[论文解读] Characterization of Marcellus Shale Fracture Properties through Size Effect Tests and Computations

Weixin Li, Zhefei Jin+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Rock Mechanics and Modeling参考文献 4被引用 43

一句话总结

本研究通过不同尺寸和notch方向的三点弯曲试样进行尺寸效应试验与计算，表征了Marcellus页岩的裂缝特性。结果表明，Ba´zant的尺寸效应定律（Size Effect Law）能准确识别断裂能（29.0–44.8 N/m）、有效断裂过程区长度（0.731–2.99 mm）和断裂韧性（0.912–1.20 MPa√m），揭示了显著的各向异性和尺寸依赖性结构强度，表明在经典线弹性断裂力学（LEFM）之外，必须采用非线性断裂力学来准确表征准脆性材料的特性。

ABSTRACT

Mechanical characterization of shale-like rocks requires understanding the scaling of the measured properties to enable the extrapolation from small scale laboratory tests to field study. In this paper, the size effect of Marcellus shale was analyzed, and the fracture properties were obtained through size effect tests. A number of fracture tests were conducted on Three-Point-Bending (TPB) specimens with increasing size. Test results show that the nominal strength decreases with increasing specimen size, and can be fitted well by Bazant's Size Effect Law (SEL). It is shown that SEL accounts for the effects of both specimen size and geometry, allowing an accurate identification of the initial fracture energy of the material, Gf, and the effective Fracture Process Zone (FPZ) length, cf. The obtained fracture properties were verified by the numerical simulations of the investigated specimens using standard Finite Element technique with cohesive model. Significant anisotropy was observed in the fracture properties determined in three principal notch orientations: arrester, divider, and short-transverse. The size effect of the measured structural strength and apparent fracture toughness was discussed. Neither strength-based criterion which neglects size effect, nor classic LEFM which does not account for the finiteness of the FPZ can predict the reported size effect data, and nonlinear fracture mechanics of the quasibrittle type is instead applicable.

研究动机与目标

• 为解决实验室尺度试验中页岩断裂特性受尺寸和几何效应影响的系统表征不足问题。
• 通过尺寸效应测试量化Marcellus页岩的断裂能、断裂韧性及有效断裂过程区（FPZ）长度。
• 验证Ba´zant的尺寸效应定律（SEL）在页岩断裂力学中对准脆性材料的适用性。
• 研究三种主要notch方向（分隔器、短横向、抗阻）下的各向异性断裂行为。
• 证明经典线弹性断裂力学（LEFM）无法预测页岩断裂试验中观察到的尺寸效应，因此必须采用非线性断裂力学。

提出的方法

• 对不同尺寸和三种notch方向（分隔器、短横向、抗阻）的Marcellus页岩三点弯曲（TPB）试样进行断裂试验。
• 应用Ba´zant的尺寸效应定律（SEL）拟合峰值载荷数据，提取初始断裂能（Gf）、有效FPZ长度（cf）和断裂韧性（KIc）。
• 采用标准有限元法（FEM）结合界面单元模型数值模拟载荷-位移响应，并验证实验结果。
• 在SEL拟合中对试样几何形状和notch长度效应进行校正，以减少数据离散性，提高断裂特性识别的准确性。
• 根据cf计算脆性指数（β），其中β ∝ 1/cf，用于评估材料脆性。
• 对峰值载荷与试样尺寸进行统计回归分析，确认在双对数空间中呈线性关系，从而验证SEL的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 试样尺寸如何影响Marcellus页岩在三点弯曲试验中的名义强度和表观断裂韧性？
• RQ2 Marcellus页岩的断裂行为在不同notch方向（分隔器、短横向、抗阻）下变化程度如何，是否表现出各向异性？
• RQ3 Ba´zant的尺寸效应定律能否准确预测Marcellus页岩的尺寸依赖性断裂响应？其对应的Gf和cf值是多少？
• RQ4 为何经典LEFM和基于强度的判据无法预测页岩断裂试验中观察到的尺寸效应？
• RQ5 有效断裂过程区（FPZ）长度和脆性指数（β）在不同断裂方向和试样尺寸下如何变化？

主要发现

• Marcellus页岩的名义强度随试样尺寸增大而降低，且数据与Ba´zant的尺寸效应定律（SEL）拟合度极高，证实其在页岩中的适用性。
• 初始断裂能（Gf）范围为29.0至44.8 N/m，其中短横向方向值最高，抗阻构型最低。
• 有效FPZ长度（cf）在0.731 mm（抗阻）至2.99 mm（分隔器）之间变化，表明分隔器方向表现出最强的塑性特征。
• 断裂韧性（KIc）范围为0.912至1.20 MPa√m，分隔器方向值最高，抗阻和短横向构型值较低。
• 采用FEM结合界面单元模型的数值模拟，在使用SEL提取的Gf值下，成功复现了实验峰值载荷，验证了该方法的准确性。
• 抗阻试样在峰值载荷后出现急剧的载荷下降，表明其具有脆性特征；而分隔器和短横向试样表现出峰后软化行为，证实其具有更高的延性。