直接剪切下页岩的各向异性破坏特征和强度预测模型

摘要

了解页岩剪切破坏特性对页岩气储层改造和井壁稳定性控制具有重要意义。然而，由于页岩本身的各向异性属性，页岩的剪切破坏行为复杂。本文对6种不同层理倾角（0°、30°、60°、90°、120°和150°）的立方体页岩进行了系统的直接剪切破坏测试，详细分析了在层理弱面影响下页岩的剪切应力–剪切位移、抗剪强度、剪切模量和破坏模式的各向异性特征。结果表明：页岩的剪切破坏表现为典型的非线性渐进破坏特征；页岩平均抗剪强度和剪切模量随层理倾角的增加均呈现“M”型变化趋势；在90°～180°的层理倾角区间，平均抗剪强度的极值差明显大于0°～90°区间，而剪切模量近似关于90°呈对称变化；当层理倾角从0°变化到180°时，页岩剪切各向异性行为呈现非对称演化规律。在层理倾角和直接剪切荷载作用下，页岩的破坏模式有3类：层理倾角为0°时，沿层理面剪切滑移破坏；层理倾角为30°、60°和90°时，表现为穿透层理和基质的剪切滑移破坏；其他倾角下呈现穿透层理和基质的剪切滑移与沿层理的拉伸劈裂相结合的复合破坏。基于试验结果和组构张量，构建了一个可考虑页岩本征各向异性和剪应力诱导各向异性影响的直接剪切破坏准则，其理论预测值与试验结果的平均偏差率低于3%，能够定量表征黏聚力和摩擦系数的各向异性程度，合理评估页岩直接剪切强度对外加法向应力的敏感性，可推广应用于理论表征所有层状岩土材料的直接剪切强度。

关键词

各向异性 / 直接剪切 / 抗剪强度 / 非对称破坏模式 / 剪切破坏准则