1 绪论
1.1 研究背景和研究意义
随着传统油气资源的逐步耗尽，页岩气作为一种分布广泛、开采潜力大的非常规能源，成为了现有技术经济条件下天然气工业化勘探的重要目标。我国页岩气储量巨大，国家颁布和制定了一系列政策和措施如《页岩气发展规划(2016-2020 年)》等，支持页岩气开采，加强页岩气资源的开发和研究。这一政策使页岩气开采的相关科学研究成为热点。
页岩气层埋深一般处于地下几百米至几千米之间，例如我国四川盆地页岩气比较有利的储层是下志留系龙马溪组，埋深在地下 2188~4131m。根据世界部分地区地应力统计结果[1]如图 1-1 所示，深度达到几千米的页岩气层中周围岩石对页岩的围压可以达到几十兆帕，围压环境使页岩的力学性质与浅层页岩的性质有较大差异。因此需要研究围压对页岩的力学影响，揭示在围压状态下页岩动态冲击后的破坏模式及受力情况。
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1.2 国内外现状研究
1.2.1 页岩的动态压缩力学性能现状研究
岩体不仅仅受到地应力的作用，同时工程中产生的动荷载也对岩体有影响[2-3]。在页岩气开采过程中主要涉及到爆破、水压裂等动态荷载对页岩的扰动问题，与蠕变、构造运动等静态条件下受力情况明显不同，开展页岩在动态荷载作用下的力学性能研究工作十分重要，同时也可为页岩气开采时提供一定的数据支持，从而保障页岩气开采工程中的安全问题。
随着页岩气开采工程的日益增加，国内外学者对页岩材料进行了许多研究。其中在动态力学方面，主要对页岩的层理、破坏模式、抗压强度、裂纹扩展等进行研究。孙清佩[4]通过开展不同应变率下的页岩 SHPB 动态冲击试验，发现层理方向不同，页岩的破坏模式存在差异，分为劈裂拉伸破坏、剪切破坏和混合破坏等。随着应变率的不断增大，页岩的动态抗压强度也增加，但层理效应减弱，强度各向异性也减弱。同时，在能量方面页岩试样所消耗的能量随着层理倾角的增加表现出先减小后增大的规律。
Chong[5]通过对新奥尔巴尼油页岩进行压缩试验，分析了应变率对页岩破坏的影响，得到应变率较低时，页岩碎片尺寸较大且裂纹会进一步扩展，随着应变率增大，页岩碎片尺寸变小且裂纹呈局部化。
Jung-Woo[6]等针对层理角度为 0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90° 页岩在动态荷载下的变形和强度各向异性特点，开展了一系列的单轴压缩和巴西劈裂试验。试验结果表明：在动态加载下，页岩的变形程度和强度受层理角度影响较大。
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2 页岩物理力学参数测试
2.1 确定页岩试件尺寸
SHPB 试验最初使用于金属材质的动态性能研究，后被引用在对岩石动态力学领域研究。在利用 SHPB 试验研究非金属材质的动态性能时，为了较好地满足 SHPB 试验中一维应力波的传递条件，试样的直径选择较小，虽然所取试件直径较小，得到的试验结果更为精确，但岩石的直径过小并不能完全反映出岩石真实的力学性能。参考国际岩石力学学会 ISRM 的推荐方法和国内试验规程的建议圆柱型岩石试样直径不能低于 50mm[41-42]，再为了与静载试验结果进行分析和参照，则选择标准静载试验的标准直径 50mm 作为 SHPB 试验试件的直径。
影响试验结果准确性的一个必要条件是岩样的长径比，在确定试件的直径后，需要选择合适的试件长度。目前对试样的长径比最大值尚无一种合适的方法确定[43-45]。当长径比过大时，在试验过程中，可能试件还未完全达到应力平衡时，试件已经发生了冲击破坏。同时长径比过大也会产生较大的惯性效应，影响试验结果的真实性。按照 Davis[46]等提出的消除惯性效应的修正公式，当长径比为 0.866μ（μ为泊松比）时，
消除试件惯性效应最佳。根据页岩的泊松比在 0.2~0.4 之间，则根据公式页岩的长径比为 0.17~0.35。但长径比过小时，试件两端端面与杆端面之间的摩擦会增大试验的二维效应，不能达到 SHPB 试验中的一维应力波假定。综合分析可知，在试验过程中可以通过在杆件与试件的端面皆均匀抹上润滑油来减少摩擦，同时也可以通过实现恒应变率加载，来消除惯性效应，但需保证应力波在试件传播时间可达到整体受力平衡，
宫凤强[47]提出较为合适的长径比为 0.5~1。
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2.2 页岩取样和加工
本次试验岩石试样选取四川宜宾长宁县的黑色页岩，考虑不同角度岩石力学性能不同，所采取岩样采集角度为 0 度，保证试件统一性，也方便后续试验结果对比处理。使用空气钻取法，保证所取试样的含水率与实际工程含水率一致，提高试验结果对实际工程理论依据的可靠性。其中，试件为圆柱形，大小为Ф50mm×25mm；并且按照规范《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-2013）中的规定，试件两端面间的平整度误差小于 0.05mm，且与试件轴线垂直，最大偏差不得大于 0.25°；沿试件轴向方向，直径的误差小于 0.3mm；并用岩芯端面切磨机加工保证试样光滑平整。加工好后的页岩试样如下图 2-1。
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3 单轴 SHPB 试验研究....................................17
3.1 概述..................................17
3.2 SHPB 试验的基本假定................................17
3.3 SHPB 试验装置....................................19
4 围压状态下 SHPB 试验研究...................................30
4.1 围压装置介绍.................................30
4.2 围压状态下冲击压缩波形特征分析..............................32
4.3 破坏模式.................................35
5 SHPB 数值模拟研究.........................................43
5.1 页岩材料模型....................................43
5.1.1 材料模型选择............................43
5.1.2 K&C 模型.................................. 43
5 SHPB 数值模拟研究
5.1 页岩材料模型
5.1.1 材料模型选择
根据岩石力学性能特点可知，岩石材料的破坏过程实际上就是微裂缝萌生、扩展、贯通，直到产生宏观裂纹，导致岩石失稳破裂的过程。岩石的破坏过程与混凝土材料破坏相似，根据巫绪涛等将试验与模拟相结合，通过使用 LS-DYNA 有限元软件得到了混凝土 HJC 模型参数的确定方法。而 HJC 模型缺少考虑偏应力张量第三不变量的影响，因此 Malvar 等在保留 HJC 模型优点的同时，对模型参数的确定做了简化，引入 3 个剪切失效面：初始屈服面、极限强度面和残余强度面，提出了 K&C 模型。
在 K&C 模型中，可以考虑应变率效应、损伤效应、应变强化和软化作用。在使用该模型时，只需涉及到材料的编号和密度、无侧限抗压强度、长度单位转换因子、应力单位转换因子和应变率提高系数曲线，就可以自动生成材料模型所需的其他参数。K&C 模型相对于 HJC 模型来说，参数更容易得到，在 HJC 模型中，参数比较多，而根据实验只能得到部分参数，更多的参数需要进行计算反推得到，因此在本文中选择K&C 模型作为页岩材料模型。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文开展了不同围压及不同应变率下页岩的动态压缩试验，分析了页岩的动态抗压强度的应变率效应，分析了有无围压试验波形图的差异，对页岩破坏模式进行了分析，总结了 SHPB 试验中能量的变化；用 LS-DYNA 软件模拟了页岩的 SHPB 试验，得到了页岩的 K&C 本构模型参数，对页岩破坏过程进行分析，得到围压对页岩破坏过程的影响规律，相关工作主要结论如下：
（1）开展页岩在单轴 SHPB 试验，对试验波形图分析发现单轴动态压缩页岩的试验波形具有“双波峰”的波形特点，动态抗压强度有明显的应变率效应，页岩的破坏程度随应变率增加而增大；根据页岩的破坏情况，按试件碎块的大小和完整程度，可分为“破裂”和“破碎”两类。
（2）对页岩进行不同围压、不同冲击下压缩试验结果进行分析，波形图由常规单轴试验中的“双波峰”变为“单波峰”，在同一冲击气压下，随着围压的增大，页岩的动态抗压强度增加，破坏程度减小。
（3）DIF 随着应变率增加明显增加，DIF 也随着围压的增加也有一定增加，但应变率对 DIF 影响相对更大，DIF 表现出明显的应变率效应。
（4）随着应变率的增加，页岩的比能量吸收值越大，断裂形态越严重。入射能随着冲击气压增加而增大，而在同一围压下，岩样的能量利用率随着入射能的增加而减小；在相同入射能的条件下，能量利用率随着围压的增大而减小。
（5）通过对 SHPB 试验中页岩破坏过程的模拟，得到在单轴冲击气压下页岩的破坏以拉伸破坏为主，而围压能有效地抑制页岩内部裂纹的扩散。
参考文献（略）