本書系統(tǒng)介紹了頁(yè)巖在微細(xì)觀礦物尺度、宏觀層理結(jié)構(gòu)尺度以及考慮有天然裂縫影響的巖體尺度下的各向異性力學(xué)行為。本書主要內(nèi)容包括:頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)各向異性定量化表征、不同深度及不同層理角度下頁(yè)巖的裂隙演化過(guò)程及破壞特征、層理頁(yè)巖的變形場(chǎng)演化規(guī)律、頁(yè)巖損傷破壞機(jī)制的層理效應(yīng)、層理頁(yè)巖的Hoek-Brown修正準(zhǔn)則及頁(yè)巖裂紋遇層理起裂擴(kuò)展準(zhǔn)則、頁(yè)巖天然裂縫和層理的發(fā)育特征、頁(yè)巖巖體的力學(xué)參數(shù)尺寸效應(yīng)以及層理面和裂隙對(duì)尺寸效應(yīng)的影響。
同時(shí),本書詳細(xì)介紹了相關(guān)研究采用的試驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬方法,包括:掃描電子顯微成像技術(shù)(SEM)、全自動(dòng)礦物分析系統(tǒng)AMICS、單軸加載高分辨率CT同步掃描技術(shù)、巴西劈裂試驗(yàn)、三點(diǎn)彎力學(xué)試驗(yàn)以及數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)和數(shù)字體積相關(guān)(DVC)變形分析方法、巖石力學(xué)和斷裂力學(xué)理論推導(dǎo)以及含天然裂縫的層理頁(yè)巖巖體三維離散元數(shù)值模擬方法。
本書可供高等院校力學(xué)、土木工程、礦業(yè)工程等專業(yè)的師生以及從事相關(guān)領(lǐng)域研究的工程技術(shù)人員、科技工作者參考。

本書詳細(xì)介紹了相關(guān)研究采用的試驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬方法,包括:掃描電子顯微成像技術(shù)(SEM)、全自動(dòng)礦物分析系統(tǒng)AMICS、單軸加載高分辨率CT同步掃描技術(shù)、巴西劈裂試驗(yàn)、三點(diǎn)彎力學(xué)試驗(yàn)以及數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)和數(shù)字體積相關(guān)(DVC)變形分析方法、巖石力學(xué)和斷裂力學(xué)理論推導(dǎo)以及含天然裂縫的層理頁(yè)巖巖體三維離散元數(shù)值模擬方法。

前　?言
頁(yè)巖氣因其儲(chǔ)量豐富已成為世界能源開發(fā)領(lǐng)域備受關(guān)注的焦點(diǎn)之一。頁(yè)巖由多種礦物組成,內(nèi)部含大量的微裂縫、微孔隙,宏觀上層理結(jié)構(gòu)特征顯著,屬于典型非均質(zhì)材料。我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層埋深大,地質(zhì)條件復(fù)雜,頁(yè)巖氣開采遇到水平井井壁易失穩(wěn)和水力壓裂效果不理想等技術(shù)瓶頸。目前,其中一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題則是頁(yè)巖非均質(zhì)性以及考慮地質(zhì)構(gòu)造和天然裂縫影響下所帶來(lái)的多尺度下的力學(xué)行為各向異性。針對(duì)此問(wèn)題,在國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金項(xiàng)目(42277167)“水化動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)頁(yè)巖井壁開挖擾動(dòng)細(xì)觀損傷特性影響研究”資助下,編者圍繞細(xì)觀變形損傷演化規(guī)律、宏觀破裂機(jī)理、層狀頁(yè)巖的強(qiáng)度準(zhǔn)則和斷裂準(zhǔn)則,考慮層理和天然裂縫頁(yè)巖巖體力學(xué)參數(shù)的離散元數(shù)值模擬方法等對(duì)基礎(chǔ)巖石力學(xué)問(wèn)題開展了深入研究,在總結(jié)凝練近年來(lái)取得的研究成果基礎(chǔ)上完成了本書編寫。
本書共7章。第1章介紹了研究背景及意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題,同時(shí)概述了本書的研究?jī)?nèi)容和方法;第2章介紹了層狀頁(yè)巖礦物微觀結(jié)構(gòu),分析了礦物顆粒朝向和分布的非均質(zhì)性,推導(dǎo)出微觀結(jié)構(gòu)的定量化表征參數(shù),內(nèi)容包括試驗(yàn)方法、基本礦物特征、礦物顆粒朝向特征及空間分布的非均質(zhì)性定量化表征;第3章介紹了層狀頁(yè)巖細(xì)觀各向異性破壞過(guò)程及強(qiáng)度準(zhǔn)則,分析了單軸加載條件下層狀頁(yè)巖細(xì)觀裂紋的演化及宏觀破壞特征,討論了細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)各向異性破壞行為的影響,建立了考慮各向異性斷裂行為的強(qiáng)度準(zhǔn)則,內(nèi)容包括試驗(yàn)方法、不同深度頁(yè)巖各向異性細(xì)觀破壞過(guò)程、不同微觀結(jié)構(gòu)頁(yè)巖破壞后裂隙特征及強(qiáng)度準(zhǔn)則的各向異性修正;第4章介紹了層狀頁(yè)巖細(xì)觀各向異性變形過(guò)程,定量化分析了單軸加載條件下裂隙的細(xì)觀演化過(guò)程,討論了層狀頁(yè)巖各向異性變形場(chǎng)演化規(guī)律和損傷局部化機(jī)理,內(nèi)容包括數(shù)字體積圖像相關(guān)方法、裂隙演化的定量化表征和頁(yè)巖內(nèi)部各向異性變形場(chǎng)分析;第5章介紹了層狀頁(yè)巖宏觀各向異性斷裂和破壞行為,分析了在巴西劈裂和三點(diǎn)彎曲加載條件下層狀頁(yè)巖表面變形場(chǎng)的演化規(guī)律及損傷程度因子局部化過(guò)程,內(nèi)容包括試驗(yàn)方法、巴西劈裂試件的破裂模式、三點(diǎn)彎曲試件的斷裂模式和位移場(chǎng)演化,以及損傷程度因子的定義和演化規(guī)律;第6章介紹了頁(yè)巖各向異性起裂擴(kuò)展準(zhǔn)則,在層狀頁(yè)巖宏觀斷裂行為和最大周向應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)上,建立了考慮T應(yīng)力的層狀頁(yè)巖Ⅰ型裂紋沿層理面起裂和擴(kuò)展條件,內(nèi)容包括裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的推導(dǎo)、T應(yīng)力影響下裂紋遇層理擴(kuò)展判據(jù)、Ⅰ型裂紋遇層理面擴(kuò)展規(guī)律分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;第7章介紹了應(yīng)用于工程尺度的考慮層理和天然裂縫的離散元模擬方法,建立了含天然裂縫的層理頁(yè)巖巖體三維離散元模型,分析了巖體力學(xué)參數(shù)尺寸效應(yīng)以及層理面和裂隙對(duì)尺寸效應(yīng)的影響,內(nèi)容包括頁(yè)巖巖體的天然裂縫和層理特征、巖體離散元模型的建立、加載路徑設(shè)計(jì)、力學(xué)參數(shù)尺寸效應(yīng)以及層理面和裂隙共同作用對(duì)表征單元體REV的影響。
本書由李英杰、王炳乾、張亮共同編著,具體分工為:李英杰負(fù)責(zé)統(tǒng)稿和第1章、第4 ~ 7章內(nèi)容的編寫工作,王炳乾負(fù)責(zé)編寫第3章,張亮負(fù)責(zé)編寫第2章。
本書旨在為頁(yè)巖氣開采工程提供深入的理論研究和實(shí)踐指導(dǎo),希望能對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者、工程師和決策者具有一定的參考價(jià)值。由于編者水平有限,書中難免存在不妥之處,懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
編　　者

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）

目　　錄
前?言
第1章?緒論1
1.1　頁(yè)巖的非均質(zhì)性和各向異性1
1.2　頁(yè)巖多尺度力學(xué)行為研究進(jìn)展2
1.2.1　頁(yè)巖微細(xì)觀尺度各向異性力學(xué)特征2
1.2.2　頁(yè)巖試件尺度各向異性力學(xué)特征4
1.2.3　頁(yè)巖巖體天然裂縫及巖體力學(xué)參數(shù)的各向異性5
1.3　本書主要內(nèi)容8
第2章?頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)各向異性定量化表征10
2.1　層狀頁(yè)巖基本礦物特征10
2.2　層狀頁(yè)巖礦物顆粒各向異性特征22
2.2.1　礦物顆粒各向異性特征指標(biāo)22
2.2.2　不同深度礦物顆粒各向異性特征22
2.3　層狀頁(yè)巖礦物顆�？臻g分布各向異性特征32
2.3.1　礦物顆粒空間分布各向異性特征指標(biāo)32
2.3.2　不同深度頁(yè)巖礦物顆�？臻g分布各向異性特征34
第3章?層狀頁(yè)巖各向異性破壞特征及強(qiáng)度準(zhǔn)則修正37
3.1　原位加載CT掃描試驗(yàn)介紹37
3.2　單軸加載條件下層狀頁(yè)巖裂縫演化特征41
3.3　頁(yè)巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)各向異性破壞的影響72
3.4　頁(yè)巖破壞后細(xì)觀裂隙的各向異性特征75
3.4.1　不同層理角度頁(yè)巖破壞后的細(xì)觀裂隙特征75
3.4.2　不同深度頁(yè)巖破壞后的細(xì)觀裂隙特征78
3.5　層狀頁(yè)巖各向異性Hoek-Brown準(zhǔn)則修正模型研究80
3.5.1　各向同性Hoek-Brown準(zhǔn)則的斷裂力學(xué)分析80
3.5.2　模型參數(shù)的各向異性修正82
3.5.3　模型的各向異性修正85
3.5.4　修正系數(shù)α和摩擦系數(shù)μ對(duì)模型參數(shù)m的影響分析86
3.5.5　Hoek-Brown準(zhǔn)則各向異性修正模型參數(shù)的確定及驗(yàn)證88
第4章?基于原位加載CT掃描試驗(yàn)的層理頁(yè)巖變形場(chǎng)特征研究92
4.1　數(shù)字體積相關(guān)方法92
4.1.1　數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算模式92
4.1.2　數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算原理93
4.1.3　數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算流程95
4.2　層理頁(yè)巖裂縫演化過(guò)程的定量化表征97
4.2.1　裂紋面積演化特征97
4.2.2　裂紋分形維數(shù)演化特征97
4.3　層理頁(yè)巖變形場(chǎng)演化特征分析100
4.3.1　DVC計(jì)算區(qū)域的選擇100
4.3.2　DVC計(jì)算窗口尺寸的選擇101
4.3.3　層理頁(yè)巖試件的變形場(chǎng)分析102
第5章?層狀頁(yè)巖各向異性斷裂及損傷演化規(guī)律研究107
5.1　數(shù)字散斑相關(guān)方法基本原理107
5.2　巴西劈裂和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)介紹109
5.3　不同層理角度試件破壞模式112
5.3.1　巴西劈裂試驗(yàn)試件破壞模式112
5.3.2　三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試件破壞特征113
5.4　變形場(chǎng)演化規(guī)律116
5.4.1　巴西劈裂試驗(yàn)變形場(chǎng)演化規(guī)律116
5.4.2　三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)變形場(chǎng)演化規(guī)律119
5.5　損傷局部化分析122
第6章?頁(yè)巖裂紋遇層理起裂擴(kuò)展準(zhǔn)則研究128
6.1　頁(yè)巖沿層理分叉裂紋尖端周向應(yīng)力場(chǎng)解析推導(dǎo)128
6.2　T應(yīng)力影響下頁(yè)巖裂紋遇層理擴(kuò)展判據(jù)130
6.3　Ⅰ型裂紋遇層理弱面擴(kuò)展規(guī)律解析分析132
6.3.1　T應(yīng)力和層理傾角對(duì)擴(kuò)展角的影響132
6.3.2　T應(yīng)力和層理傾角對(duì)起裂、擴(kuò)展臨界強(qiáng)度比的影響134
6.4　擴(kuò)展判據(jù)解析解試驗(yàn)驗(yàn)證139
第7章?基于離散元方法的頁(yè)巖巖體力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)研究140
7.1　頁(yè)巖天然裂縫和層理特征140
7.2　頁(yè)巖巖體三維離散元計(jì)算模型145
7.3　基于Fish語(yǔ)言的加載路徑設(shè)計(jì)151
7.4　頁(yè)巖巖體三維離散元數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果153
7.4.1　不同各向異性比對(duì)頁(yè)巖巖體力學(xué)參數(shù)及REV的影響154
7.4.2　頁(yè)巖層理角度對(duì)頁(yè)巖巖體力學(xué)參數(shù)及REV的影響155
7.5　層理和天然裂縫共同作用對(duì)REV的影響158
參考文獻(xiàn)160