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本书详细介绍了相关研究采用的试验、理论和数值模拟方法，包括:扫描电子显微成像技术(SEM)、全自动矿物分析系统AMICS、单轴加载高分辨率CT同步扫描技术、巴西劈裂试验、三点弯力学试验以及数字散斑相关方法(DSCM)和数字体积相关(DVC)变形分析方法、岩石力学和断裂力学理论推导以及含天然裂缝的层理页岩岩体三维离散元数值模拟方法。
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| 內容簡介： |
本书系统介绍了页岩在微细观矿物尺度、宏观层理结构尺度以及考虑有天然裂缝影响的岩体尺度下的各向异性力学行为。本书主要内容包括:页岩微观结构各向异性定量化表征、不同深度及不同层理角度下页岩的裂隙演化过程及破坏特征、层理页岩的变形场演化规律、页岩损伤破坏机制的层理效应、层理页岩的Hoek-Brown修正准则及页岩裂纹遇层理起裂扩展准则、页岩天然裂缝和层理的发育特征、页岩岩体的力学参数尺寸效应以及层理面和裂隙对尺寸效应的影响。
同时，本书详细介绍了相关研究采用的试验、理论和数值模拟方法，包括:扫描电子显微成像技术(SEM)、全自动矿物分析系统AMICS、单轴加载高分辨率CT同步扫描技术、巴西劈裂试验、三点弯力学试验以及数字散斑相关方法(DSCM)和数字体积相关(DVC)变形分析方法、岩石力学和断裂力学理论推导以及含天然裂缝的层理页岩岩体三维离散元数值模拟方法。
本书可供高等院校力学、土木工程、矿业工程等专业的师生以及从事相关领域研究的工程技术人员、科技工作者参考。
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| 目錄：
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目 录
前 言
第1章 绪论1
1.1 页岩的非均质性和各向异性1
1.2 页岩多尺度力学行为研究进展2
1.2.1 页岩微细观尺度各向异性力学特征2
1.2.2 页岩试件尺度各向异性力学特征4
1.2.3 页岩岩体天然裂缝及岩体力学参数的各向异性5
1.3 本书主要内容8
第2章 页岩微观结构各向异性定量化表征10
2.1 层状页岩基本矿物特征10
2.2 层状页岩矿物颗粒各向异性特征22
2.2.1 矿物颗粒各向异性特征指标22
2.2.2 不同深度矿物颗粒各向异性特征22
2.3 层状页岩矿物颗粒空间分布各向异性特征32
2.3.1 矿物颗粒空间分布各向异性特征指标32
2.3.2 不同深度页岩矿物颗粒空间分布各向异性特征34
第3章 层状页岩各向异性破坏特征及强度准则修正37
3.1 原位加载CT扫描试验介绍37
3.2 单轴加载条件下层状页岩裂缝演化特征41
3.3 页岩细观结构对各向异性破坏的影响72
3.4 页岩破坏后细观裂隙的各向异性特征75
3.4.1 不同层理角度页岩破坏后的细观裂隙特征75
3.4.2 不同深度页岩破坏后的细观裂隙特征78
3.5 层状页岩各向异性Hoek-Brown准则修正模型研究80
3.5.1 各向同性Hoek-Brown准则的断裂力学分析80
3.5.2 模型参数的各向异性修正82
3.5.3 模型的各向异性修正85
3.5.4 修正系数α和摩擦系数μ对模型参数m的影响分析86
3.5.5 Hoek-Brown准则各向异性修正模型参数的确定及验证88
第4章 基于原位加载CT扫描试验的层理页岩变形场特征研究92
4.1 数字体积相关方法92
4.1.1 数字体积相关计算模式92
4.1.2 数字体积相关计算原理93
4.1.3 数字体积相关计算流程95
4.2 层理页岩裂缝演化过程的定量化表征97
4.2.1 裂纹面积演化特征97
4.2.2 裂纹分形维数演化特征97
4.3 层理页岩变形场演化特征分析100
4.3.1 DVC计算区域的选择100
4.3.2 DVC计算窗口尺寸的选择101
4.3.3 层理页岩试件的变形场分析102
第5章 层状页岩各向异性断裂及损伤演化规律研究107
5.1 数字散斑相关方法基本原理107
5.2 巴西劈裂和三点弯曲试验介绍109
5.3 不同层理角度试件破坏模式112
5.3.1 巴西劈裂试验试件破坏模式112
5.3.2 三点弯曲试验试件破坏特征113
5.4 变形场演化规律116
5.4.1 巴西劈裂试验变形场演化规律116
5.4.2 三点弯曲试验变形场演化规律119
5.5 损伤局部化分析122
第6章 页岩裂纹遇层理起裂扩展准则研究128
6.1 页岩沿层理分叉裂纹尖端周向应力场解析推导128
6.2 T应力影响下页岩裂纹遇层理扩展判据130
6.3 Ⅰ型裂纹遇层理弱面扩展规律解析分析132
6.3.1 T应力和层理倾角对扩展角的影响132
6.3.2 T应力和层理倾角对起裂、扩展临界强度比的影响134
6.4 扩展判据解析解试验验证139
第7章 基于离散元方法的页岩岩体力学参数的尺寸效应研究140
7.1 页岩天然裂缝和层理特征140
7.2 页岩岩体三维离散元计算模型145
7.3 基于Fish语言的加载路径设计151
7.4 页岩岩体三维离散元数值试验结果153
7.4.1 不同各向异性比对页岩岩体力学参数及REV的影响154
7.4.2 页岩层理角度对页岩岩体力学参数及REV的影响155
7.5 层理和天然裂缝共同作用对REV的影响158
参考文献160
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| 內容試閱：
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前 ?言
页岩气因其储量丰富已成为世界能源开发领域备受关注的焦点之一。页岩由多种矿物组成，内部含大量的微裂缝、微孔隙，宏观上层理结构特征显著，属于典型非均质材料。我国页岩气储层埋深大，地质条件复杂，页岩气开采遇到水平井井壁易失稳和水力压裂效果不理想等技术瓶颈。目前，其中一个关键的问题则是页岩非均质性以及考虑地质构造和天然裂缝影响下所带来的多尺度下的力学行为各向异性。针对此问题，在国家自然科学基金面上基金项目(42277167)“水化动力学过程对页岩井壁开挖扰动细观损伤特性影响研究”资助下，编者围绕细观变形损伤演化规律、宏观破裂机理、层状页岩的强度准则和断裂准则，考虑层理和天然裂缝页岩岩体力学参数的离散元数值模拟方法等对基础岩石力学问题开展了深入研究，在总结凝练近年来取得的研究成果基础上完成了本书编写。
本书共7章。第1章介绍了研究背景及意义、国内外研究现状以及存在的问题，同时概述了本书的研究内容和方法;第2章介绍了层状页岩矿物微观结构，分析了矿物颗粒朝向和分布的非均质性，推导出微观结构的定量化表征参数，内容包括试验方法、基本矿物特征、矿物颗粒朝向特征及空间分布的非均质性定量化表征;第3章介绍了层状页岩细观各向异性破坏过程及强度准则，分析了单轴加载条件下层状页岩细观裂纹的演化及宏观破坏特征，讨论了细观结构对各向异性破坏行为的影响，建立了考虑各向异性断裂行为的强度准则，内容包括试验方法、不同深度页岩各向异性细观破坏过程、不同微观结构页岩破坏后裂隙特征及强度准则的各向异性修正;第4章介绍了层状页岩细观各向异性变形过程，定量化分析了单轴加载条件下裂隙的细观演化过程，讨论了层状页岩各向异性变形场演化规律和损伤局部化机理，内容包括数字体积图像相关方法、裂隙演化的定量化表征和页岩内部各向异性变形场分析;第5章介绍了层状页岩宏观各向异性断裂和破坏行为，分析了在巴西劈裂和三点弯曲加载条件下层状页岩表面变形场的演化规律及损伤程度因子局部化过程，内容包括试验方法、巴西劈裂试件的破裂模式、三点弯曲试件的断裂模式和位移场演化，以及损伤程度因子的定义和演化规律;第6章介绍了页岩各向异性起裂扩展准则，在层状页岩宏观断裂行为和最大周向应力判据的基础上，建立了考虑T应力的层状页岩Ⅰ型裂纹沿层理面起裂和扩展条件，内容包括裂纹尖端应力场的推导、T应力影响下裂纹遇层理扩展判据、Ⅰ型裂纹遇层理面扩展规律分析和实验验证;第7章介绍了应用于工程尺度的考虑层理和天然裂缝的离散元模拟方法，建立了含天然裂缝的层理页岩岩体三维离散元模型，分析了岩体力学参数尺寸效应以及层理面和裂隙对尺寸效应的影响，内容包括页岩岩体的天然裂缝和层理特征、岩体离散元模型的建立、加载路径设计、力学参数尺寸效应以及层理面和裂隙共同作用对表征单元体REV的影响。
本书由李英杰、王炳乾、张亮共同编著，具体分工为:李英杰负责统稿和第1章、第4 ~ 7章内容的编写工作，王炳乾负责编写第3章，张亮负责编写第2章。
本书旨在为页岩气开采工程提供深入的理论研究和实践指导，希望能对相关领域的学者、工程师和决策者具有一定的参考价值。由于编者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。
编 者
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