岩体裂隙扩展破坏及水压致裂机理的实验与数值模拟研究和应用

This project study the mechanism of fracture development and damage process for rock mass with group joins, meanwhile the hydraulic fracture process are also researched using model experiment, new numerical simulation and engineering investigation. The rock-like material specimen with high brittleness and transparency and precast cracks is used to investigate the fracture development, coalescence and rock mass damage process under 2D or 3D stress states. The 3D physical model test would be conducted, and failure criterion for rockmass with joins under different stress conditions are studied. Based on the method of physical experiment and numerical analysis combined with fracture mechanics, fluid mechanics theory and three-dimensional discontinuous analysis method, crack propagation criterion based on macro physical parameter of fractured rock are found. The establishment of the discontinuous analysis method for 2D and 3D numerical simulation about block theory, implementation of numerical simulation for crack propagation and the adjacent crack coalescence process of fractured rock mass with high ground stress and fissure water coupled. Through the actual project example, further validation and refinement of fractured rock mass fissure rupture, connectivity and rock fracture mechanism. The knowledge makes it possible to provide theoretical analysis for shale hydraulic fracture development model.

本项目拟采用模型试验和新的数值分析法以及现场调查验证法相结合的技术路线，采用内置多裂隙预置技术制成三维多裂隙类岩石试件，利用先进测试技术开展二维和三维应力状态下的模型块体试验，研究裂隙的扩展贯通规律、岩体的破裂机理和强度特性，建立不同应力条件下的强度表达方法。建立裂隙岩体在裂隙水压作用下扩展、贯通和破坏判断准则和数值分析模型，建立裂隙岩体在裂隙水压下的岩体结构应力场耦合问题的二维和三维数值模拟方法，实现岩体裂隙扩展破坏三维数值模拟过程。对典型分布的节理岩体或页岩等，利用开发出新功能的三维分析软件，配合模型试验，研究裂隙岩体水压致裂机理并将数值分析结果用于典型工程的应用分析和做现场观测规律对比研究，以证实本成果应用的有效性。

近些年以及今后数十年我国能源资源开发以及交通建设有很大的发展，特别是西部大开发的生产建设过程涉及到大量的岩石工程，包括：地下硐室或隧道围岩稳定，页岩油气和干热岩新能源开发等。针对岩体裂隙在水压作用下裂隙扩展破坏模式进行深入研究。研究内容主要包括：.1.透明类岩石材料含水压裂隙试件的制备和室内实验。新研制透明类岩石材料试件，采用新的内部预制裂隙和水压通道的制作方法，制成类岩石透明含多条三维裂隙的试件；对原压缩试验机进行改造升级，新研制加载校正传感等机构，可以进行三轴压缩实验。进行不同水压力下含裂隙水压透明类岩石材料单轴-双轴压缩实验，解释和验证了岩石断裂力学中裂隙起裂和扩展的核心问题，直观再现了岩石内部裂隙起裂和扩展破坏全过程，并建立了断裂力学分析模型。研究成果在国内处于领先地位，6项专利和4篇论文发表。.2.真实岩石材料含预制裂隙试样真三轴压缩实验研究。真实岩石材料红砂岩制成试样，采用新特殊加工技术在试件内部预制裂隙，裂隙倾角0-90度。获得完整试件和裂隙试样三向不同应力状态下完整全应力应变关系数据；同时进行裂隙岩体试样真三轴压缩状态强度特征和破坏模型研究，给出了不同裂隙倾角对岩石试样强度的定量关系，揭示了完整试件和含预制裂隙试件三轴压缩破坏模式为多裂隙劈裂和剪切破坏混合模型。.3.含水裂隙受岩体裂隙起裂扩展和理论研究和数值模拟。基于断裂力学方法进行渗透水压下预制裂纹起裂特性理论分析，给出了在平面裂隙在不同应力环境和内部水压力下内部裂隙起裂和扩展破坏的判据准则；利用流固耦合数值模拟方法研究含预制裂隙水压力岩石材料裂隙起裂扩展（二维/三维）全过程，揭示了单、双裂隙和多裂隙岩体在三维应力状态下起裂和扩展以及相互影响规律。. 室内试验结论和理论研究成果应用到具体工程实践中，对我国沿海地下油库渗流，城市地下隧道工程渗水，页岩油气水压致裂，干热岩开发等工程进行探讨，相关研究结论成果对工程实际建设和维护有指导意义。