УДК 539.42

Предложена модель деформирования и разрушения слоистых горных пород, обладающих анизотропными прочностными свойствами. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния величины и ориентации главных напряжений относительно плоскостей напластования горных пород на их прочность и геометрию разрушения. В условиях сложного истинно трехосного напряженного состояния рассмотрены два возможных механизма разрушения: по плоскостям напластования, являющимся плоскостями ослабления, и по плоскостям, на которых достигается критическое значение комбинации напряжений типа Кулона-Мора с коэффициентом сцепления и углом внутреннего трения, характеризующими породу в целом. Для описания перехода деформирования горных пород в неупругое состояние были использованы критерий, учитывающий возможность реализации двух указанных механизмов, и полуэмпирический критерий, аналогичный критерию текучести Хилла для анизотропных сред, учитывающий влияние нормальных напряжений. Проведено экспериментальное изучение деформационных и прочностных свойств горных пород из продуктивных пластов двух нефтегазовых месторождений - Федоровского и Талаканского. Исследования проводились с использованием испытательной системы трехосного независимого нагружения, разработанной в Институте проблем механики РАН. Горные породы испытывались по двум группам программ нагружения, соответствующим условиям сжатия с боковым поджатием (аналогично кармановской схеме) и условиям обобщенного сдвига (при неравенстве и немонотонности всех трех главных напряжений). Получены полные кривые деформирования. Результаты исследования показали хорошее качественное соответствие экспериментальных результатов и теоретических оценок. Показана возможность на основе испытаний конкретных горных пород определять значения параметров, входящих в предложенную модель.

 

A deformation and fracture model has been put forward for stratified rocks with anisotropic strength properties. The effect of the principal stress magnitude and orientation relative to the rock bedding planes on the rock strength and fracture geometry is studied theoretically and experimentally. Two possible fracture mechanisms under true triaxial stress states are considered: along bedding planes of weakness, and along planes with a critical combination of Mohr-Coulomb stresses with the cohesion coefficient and internal friction angle typical of the whole rock. Rock transition to inelastic deformation is described using a criterion accounting for the occurrence of the two above mechanisms, and a semi-empirical criterion analogous to Hill's yield criterion for anisotropic media which accounts for the effect of normal stresses. The deformation and strength properties of rocks are studied in experiments on samples from productive strata of the Fedorovskoe and Talakanskoe oil and gas fields. The investigation was performed using an original triaxial independent loading test system. Rocks were tested in two groups of loading programs corresponding to compression with lateral confinement (similar to the Karman scheme), and to generalized shear (with all three principal stresses being unequal and nonmonotonic). Full stress-strain curves were obtained. The experimental and theoretical results are in good qualitative agreement. The possibility to determine the model parameter values is shown in tests on particular rocks.

 

В.И. Карев, Д.М. Климов, Ю.Ф. Коваленко, К.Б. Устинов  Модель разрушения анизотропных горных пород при сложном нагружении // Физ. мезомех. - 2016. - Т. 19. - № 6. - С. 34-40