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基于声发射的各向异性页岩变形破坏特征研究

2023-09-07 55 上传者：管理员

摘要：为进一步研究各向异性页岩变形破坏特征，选取典型地区露头页岩，沿页岩自身层理面在不同方向取芯，进行基于声发射的单轴压缩试验。研究表明抗压强度随层理角度的不同具有显著的各向异性；单轴压缩时层理角度越大对破坏形式影响越大，破坏面沿层理面发育越明显；不同层理角度页岩试样的轴向应力值和破坏的各个阶段与声发射振铃计数和累计能量之间存在良好的相关性；通过声发射参数中的上升时间和幅值的比值（RA）、振铃计数和持续时间的比值（AF）值所判断的页岩单轴压缩破坏形式和试样宏观破坏形态基本一致。

关键词：
各向异性
声发射
层理角度
破坏形式
页岩
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页岩是一种层理性及其明显的岩石，由于构成页岩的矿物颗粒形状大小不同，且散乱分布和组合，使得页岩体的力学特性和破坏机制产生了十分明显的各向异性特征[1,2]。在常用的页岩水力压裂过程中，层理面总是早于岩体发生破裂，从而导致水力裂缝在逐渐延伸时沿着软弱面开裂，使得裂缝缝网难以产生，从而导致水力压裂的效率下降[3]。岩石破裂过程中产生的声发射现象是因为外荷载加载至岩石试样上以后，其内部积聚的能量以弹性波形式释放引起的[4]。而页岩所产生的声发射现象，本质上就是页岩在受到荷载作用而发生破坏时，自身内部从开始萌发微裂隙并逐渐扩展，直到最后发生贯通的这整个过程中伴随着一些声发射信号出现[5]。进行不同层理角度页岩变形破坏及声发射特征研究，对于分析水力压裂过程中遇到的井壁稳定性以及水力裂缝扩展规律有着非常深刻的现实意义。

张茹等[6]对花岗岩受荷破坏的全过程进行了声发射信号的采集监测，最终分析得到其花岗岩应力–应变、声发射相关参数与应力和时间之间的关系。张朝鹏等[7]分析研究了煤岩自身存在的层理对于其声发射时序参数、能量的释放规律、以及空间演化特征和声发射振幅分布的作用和影响。索彧等[8]研究了页岩从受荷到发生破坏的整个过程中的力学性质和声发射特征。王林均等[9]使用累积声发射计数、累积声发射能量、AF值、RA值、b值等声发射参数分析了其力学性质和声发射特征。

基于声发射技术开展的岩石破坏过程的研究工作形式多样，研究所采用的声发射参数也有所区别，本文不再一一引用和赘述。单轴压缩下岩石的破坏过程是研究复杂应力状态下岩石力学性质的基础，且本文所研究的页岩具有很强的各向异性特征，因此对于利用声发射技术并且考虑页岩各向异性特征所开展的单轴压缩变形破坏研究，是非常必要的。

1、试验概况

1.1试样采集与制备

试验中所采用的页岩取自于川南地区的页岩露头，取层理角度为0°、4 5°和9 0°的页岩试样，样品规格按照国标要求加工成Φ50mm×100mm的圆柱试样，其中，层理角度表达的是页岩层理面法线与圆柱试样轴线的夹角。层理面与水平面平行的试样层理角度定义为0°，层理面与水平面垂直的试样层理角度为90°。

1.2试验设备及方法

试验设备主要是力学加载系统和声发射数据采集系统。力学加载系统采用的设备为液压式万能试验机；声发射数据采集系统采用设备为德国全数字化声发射仪，试验声发射检测设置的采集频率为1～400kHz，门槛值为40 dB，前置增益采用40 dB。

2、页岩变形破坏特征

2.1强度变化分析

从图1可以看出当不同层理角度页岩各个试件进行单轴压缩时，其各层理角度的平均抗压强度在层理角度为0°时最大，45°时最小，这是页岩各向异性特征的一种表现。

图1不同层理角度页岩单轴抗压强度

2.2破坏形式分析

图2为不同层理角度页岩单轴压缩试验破坏后的照片。

(1)0°页岩，由于试样在荷载作用下轴向变形受到抑制，试样会沿着径向方向扩张，最终在试样内部形成了贯穿层理面的张拉破坏，而这种破坏又使得试样沿着层理、节理或者裂隙等软弱结构面开裂成平行的几部分，且局部有少量的剪切裂缝。

(2)45°页岩，形成了多个贯穿层理的剪切破裂面和较少的张拉破裂面，而发生这种情况的原因是由于基质体中裂纹扩展和层理弱面共同的作用，它们一起主导了试样的剪切滑移破裂。

(3)90°页岩试样，拉张力使层理面张开发生张拉劈裂破坏，层理弱面是其破裂的主导因素。破坏时试样产生了多个贯穿顶部及底部，且和试样层理面平行的张拉破裂面。这主要是由于页岩试样在受到轴向荷载时，其试样轴向被压缩，而与轴向垂直的方向却产生张拉应力，又由于层理面本身的胶结程度较弱，所以便形成多个平行于层理面及受压方向的张拉破坏面。

图2不同层理角度页岩单轴压缩破坏形式

3、页岩声发射特征分析

3.1轴向应力与声发射振铃计数的关系

图3为不同层理角度页岩在单轴压缩试验下其轴向应力与声发射振铃计数的试验曲线。

图3不同层理角度页岩轴向应力与声发射振铃计数关系

(1）在试验初始加载阶段，页岩试样中的微裂隙或者节理等被压实，在这个阶段各个层理角度页岩试样都只出现了很少量的声发射事件，振铃计数也都非常低。

(2）当加载继续增加，页岩试样里面的微裂隙和节理等基本上已经没有空隙，因此声发射信号相对较少。但是，从图中可以看出试样在此时会出现应力突然跌落的现象，这可能是因为试样应力集中发生局部破坏所引起的。并且，每一次应力跌落都会伴随有较大的声发射振铃计数产生，这表明试样每一次较大的破坏都表现为声发射活动的增强，振铃计数的增加。这对于正确判断岩体逐渐破坏时的程度及范围有借鉴意义。

(3）随着轴向载荷的不断加大，在这个过程中各个试件原微裂隙逐渐被压实，但试样里面新的微裂纹逐渐发生变化、扩展，声发射活动又慢慢增强。当所加载的荷载趋近于页岩试样峰值强度值时，振铃计数显著增高，此时页岩内部的微裂隙扩展最终达到汇合贯通，从而构成了宏观断裂面，最终使得试样破坏时声发射活动剧烈，从应力—时间关系上显示为应力的突然下降，同一时刻，声发射振铃计数上升到最大。

(4）在峰后阶段，因为页岩试样本质上没有新的裂纹出现，所以声发射活动较低。

3.2轴向应力与声发射累计能量的关系

在声发射的累计能量曲线上可以更好地查看裂纹的扩展过程。从图4可看出，不同层理角度的页岩试样在初始阶段基本无明显的能量陡增点，说明在此阶段，页岩试样中的微裂隙或者节理等被压实，只出现了很少量的声发射事件，能量也都非常低。而在弹性阶段到破坏阶段都有明显的能量陡增点，说明试样内部新的微裂纹又开始萌生、扩展，或者继续发生局部破坏，声发射活动逐渐增强。而最后阶段宏观裂纹贯通时，内部破裂产生的声发射能量在很大程度上高于中前期产生的声发射能量。

图4不同层理角度页岩轴向应力与声发射累计能量关系

3.3声发射RA值及AF值分布与破坏机制

研究发现当运用声发射特征参数分析材料破裂时，通常考虑张拉和剪切破裂，而2种破裂方式可由声发射参数中RA值和AF值来反映。RA值是上升时间和幅值的比值，AF值为振铃计数和持续时间的比值，即为平均频率。通常情况下，高AF值、低RA值代表张拉裂纹的萌生与发育，而低AF值、高RA值代表剪切裂纹的萌生与发育。两者分布与裂缝类型之间的关系如图5所示。

图5声发射AF值、RA值分布及裂缝类型

通过统计分析不同层理角度页岩AF和RA值情况，可以得出以下结论：

(1)0°页岩破坏过程RA-AF散点在张拉区域分布较多、较密集，占比为69.68%，在剪切区域分布较少、较稀疏，占比为30.32%，说明0°页岩单轴压缩破坏为张剪复合破裂，但张拉破坏为主要破坏形式，剪切破坏为次要破坏形态；

(2)45°页岩破坏过程RA-AF散点在张拉区域分布较少、较稀疏，占比为33.94%，在剪切区域分布较多、较紧密，占比为66.06%，说明45°页岩单轴压缩破坏为张剪复合破裂，但剪切破坏为主要破坏形式，张拉破坏为次要破坏形式；

(3)90°页岩破坏过程RA-AF散点基本全都分布在张拉区域，占比为92.23%，在剪切区域分布很少、很稀疏，占比仅为7.77%，说明90°页岩单轴压缩破坏基本为张拉破坏，剪切破坏只是在页岩试样局部的小破坏形态。

上述情况与图2中各层理角度页岩单轴压缩宏观破坏形态基本一致，这也说明声发射参数中的RA、AF值分布可作为研究页岩破裂机制的依据。

4、结论

结合声发射技术对不同层理角度页岩在单轴压缩试验下的变形破坏过程进行分析研究，得出以下结论：

(1）平均抗压强度在层理角度为0°时最大，45°时最小，表明了页岩各向异性的特征。

(2）不同层理角度页岩破坏形式主要是张拉劈裂破坏和剪切滑移破坏，层理角度越大对破坏形式影响越大，破坏面沿层理面发育越明显。

(3）单轴压缩试验下，不同层理角度页岩的轴向应力值和破坏的各个阶段与声发射振铃计数和累计能量之间存在良好的相关性。

(4）通过声发射参数中的RA、AF值所判断的各层理角度页岩单轴压缩的破坏形式和试样宏观破坏形态基本一致。