硕士论文网/国内首批论文服务机构
工程硕士论文范文：页岩围压动态压缩力学特性试验研究
时间:2020-09-21 17:27 | 栏目:工程论文 | 浏览:次
硕士论文网第2020-09-21期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇工程论文文章《工程硕士论文范文：页岩围压动态压缩力学特性试验研究》，供大家在写论文时进行参考。
以上论文内容是由硕士论文网为您提供的关于《工程硕士论文范文：页岩围压动态压缩力学特性试验研究》的内容，如需查看更多硕士毕业论文范文，查找硕士论文、博士论文、研究生论文参考资料，欢迎访问硕士论文网工程论文栏目。
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 绪论
1.1 研究背景和研究意义
随着传统油气资源的逐步耗尽，页岩气作为一种分布广泛、开采潜力大的非常规能源，成为了现有技术经济条件下天然气工业化勘探的重要目标。我国页岩气储量巨大，国家颁布和制定了一系列政策和措施如《页岩气发展规划(2016-2020 年)》等，支持页岩气开采，加强页岩气资源的开发和研究。这一政策使页岩气开采的相关科学研究成为热点。页岩气层埋深一般处于地下几百米至几千米之间，例如我国四川盆地页岩气比较有利的储层是下志留系龙马溪组，埋深在地下 2188~4131m。根据世界部分地区地应力统计结果如图 1-1 所示，深度达到几千米的页岩气层中周围岩石对页岩的围压可以达到几十兆帕，围压环境使页岩的力学性质与浅层页岩的性质有较大差异。因此需要研究围压对页岩的力学影响，揭示在围压状态下页岩动态冲击后的破坏模式及受力情况。页岩气作为一种生、储、盖一体化的特殊气藏，不能使用常规的挖掘技术采集能源，为了提高页岩气的出产率，目前采用较多的方式是通过水力压裂和爆燃压裂等技术产生人工裂纹，并使裂纹扩展，促使能源气体渗出被收集。这些技术手段在开采过程中涉及到爆破、冲击等动态行为，这些动态力学行为对页岩的力学性能产生影响，增加了开采过程中的安全隐患问题。在国家政策推动下页岩气开采工程逐渐增加，对页岩的力学问题的研究也受到越来越多人的关注。目前对页岩动态力学性能的研究主要探讨了单轴冲击气压下页岩的力学性质、强度特征、破裂模式等，也有考虑层理面角度改变对页岩力学性质的影响，在围压方面对页岩的力学性能研究也主要集中在准静态状态，而在围压下页岩动态力学性能的研究较少，因此研究页岩在围压状态下的动态力学行为为提高页岩气开采安全问题提供一定的理论基础，具有一定的工程意义。
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
确定了 SHPB 试验的岩样尺寸，开展页岩的基本物理力学性能测试，主要包括对页岩的密度、比重及单轴抗压强度的测试，掌握页岩的基本物理力学性质，为后文建立页岩的本构模拟参数作参考。通过非金属超声波检测仪测试页岩弹性纵波波速，保证所选取试样的完整性，提高试验数据的有效性。
2.1 确定页岩试件尺寸
SHPB试验最初使用于金属材质的动态性能研究，后被引用在对岩石动态力学领域研究。在利用 SHPB 试验研究非金属材质的动态性能时，为了较好地满足 SHPB 试验中一维应力波的传递条件，试样的直径选择较小，虽然所取试件直径较小，得到的试验结果更为精确，但岩石的直径过小并不能完全反映出岩石真实的力学性能。参考国际岩石力学学会 ISRM 的推荐方法和国内试验规程的建议圆柱型岩石试样直径不能低于 50mm，再为了与静载试验结果进行分析和参照，则选择标准静载试验的标准直径 50mm 作为 SHPB 试验试件的直径。影响试验结果准确性的一个必要条件是岩样的长径比，在确定试件的直径后，需要选择合适的试件长度。目前对试样的长径比最大值尚无一种合适的方法确定。当长径比过大时，在试验过程中，可能试件还未完全达到应力平衡时，试件已经发生了冲击破坏。同时长径比过大也会产生较大的惯性效应，影响试验结果的真实性。按照 Davis等提出的消除惯性效应的修正公式，当长径比为 0.866µ（µ为泊松比）时，消除试件惯性效应最佳。根据页岩的泊松比在 0.2~0.4 之间，则根据公式页岩的长径比为 0.17~0.35。但长径比过小时，试件两端端面与杆端面之间的摩擦会增大试验的二维效应，不能达到 SHPB 试验中的一维应力波假定。综合分析可知，在试验过程中可以通过在杆件与试件的端面皆均匀抹上润滑油来减少摩擦，同时也可以通过实现恒应变率加载，来消除惯性效应，但需保证应力波在试件传播时间可达到整体受力平衡，宫凤强提出较为合适的长径比为 0.5~1。
2.2 页岩取样和加工
本次试验岩石试样选取四川宜宾长宁县的黑色页岩，考虑不同角度岩石力学性能不同，所采取岩样采集角度为 0 度，保证试件统一性，也方便后续试验结果对比处理。使用空气钻取法，保证所取试样的含水率与实际工程含水率一致，提高试验结果对实际工程理论依据的可靠性。其中，试件为圆柱形，大小为Ф50mm×25mm；并且按照规范《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-2013）中的规定，试件两端面间的平整度误差小于 0.05mm，且与试件轴线垂直，最大偏差不得大于 0.25°；沿试件轴向方向，直径的误差小于 0.3mm；并用岩芯端面切磨机加工保证试样光滑平整。本章主要是对页岩的基本物理力学性能进行测试，为了较好的满足 SHPB 试验中一维应力波的传递条件，选择岩石试样长度选取 25mm，直径为 50mm，长径比为 0.5。通过对试样进行弹性纵波波速测试，选择内部相对完整的试样，减少试件内部裂纹对试验结果的影响。
3 单轴 SHPB 试验研究
3.1 概述
3.2 SHPB 试验的基本假定
3.3 SHPB 试验装置
3.4 单轴SHPB 试验
3.5 本章小结
4 围压状态下 SHPB 试验研究
4.1 围压装置介绍
4.2 围压状态下冲击压缩波形特征分析
4.3 破坏模式
4.4 DIF 曲线
4.5 能量分析
4.6 本章小结
5 SHPB 数值模拟研究
5.1 页岩材料模型
5.2 有限元模型建立
5.3 模型验证
5.4 破坏过程分析
5.5 系统能量损耗
5.6 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
本文开展了不同围压及不同应变率下页岩的动态压缩试验，分析了页岩的动态抗压强度的应变率效应，分析了有无围压试验波形图的差异，对页岩破坏模式进行了分析，总结了 SHPB 试验中能量的变化；用 LS-DYNA 软件模拟了页岩的 SHPB 试验，得到了页岩的 K&C 本构模型参数，对页岩破坏过程进行分析，得到围压对页岩破坏过程的影响规律，相关工作主要结论如下：（1）开展页岩在单轴 SHPB 试验，对试验波形图分析发现单轴动态压缩页岩的试验波形具有“双波峰”的波形特点，动态抗压强度有明显的应变率效应，页岩的破坏程度随应变率增加而增大；根据页岩的破坏情况，按试件碎块的大小和完整程度，可分为“破裂”和“破碎”两类。（2）对页岩进行不同围压、不同冲击下压缩试验结果进行分析，波形图由常规单轴试验中的“双波峰”变为“单波峰”，在同一冲击气压下，随着围压的增大，页岩的动态抗压强度增加，破坏程度减小。（3）DIF 随着应变率增加明显增加，DIF 也随着围压的增加也有一定增加，但应变率对 DIF 影响相对更大，DIF 表现出明显的应变率效应。（4）随着应变率的增加，页岩的比能量吸收值越大，断裂形态越严重。入射能随着冲击气压增加而增大，而在同一围压下，岩样的能量利用率随着入射能的增加而减小；在相同入射能的条件下，能量利用率随着围压的增大而减小。（5）通过对 SHPB 试验中页岩破坏过程的模拟，得到在单轴冲击气压下页岩的破坏以拉伸破坏为主，而围压能有效地抑制页岩内部裂纹的扩散。
6.2 展望
论文主要创新点：基于 SHPB 试验和数值模拟，从试验波形特点、试件破坏程度、DIF 及能量转化等方面研究了页岩在围压下的动态压缩力学性能。在实际工程中，页岩岩体可能还存在裂缝等缺陷，埋深越深，页岩层温度也会增加，要更全面的为实际工程提供理论基础，还需要开展更多工作。主要有：（1）开展不同温度及围压下页岩的 SHPB 试验。随着页岩层埋深的增加，页岩温度环境改变，需要考虑温度对页岩的力学性质的影响。（2）本文仅研究了页岩均质模型，但实际工程中岩体内部还存在裂纹，裂纹会影响岩石的受力情况。考虑页岩本身裂缝问题，对有裂纹的岩石进行动态压缩试验等。
以上论文内容是由硕士论文网为您提供的关于《工程硕士论文范文：页岩围压动态压缩力学特性试验研究》的内容，如需查看更多硕士毕业论文范文，查找硕士论文、博士论文、研究生论文参考资料，欢迎访问硕士论文网工程论文栏目。