單軸荷載下含層理頁巖損傷破壞過程及破壞模式研究

摘要：低滲透性是制約頁巖氣開采的主要因素之一，而巖體內裂隙的類型及復雜程度又是制約滲透率的關鍵因素，因此，加強頁巖損傷破壞過程的研究對于提升頁巖氣開采效率意義重大。文中采用試驗與數值模擬相結合的方法，深入研究單軸荷載下含層理頁巖的損傷演化、裂紋發育、分形特征以及影響因素等內容。結果表明：試件加載過程中，微裂紋發育整體呈“平穩上升—基本穩定—快速上升”變化趨勢；微裂紋發育階段，0°和90°層理角度下，以拉伸裂紋發育為主，其占比依次為94.7% 和96%；30°和60°層理角度下，以剪切裂紋發育為主，占比依次為65% 和86.9%。試件宏觀破壞裂紋具有明顯的分形特征，0°、30°、60°和90°層理角度下，宏觀裂紋的分形維數依次為4.25、3.44、2.06 和3.60，說明當荷載與層理方向相互垂直時，更易形成復雜裂紋。損傷發育規律受層理的影響，0°和90°層理角度下，損傷集中于基質內發育；30°和60°層理角度下，損傷則集中于層理處發育。此外，損傷受巖石的非均質性和各向異性的影響，隨著彈性模量方差的增加，試件的均質性減弱，同等荷載下的損傷范圍增強，而隨著層理剛度的增加，試件的各向異性減弱，同等荷載下的損傷范圍增強。

關鍵詞：層狀頁巖；裂紋演化；破壞模式；分形特征；損傷過程

中圖分類號： TE377 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-152-15

伴隨長水平井技術[1]、水力壓裂技術[2]以及裂縫支撐技術[3]的發展，頁巖氣工業化開采逐漸成為了可能[4]。而頁巖的滲透率作為影響頁巖氣開采效率的關鍵因素一直是學者們的重點關注對象，頁巖的基質具有低滲透性[5]，其內部的裂隙才是滲流的主要通道[6]，并且在滲透率貢獻方面，拉伸裂紋和剪切裂紋具有顯著的差異[7]。此外，頁巖內部層理的存在，使其力學特性表現出明顯的各向異性[8]。因此，加強外在荷載下含層理頁巖的損傷演化、裂紋演化以及破壞模式等方面的研究，對于深入理解頁巖內部滲流通道演化規律以及提升頁巖氣開采效率均有重要的意義。

頁巖作為一種沉積巖，內部層理廣泛發育。針對頁巖的層理效應，國內外學者基于試驗[9?17]及數值模擬[18?20]對其在壓縮[9?12]、拉伸[13?15]、剪切[9]、蠕變[16]以及疲勞[17]等荷載下的力學特性進行了大量的研究，結果表明，含層理頁巖的變形及力學特性均表現出極強的各向異性。

外在荷載下巖石內部有大量微裂紋發育。作為一種無損監測工具，聲發射技術已被廣泛應用于巖石的損傷監測。蔣翔等[21]研究表明，巖石類材料內部斷裂破壞與聲發射信號之間存在一定的函數關系，利用聲發射技術可逆向認識巖石材料的斷裂破壞；Wang 等[22]基于聲發射參數獲取了表征巖石破壞過程中微裂紋與宏觀裂紋比值的表征參數b 值，而b 值的大小可在一定程度上評價巖石的損傷程度；龔囪等[23]則基于聲發射b 值成功預測了蠕變荷載下紅砂巖破壞；此外，Ohno 等[24]基于聲發射參數提出了參數分析法和矩張量分析法，這2 種方法可用于材料內部裂紋類型的甄別；在此基礎上，Noorsuhada 等[25]基于矩張量分析法對疲勞荷載下預應力鋼筋內部的微裂紋發育模式進行了研究；而Wang 等[26]則基于參數分析法對循環荷載下頁巖內部的裂紋發育模型進行了分析，表明平行層理荷載下頁巖內部以拉伸裂紋發育為主，垂直層理荷載下頁巖內部以剪切裂紋發育為主。

此外，學者們還對荷載下頁巖的破壞模式及破壞機理進行了探討。騰俊洋等[27]、Chen 等[28]研究了單軸荷載下層狀頁巖的損傷特征，表明層理對頁巖損傷作用的本質是沿層理分布的原生微裂紋群的軟化作用；申海萌等[29]研究表明巖石內部的微裂紋在損傷應力前無明顯的方向性和區域性，而在損傷應力后則出現明顯的集聚和貫通的現象；侯振坤等[30]基于水力壓裂過程中裂隙網絡的形成過程，指出水力裂縫在遇到弱層理面時會發生止裂、分叉、穿過和轉向等現象，進而提出了弱結構面是復雜裂隙網絡形成基礎的結論；Rybacki 等[31]研究表明頁巖內部的礦物成分、孔隙率、有機質成熟度以及圍壓、溫度、應變率等均是影響其力學性質的因素；Bourne 等[32]對軟硬互層型巖石內部的應力狀態進行了分析，指出軟硬巖層交界處具有應力集中的現象，并且受荷載類型以及層理角度的影響；Amaan 等[33]則表示軟硬互層巖體內，軟弱巖層更易形成拉伸裂紋，而堅硬巖層則更易形成剪切裂紋。

綜上所述，現有研究大多集中于對頁巖各向異性、損傷演化以及破壞機理等方面，而對于層理影響下頁巖破壞過程中的細觀裂紋劃分、宏觀裂紋的定量表征以及損傷對影響因素的響應規律等方面尚缺乏深入、系統性的研究。基于此，對不同層理角度下的頁巖，相繼開展單軸壓縮試驗、聲發射測試試驗、CT 掃描試驗以及數值模擬試驗，以期揭示單軸荷載下含層理頁巖的細觀裂紋演化、宏觀破壞模式以及損傷影響因素等。