三轴压缩应力下页岩的破坏机制

页岩在三轴压缩应力下的破坏是一个复杂的地质力学现象，受围压、层理方向、内在各向异性以及流体存在等多种因素影响。理解这些机制对于页岩气开发和其他深部地下工程项目的安全高效实施至关重要。页岩，常存在于隧道等地下结构中，在复合应力和渗透压作用下其力学强度会发生显著变化，渗透压升高会降低其峰值力学强度。岩石的破坏始于内部裂纹萌生，随后在外部载荷作用下扩展和交汇。

力学行为与破坏特征

三轴压缩试验研究表明，油页岩的峰值强度和残余强度随围压的增加而增强。这表明较高的围压通常会提高页岩的强度和延性。残余强度与峰值强度之比也随围压增加而增大，提示围压在初始破坏后对岩石具有稳定作用。页岩通常表现出脆性到半脆性的峰值强度响应，这取决于预存层理面的角度。页岩的应力-应变行为包括初始线性弹性阶段、随后的屈服阶段和最终的破坏阶段。在三轴压缩条件下，页岩在宏观破坏前可能发生塑性变形，塑性变形阶段可能导致裂隙网络的形成。实验前后进行的CT扫描图像常用于分析页岩裂纹的演化和破坏特征。

各向异性与层理面

页岩是一种横观各向同性材料，这意味着其力学性质随方向而异。层理面的存在显著影响页岩的破坏模式和力学性质。对龙马溪组页岩的研究表明，层理倾角（如0°、30°、45°、60°、90°）对其在三轴条件下的脆性和破坏模式起着关键作用。例如，湖南页岩的实验表明，层理方向和围压都显著影响各向异性，包括强度、变形和声发射（AE）响应。在不同围压下，不同的层理方向可能导致多达五种不同的破坏模式。在地下工程中常见的横观各向同性碳质页岩含有层理面和裂隙等缺陷，这些缺陷是裂纹扩展和最终破坏的潜在来源。超深层页岩的各向异性力学性质已被研究，结果表明，在原地应力条件下，0°和90°等层理方向会影响其力学行为、脆性和各向异性。下图展示了研究材料性质的典型实验装置，包括与页岩相关的三轴压缩试验：

实验装置图

围压和应力路径的影响

围压对页岩的地质力学和超声特性具有深远影响。在不同围压（如1 MPa、5 MPa、10 MPa、20 MPa、40 MPa和50 MPa）下进行的三轴压缩试验表明，增加围压通常会提高泥质页岩的峰值强度并改变声发射特性。对油页岩也观察到类似现象，其峰值强度和残余强度随围压增加而提高。应力路径，特别是卸载围压，可能通过释放原地应力导致井筒周围的不稳定。在深部地下开挖中常见的卸载条件下的实验研究表明，中间主应力（σ2）显著影响剥落破坏，从而影响裂纹的萌生和扩展。真三轴试验允许独立控制三个主应力（σ1、σ2、σ3），研究表明变形、破坏强度和破坏模式显著依赖于中间主应力。例如，混凝土的破坏机制受多轴压缩下中间主压应力的影响。

微观破坏机制

页岩破坏涉及复杂的微观机制，包括裂纹萌生、扩展和聚结。在三轴压缩作用下，内部微裂纹的发展对整体破坏有显著贡献。声发射（AE）监测是分析加载过程中裂纹发展常用的技术。随着应力增加，声发射事件倾向于在裂缝平面周围聚集，表明在宏观破坏前存在渐进损伤。在脆性页岩中，峰值强度、弹性模量、泊松比、裂纹萌生应力、损伤应力等特定力学参数受应力水平的影响。硅的重新分布，如在俯冲界面观察到的，也可能导致滑动不稳定性的演变，其中裂纹和愈合循环与剪切同时发生。

影响破坏判据的因素

已提出了几种经验性破坏判据来预测页岩在各种应力状态（包括三轴和多轴压缩）下的极限强度。这些判据通常包含围压、层理倾角和不连续性等因素。孔隙空间内气体的存在也起着关键作用，因为孔隙气体可以显著影响岩石强度。例如，在含气砂质页岩中，有效应力系数随围压增加而降低。不连续面内部充填物对三轴应力下岩石破坏机制的影响也已被研究，结果表明这些充填物可能充当弱面。

工程应用意义

全面理解页岩在三轴压缩下的破坏对于各种工程应用至关重要，特别是在油气工业和深部地下建设领域。对于页岩气开采而言，了解其力学行为、脆性和各向异性对于井筒稳定性和水力压裂设计至关重要。例如，围压对层理页岩气体渗透率的影响与裂缝介质中的流体流动直接相关。不同围压下三轴压缩剪切变形前后煤孔隙度的变化对于煤矿瓦斯抽采和高效煤层气开采也具有重要意义。层状硬岩在复杂地应力条件下深埋隧道力学行为和变形特征也具有重要的工程意义。真三轴应力下围岩的破坏行为和开裂机制，包括微裂缝的扩展特征，对于评估裂缝敏感性至关重要。因此，当前研究致力于开发更精确的本构模型和破坏判据，以解释页岩在各种应力条件下的复杂力学响应。