工程硕士论文范文：页岩围压动态压缩力学特性试验研究

  近些年来，随着国民经济的建设日渐增加，现代工业化成为当今的发展趋势，促使越来越多的各类大型岩体工程建设，例如隧道工程、采矿工程及地下通道等工程建设，在这些工程中采用爆破是具有快速、经济、便捷的一种方式。但在利用爆破开挖的过程中，炸药产生的能量只能对一定岩体剥落损坏，更多是爆破工程中所产生的应力波对周围岩体的影响，因此提高工程的安全稳定性需要研究应力波对岩石的影响强度等因素。目前对这些岩石动态力学性能的研究使用较为广泛的是 SHPB 实验装置，实验条件也相对更为成熟。

  1.2 国内外现状研究

  岩体不仅仅受到地应力的作用，同时工程中产生的动荷载也对岩体有影响。在页岩气开采过程中主要涉及到爆破、水压裂等动态荷载对页岩的扰动问题，与蠕变、构造运动等静态条件下受力情况明显不同，开展页岩在动态荷载作用下的力学性能研究工作十分重要，同时也可为页岩气开采时提供一定的数据支持，从而保障页岩气开采工程中的安全问题。随着页岩气开采工程的日益增加，国内外学者对页岩材料进行了许多研究。其中在动态力学方面，主要对页岩的层理、破坏模式、抗压强度、裂纹扩展等进行研究。孙清佩通过开展不同应变率下的页岩 SHPB 动态冲击试验，发现层理方向不同，页岩的破坏模式存在差异，分为劈裂拉伸破坏、剪切破坏和混合破坏等。随着应变率的不断增大，页岩的动态抗压强度也增加，但层理效应减弱，强度各向异性也减弱。同时，在能量方面页岩试样所消耗的能量随着层理倾角的增加表现出先减小后增大的规律。Chong通过对新奥尔巴尼油页岩进行压缩试验，分析了应变率对页岩破坏的影响，得到应变率较低时，页岩碎片尺寸较大且裂纹会进一步扩展，随着应变率增大，页岩碎片尺寸变小且裂纹呈局部化。Jung-Woo等针对层理角度为 0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90° 页岩在动态荷载下的变形和强度各向异性特点，开展了一系列的单轴压缩和巴西劈裂试验。试验结果表明：在动态加载下，页岩的变形程度和强度受层理角度影响较大。包琛龙借用扫描电镜，分析了页岩内部的矿物组成和孔隙分布，并对页岩开展了 SHPB 试验。在页岩中发现微裂缝和微孔隙在加载时出现了应力集中现象，这些微裂缝和微空隙是页岩中最易受到破坏的结构；在加载过程中页岩内部的脆性矿物表现出比延性矿物更容易受到破坏；同时对页岩的动态性能分析得到页岩的压缩强度随撞击杆速度的增大而增大，并得到了页岩损伤与峰值应力的定量关系式。王兴渝通过实验-数值法对不同层理倾角的测开单裂纹页岩开展动态冲击研究，发现裂纹扩展方向和破坏模式均受到层理的显著影响，同时加载速率越快，试样内部裂纹的扩展速度也增大；并且页岩的破坏主要是沿层理面开裂，次生裂纹的起点主要是从裂纹扩展速度减缓处。刘俊新开展了页岩在不同应变率条件下的单轴压缩试验。试验结果表明页岩的弹性模量、破坏形态及峰值强度有较强的应变率效应，即随着应变率减小，弹性模量和峰值强度也相应降低；应变率对页岩的破坏模式影响较为明显，在低应变率下试件的破坏更加均匀且更加容易形成网裂纹。王怡通过使用泥浆化学、微观结构扫描及岩石力学试验等研究方法对含裂缝的硬脆性泥页岩进行分析，得到了流体的浸泡会导致裂缝扩展，岩石强度下降的结论。张慧娟对页岩进行了不同应变率加载条件下的冲击压缩试验，得到了页岩在不同应变率下的应力应变曲线，并从能量的角度发现了比能量与应变率之间的变化关系。通过以上文献总结可知，页岩在冲击荷载下的响应，如强度、破坏模式和弹性模量等表现出显著的应变率效应，同时内部层理的特点（如角度等）对页岩的破坏有着不可忽略的影响。因此，为保证论文研究工作的可靠性用来开展页岩单轴压缩力学性能研究的试件均是在同一层理角度母岩中取得。

  2 页岩物理力学参数测试