岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 1557-1570.doi: 10.16285/j.rsm.2021.1608

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

单轴压缩下富有机质油页岩变形场与能量 演化特征研究

王鲁男1, 2，陶传奇1, 2，尹晓萌3，韩杰1, 2，杨磊1，张甘平1   

  1. 1. 辽宁石油化工大学 土木工程学院，辽宁 抚顺 113001；2. 辽宁石油化工大学 辽宁省石油化工特种建筑材料重点实验室，辽宁 抚顺 113001；3. 武昌理工学院 智能建造学院，湖北 武汉 430223
  • 收稿日期:2021-09-21 修回日期:2022-03-04 出版日期:2022-06-21 发布日期:2022-06-30
  • 作者简介:王鲁男，男，1988年生，博士，讲师，主要从事寒区岩土体稳定性评价与利用等方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金（No.41807240）；辽宁省博士科研启动基金（No.2019-BS-160）；辽宁省教育厅科学技术研究项目（No.LJKZ0404）。

Evolution of deformation field and energy of organic-rich oil shale under uniaxial compression

WANG Lu-nan1, 2, TAO Chuan-qi1, 2, YIN Xiao-meng3, HAN Jie1, 2, YANG Lei1, ZHANG Gan-ping1   

  1. 1. School of Civil Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun, Liaoning 113001, China; 2. Liaoning Key Laboratory of Petro-chemical Special Building Materials, Liaoning Petrochemical University, Fushun, Liaoning 113001, China; 3. College of Intelligent Construction, Wuchang University of Technology, Wuhan, Hubei 430223, China
  • Received:2021-09-21 Revised:2022-03-04 Online:2022-06-21 Published:2022-06-30
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(41807240), the Research Fund for the Doctoral Program of Liaoning Province (2019-BS-160) and the Science and Technology Research of Education Department of Liaoning Province(LJKZ0404).

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摘要： 油页岩矿层中有机质的不均匀分布导致岩石的力学响应与破坏机制有所差异。为此，综合运用单轴压缩试验、数字图像相关方法及红外热成像技术，研究不同有机质丰度下油页岩加载全程的变形场、温度场及能量演化特征，揭示有机质丰度对油页岩力学特性与变形破坏机制的影响。研究表明：随着有机质丰度增高，油页岩的应力−应变特征总体呈现衰减趋势，延展性显著提升；破坏模式从劈裂型张拉向张拉−剪切复合型发展，这归因于有机质丰度改变了层理弱面对宏观裂纹发育的控制程度。变形场和温度场在加载作用下具有明显的局部化特征，表面变形量、红外温度均随有机质丰度增高而增大，两场分异程度也随之增强。此外，有机质丰度也影响着油页岩的能量转化及分配规律，随着有机质丰度增高，油页岩的吸能、储能及释能性质减弱，而耗能性质增强，整体能量状态降低。这是不同有机质丰度的油页岩力学特性与变形破坏规律存在差异的本质诱因。

关键词: 油页岩, 有机质丰度, 变形场, 温度场, 能量特征

Abstract: The uneven distribution of organic matter in oil shale strata results in different mechanical response and failure mechanism. Uniaxial compression test, digital image correlation and infrared thermal imaging were used to study the deformation field, temperature field and energy evolution characteristics of oil shale during the whole loading process under different organic matter abundances, and to reveal the influence of organic matter abundance on mechanical properties and deformation and failure mechanism of oil shale. The results show that the stress-strain characteristics of oil shale present gradual attenuation as the organic matter abundance increases, while the ductility has improved significantly. The failure mode changes from splitting tensile failure to tension-shear compound failure, which is attributed to the fact that organic matter abundance affects the control degree of bedding planes on the macroscopic crack evolution. Moreover, the deformation field and temperature field exhibit obvious localized features during loading. With the increase of organic matter abundance, the surface deformation and infrared temperature increase, and the degree of differentiation of the two fields also intensifies. In addition, organic matter abundance also affects the energy transformation and distribution of oil shale. With the increase of organic matter abundance, the energy absorption, storage and release properties weaken, while the dissipation property enhances, causing a lower overall energy state. This is the essential reason for the differences in mechanical properties and deformation and failure laws of oil shale with different organic matter abundances.

Key words: oil shale, organic matter abundance, deformation field, temperature field, energy characteristics

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