岩石破坏形态及破坏准则的室内实验研究

本文摘要：（由ai生成）

自1912年起，学者们通过厚壁筒实验研究了岩石破坏行为。Adams观察到螺旋状塌陷，Robertson发现最大剪应力准则预测屈服点，Hoskins指出岩石强度受多种因素影响。Gay观察到剪切和拉伸裂缝，Ewy发现表观强度高于单轴抗压强度。Haimson提出岩石各向异性随围压减弱，Papamichos开发临界压差模型。Chen研究了围压和孔径对三轴抗压强度的影响。这些研究为理解岩石复杂应力破坏机制提供了重要见解。

1912年，Adams首次利用厚壁筒对Solenhofen石灰岩和Westerly花岗岩进行加压破坏实验，并观察到内壁上螺旋状的塌陷。  

1955年，Robertson对均质Solenhofen石灰岩开展了一系列静水压力下空心圆柱筒破裂试验。对于不同尺寸的厚壁筒，观察到当外径与内径比小于3时，岩石样品呈现整体性破坏；反之比值大于3时，厚壁筒呈现内壁的剥落破坏。且这种剥落破坏是内壁薄层的破裂，伴随着中间层的塑性变形和外表层的弹性变形。同时该研究认为最大剪应力准则在预测石灰石的屈服点方面是可靠的，且该屈服强度是断裂强度的近似值。  

1969年，Hoskins通过厚壁圆筒破坏实验证明了破裂总是由内表面开始的且中间主应力的大小对岩石的强度具有明显的影响。他认为传统的破坏准则不能描述不同岩石的力学行为，岩石的破坏机理可能不仅与材料相关，同时由应力状态、应变率和温度决定。不同主应力大小排列顺序下，观察发现厚壁筒的破裂面可分为锥形、等角螺旋和等距螺旋三种。  

1973 年，Gay利用各向同性砂岩和各向异性石英岩进行不同开口形状的厚壁筒破坏实验，开口分为圆形、椭圆形和狭长矩形。观察岩样在静水压力下的破坏形态，发现所有试样均在开口的主轴末端显示出强烈的断裂，且集中在相对狭窄的剪切区域；破坏区域观察到剪切裂缝和拉伸裂缝，但拉伸缝主要表现为剪切区域附近的微裂纹。此外，各向异性的石英岩由于层理面和泥质物质的存在使得破裂面更易形成，且其裂缝易沿着层理发展。  

1990年，Ewy等对砂岩和石灰岩实施了平面应变条件下的厚壁筒实验以观察中心孔眼的变形、断裂和破坏特征。利用孔壁岩石的应变极限值或应变速率的突然增大判断井壁破坏，发现厚壁筒的表观强度是单轴抗压强度测量值的2~3倍。孔眼的基本断裂机制为平行于切向应力方向的张开型的、微观劈裂裂纹的萌生和发育。在没有支撑力的孔壁上，这些裂纹合并形成宏观劈裂裂缝导致岩石的剥落。  

1993年，Haimson等利用中心钻孔的长方体岩样进行井眼破坏实验，通过实时监测和薄片分析观察到井壁岩石因剪切破坏而形成“狗耳”状坍塌的全过程，并将其分为裂纹萌生、裂纹扩展、共轭裂缝间岩石剥落和崩落加深直至稳定的四个阶段。同时他发现，岩石力学性质的各向异性会因围压增加而减弱，因此准确的分析基于井周岩石的真实应力状态。  

1998年，Haimson等利用高孔隙度的、含孔眼的立方体岩块进行破坏实验观察到，孔壁的崩落形成了狭槽状或裂缝状的窄长区域，分布在平行于最小主应力的井壁两侧。这与普遍的“狗耳”状崩落差异明显，他认为这是由于高孔隙度的砂岩中，应力集中最大点产生粒间基质瓦解的初始破裂，而后应力集中最大处不断向地层深处移动，从而不断有颗粒瓦解并被钻井液带出导致的。  

2010年，Papamichos等利用一种砂岩露头开展了一系列厚壁圆筒和立方体岩心柱的力学破坏试验，证明了应力各向异性对井眼变形和破坏的显著影响并绘制了不同应力组合下的井眼破坏模式图版。结合实验数据开发了一种改进的出砂临界压差解析模型，该模型基于von Mises判据并考虑了轴向和侧向的应力各向异性，克服了Mohr-Coulomb准则未考虑轴向应力各向异性且过小估计侧向应力各向异性的影响等缺点。  

2020年，Chen等利用花岗岩的厚壁筒研究了围压和孔径尺寸对三轴抗压强度的影响，强度随围压增高而增高，高围压下随内径增大而减小。弹性模量随围压增高而增大，且不受孔径尺寸的控制。随着围压增高，厚壁筒的整体破坏由剪切模式逐渐转变为劈裂模式，实验数据能被三维Hoek-Brown 准则很好的拟合。