现阶段,对于黑色页岩遇水后膨胀特性研究较少,尤其是从微观-宏观两个层面上。因此本文利用XRD物相分析仪器、XRF化学元素测试仪器、扫描电镜SEM等从微观层对黑色页岩进行物相、晶层间距、晶层膨胀力和微观形态分析。同时进行黑色页岩三向膨胀力试验,然后将微观膨胀应力和宏观膨胀应力联系起来,建立微观-宏观的膨胀本构模型,最后利用MATLAB软件对所建立的膨胀模型进行验证。其主要研究内容包括以下几个方面:(1)利用JADE软件对未浸泡的黑色页岩XRD衍射图谱进分析,测得其矿物含量。用MATLAB做了3号和6号试样局部放大3D图,通过分析其衍射角2θ为45.39°时,浸泡5d、10d、20d、30d时其主峰变化情况相比于初始值,3号试样增加了7.98%、19.72%、31.51%、70.92%,6号试样增加了5.55%、16.07%、21.76%、61.88%。进一步分析发现随着浸泡时间的增加试样其内部矿物成分晶层间间距和晶层膨胀力均在增加,利用MATLAB软件得出随着浸泡时间的增加晶层间间距和晶层膨胀力关于时间t的拟合函数。(2)黑色页岩原样三向膨胀力试验表明,黑色页岩原样在三种不同的溶液中,膨胀力的增速及最大应力均不同;轴向F1方向上的膨胀应力相对于侧向F2、F3方向上的膨胀应力更大。结合XRD试验测得黑色页岩中相应黏土矿物的含量,得到了考虑黏土矿物含量的黑色页岩原样膨胀力拟合公式。(3)黏土矿物膨胀力颗粒层面上,从微观到宏观的过程,由于岩体结构都为空间连续体,所以将微观膨胀到宏观膨胀力的产生定义为三个阶段,并做出了微观到宏观膨胀力产生机理图。在晶层间双电层斥力层面上,根据前人的研究基础,做出了晶层间双电层斥力膨胀原理图。(4)结合黏土矿物微观膨胀力、晶层间距增长时间函数,再结合黑色页岩原样三向膨胀力试验进行分析,推导出黑色页岩的膨胀本构模型,并用MATLAB软件进行了验证。