基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨.pdfVIP

第 21卷第 3期 地 质 力 学 学 报 V01．21NO．3 2015年 9月 JOURNALOFGEOMECHANICS Sep．2015 文章编号 ：1006~616 (2015)034)330．11 基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨 徐 珂 ，戴俊生 ，付晓龙 ，任启强 ，刘丛宁 ，赵 恽 (1．中国石油大学地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2．中国石油冀东油 田勘探开发研究院，河北 唐山063004； 3．广州大学教育学院，广州 510006) 摘 要 ：层状岩体 的非均质性及各 向异性导致其破裂方式及规律 与均质岩体有显著 不同。对层状岩体分别进行不 同方式 的单轴、双轴、三轴试验，分析应力一应变 曲 线特征；再利用ANSYS有限元软件进行数值模拟，观察应力、应变在岩体上 的分 布 ，通过曲线和 图件 的对 比分析 ，并结合岩石破裂理论 ，总结不 同应力状态下层状 岩体的破裂方式、顺序及规律 ；最后以富台地 区为例 ，对分析结果进行验证。研究 结果表明，不同受力方式对层状岩体破裂的影响体现在施加的载荷及约束与层面的 方位。当应力方向与岩层面平行 时，强度大 的石灰岩岩体发生集 中应力，首先破 裂；而应力与岩层面垂直时，强度小的泥岩岩体首先破裂。岩石试验、数值模拟结 果 以及实例均成功验证 了这个规律。 关键词：层状岩体；岩石试验；数值模拟；破裂规律 中图分类号：TD315 文献标识码：A 0 引言 层状岩体普遍分布于 自然界中。与均质块状岩体相 比，层状岩体的变形和强度特性具有 明显 的各向异性 ，因此其稳定性和破坏条件也有特殊表现 ，特别是裂缝的产生和延伸变得比 较复杂，现有的破裂准则也难以精准描述它们的破裂规律。目前研究过层状岩体力学性质和 变形方式的学者不在少数 ，胡 明研等 ¨对层状复合岩石做 了压缩试验 ，分析 了不同条件下 裂缝在岩层上的发育和展布；黎立云等 通过 巴西 圆盘劈裂试验及单轴压缩试验讨论 了层 状岩体破裂的特殊现象及成 因机制；刘立 对复合岩体的特殊性质进行 了深入研究 ，在损 伤演化和断裂破坏规律方面有了实质进展 ；许宝 田等 对泥岩进行了三轴压缩实验 ，分析 了泥岩应力一应变特性 ；戴俊生等 提出了适合脆性低渗透砂岩的破裂准则 ，卢虎胜等 则 在戴俊生的基础上建立了用于砂泥岩间互地层 的破裂准则 ；雷宇 通过砂泥岩压缩 、回弹 、 破裂实验对裂缝成因进行了初步分析 ；杨仕教等 、李永盛 和尹小涛等 ¨分别研究了不 同加载速率对岩石力学效应的影响。 收稿 日期：2014．12-26 基金项 目：国家科技重大专项 “复杂裂缝性碳酸盐岩油藏开发关键技术 ” (2011ZX050144)04)；中国石油大学 (华 东)研究生创新工程 (YCX2015009) 作者简介：徐珂 (1991-)，男 ，硕士研究生 ，主要从事构造地质学方面的研究。E-mail：232437658@qq．corn 332 地 质 力 学 学 报 2015 试验用的每件样品应完好无损，分别进行单轴 、双轴、三轴压缩试验 ，其 中单轴和双轴 试验再分为岩层水平和竖直两种情况。试验得到 的应力一应变 曲线如 图2。除三轴压缩外 ， 其余4曲线虽大致趋势相似 ，但形态不尽相 同，意味着不同受力方式对岩石破裂有重要 影响。 (a)岩层水平的单轴压缩 (b)岩层竖直的单轴压缩 rc)岩层水平的双轴压缩 fd)岩层竖直的双轴压缩 fe)三轴压缩 图2 不同应力状态下的应力一应变 曲线 Fig．2 Thestress—straincurves