向的應(yīng)變最大，石灰?guī)r的應(yīng)變量最小，砂巖的應(yīng)變則介于兩者之間。至于應(yīng)力的分布，沒有明顯的石灰?guī)r＞砂巖＞泥巖的現(xiàn)象，這是由于圍壓的存在，增大了巖體的抗壓強(qiáng)度。巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果也表明，三軸擠壓的情況下巖體沒有明顯的破裂，泥巖的膨脹現(xiàn)象也并不突出，巖體的塑性大大增強(qiáng)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖2e)也表現(xiàn)出了這個(gè)特征，三軸壓縮的曲線沒有明顯的抗壓極限，壓力增大到一定程度保持平緩，沒有急劇下降的階段，即巖體未完全破壞，塑性特征逐漸呈現(xiàn)出來。受力方式對(duì)破裂的影響主要體現(xiàn)在作用于巖體的約束及載荷的方位上。當(dāng)力與巖層面平行時(shí)，約束面則和層面垂直，像石灰?guī)r這樣強(qiáng)度大的“強(qiáng)硬”巖體受到集中應(yīng)力，故首先破裂;而當(dāng)力與巖層面垂直時(shí)，垂直層面的方向沒有約束，泥巖這樣強(qiáng)度小的“軟弱”巖體首先破裂。單軸壓縮的自由面最多，變形、破裂的空間最廣，因此巖體的應(yīng)變量和位移量最大，變形也以彈性為主;而三軸壓縮的約束較緊，應(yīng)變量較小，當(dāng)載荷超過一定限度變形則轉(zhuǎn)化為塑性變形。

3研究意義與實(shí)例驗(yàn)證探討

層狀巖體的破裂規(guī)律對(duì)儲(chǔ)層裂縫研究有直接的意義。根據(jù)不同地質(zhì)體裂縫的開裂、延伸、擴(kuò)展特征，可以預(yù)測(cè)裂縫富集帶，特別是在致密低滲透巖體里，裂縫是重要的油氣儲(chǔ)集空間。商琳等［11］對(duì)富臺(tái)碳酸鹽潛山各期巖層做了深入的巖石試驗(yàn)及裂縫數(shù)值模擬研究。從該區(qū)燕山期地層的力學(xué)參數(shù)及裂縫參數(shù)特征(見表2)可以看出，彈性模量較大、泊松比較小的鳳山組和八陡組巖層發(fā)育的裂縫開度較大，為2.9～4.7mm，而在相對(duì)較“軟”的冶里—亮甲山組巖層發(fā)育的裂縫開度較小，為2.5～2.9mm，表明較“強(qiáng)硬”的巖層容易破裂，且裂縫較寬。富臺(tái)地區(qū)在燕山期主要受北東東—南西西向擠壓作用，各組巖層基本水平，類似于水平巖層的雙軸壓縮或豎直巖層的單軸壓縮，該受力狀態(tài)下層狀巖體中的“強(qiáng)硬”巖層易于破裂。故巖石試驗(yàn)、數(shù)值模擬結(jié)果與富臺(tái)地區(qū)實(shí)例吻合，為本研究的正確性和合理性提供了支持。

4結(jié)論

不同受力方式顯著影響層狀巖體的破裂順序，相同受力方式下的破壞順序與巖層排列順序無明顯關(guān)系。巖層水平和豎直兩種情況下的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果具有明顯差異，巖層水平時(shí)首先在強(qiáng)度小的“軟弱”巖體出現(xiàn)裂紋，最終貫穿整體;而巖層豎直時(shí)，強(qiáng)度大的“強(qiáng)硬”巖體首先破裂。不同約束方式影響層狀巖體的破裂順序。約束面與巖層面平行時(shí)，“軟弱”巖體首先變形、破壞，約束面垂直層面時(shí)，“強(qiáng)硬”巖體先破裂。巖體的彈性和塑性并非其固有屬性，受外界條件的影響。圍壓的存在大大提高了巖體的強(qiáng)度，強(qiáng)圍壓能使彈性向塑性轉(zhuǎn)化。ANSYS數(shù)值模擬法在本次研究中得到了合理而正確的應(yīng)用，結(jié)果滿足試驗(yàn)的要求并符合客觀的情況，為本次研究提供了保障。

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作者:徐珂 戴俊生 付曉龍 任啟強(qiáng)劉叢寧 趙惲 單位:中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 中國(guó)石油冀東油田勘探開發(fā)研究院 廣州大學(xué)教育學(xué)院