基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨.pdf

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1、第21卷第3期地质力学学报V01．21NO．32015年9月JOURNALOFGEOMECHANICSSep．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

2、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：A0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

3、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

4、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．corn332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

5、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．2Thestress—straincurvesindifferentloadstates338地质力学学报3研究意义与实例验证探讨层状岩体的破裂规律对储层裂缝研究有直接的意义。根据不同地质体裂缝的开裂、延伸、扩展特征，可以预测裂缝富集带，特别是在致密低渗透岩体里，裂

6、缝是重要的油气储集空间。商琳等⋯对富台碳酸盐潜山各期岩层做了深入的岩石试验及裂缝数值模拟研究。从该区燕山期地层的力学参数及裂缝参数特征(见表2)可以看出，弹性模量较大、泊松比较小的凤山组和八陡组岩层发育的裂缝开度较大，为2．9—4．7mln，而在相对较“软”的冶里一亮甲山组岩层发育的裂缝开度较小，为2．5～2．9mm，表明较“强硬”的岩层容易破裂，且裂缝较宽。表2富台潜山燕山期力学参数及裂缝参数特征Table2ThemechanicalparametersandfracturefeaturesofFutaiBuriedHillinYanshanian富台地区在燕山期主要受北

7、东东一南西西向挤压作用，各组岩层基本水平，类似于水平岩层的双轴压缩或竖直岩层的单轴压缩，该受力状态下层状岩体中的“强硬”岩层易于破裂。故岩石试验、数值模拟结果与富台地区实例吻合，为本研究的正确性和合理性提供了支持。4结论不同受力方式显著影响层状岩体的破裂顺序，相同受力方式下的破坏顺序与岩层排列顺序无明显关系。岩层水平和竖直两种情况下的单轴压缩试验结果具有明显差异，岩层水平时首先在强度小的“软弱”岩体出现裂纹，最终贯穿整体；而岩层竖直时，强度大的“强硬”岩体首先破裂。不同约束方式影响层状岩体的破裂顺序。约束面与岩层面