围压和T应力对岩石压剪断裂机理与断裂准则影响的理论和实验研究

Failure of rock is quite commonly induced by compressive and shear coupling loading. Study on compressive-shear fracture has important theoretical and practical application values. Up to now, it is lack of understanding about the mechanism and criterion of compressive-shear fracture. In order to investigate the influence of confining pressure and T-stress on fracture mechanism and criterion of rock subjeted to compressive-shear loading, the theoretical derivation of stress intensity factors which takes into account the frictional effect on crack surfaces will be carried out based on the explicit expressions of stress intensity factors for a centrally cracked Brazilian disk subjected to a pair of forces or pressure. Then, a large number of compressive-shear fracture experiments will be completed, and analysis of comparing mode II fracture toughness under compressive-shear loading condition with pure mode II fracture toughness will be carried out, to seek out a set of convenient and reliable testing method of mode II fracture toughness. At the same time, the mechanism of compressive-shear fracture will be investigated by using three kinds of methods such as monitoring while testing, fracture scanning and numerical modeling, and the experimental study of effect of loading rate on the fracture toughness under compressive-shear loading condition will be conducted. Finally, based on mathematical analysis of testing data, a new fracture criterion under compressive-shear loading condition will be proposed, which takes into account the effect of T-stress and confining pressure. Hence, a full set of new research method on investigating compressive-shear fracture property will be obtained.

地下岩石处于三向受压状态，压剪断裂是地下岩石最常见的破坏方式，压剪断裂研究具有重要的理论和工程实用价值。目前国内外对岩石压剪断裂机理和断裂准则认识不足，为了研究围压和T应力对岩石压剪断裂机理和断裂准则的影响，本项目以中心裂纹巴西圆盘试件在集中力和分布力作用下应力强度因子的解析解为基础，开展压剪条件下，计及裂纹面摩擦效应时应力强度因子的理论推导；在此基础上，开展压剪条件下岩石断裂韧度实验研究，并对压剪条件下得到的II型断裂韧度与纯II型断裂韧度进行对比分析，力求找到一套方便、可靠的材料II型断裂韧度测试方法；同时利用实验观察、断口扫描与数值模拟相结合的方法研究压剪条件下岩石的断裂机理，并开展加载速率对岩石压剪断裂力学性能影响的实验研究；最后，通过对T应力的计算分析和对实验数据的数理分析，得到压剪条件下计及T应力和围压等不同因素影响时的岩石断裂准则。从而形成一整套压剪断裂力学性能研究的新方法。

为了研究围压和T应力对岩石压剪断裂力学性能的影响规律，本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，首先对不同加载条件下中心裂纹圆盘试件和边裂纹巴西圆盘试件的应力强度因子和T应力进行了数理分析，得到他们在不同加载条件下的解析表达式，可以解决中心裂纹圆盘试件和边裂纹圆盘试件在均布力和非均布力作用下，应力强度因子、T应力、应力场和位移场的精确计算问题。然后，进行了大量的数值模拟分析和实验研究，得到了围压和T应力对裂纹扩展轨迹和断裂韧度的影响规律。计算结果表明，高围压环境对砂岩试件裂纹闭合的促进作用并不显著，裂纹起裂和扩展仍主要表现为拉剪复合型断裂特性；对于闭合裂纹，较高的裂纹面摩擦和围压均有助于裂纹类型的转变。实验结果表明，II型断裂韧度与抗剪强度呈现出良好的线性相关性，通过将直剪实验的II型断裂韧度与正应力做拟合，发现在纯剪切载荷下，直剪试件和中心裂纹圆盘试件测得的II型断裂韧度是相符的，从而证明了中心裂纹巴西圆盘试件II型断裂韧度实验的有效性。此外，在对无围压的双边裂纹巴西圆盘试件的实验基础上，我们发现，双边裂纹巴西圆盘试件也可以实现II型断裂。实验结果还表明：温度和化学溶液耦合作用后，砂岩的抗拉强度、I-II复合型断裂韧度、I-III复合型断裂韧度较纯天然试件均发生了较大程度的降低；同种温度下，酸性化学溶液对砂岩的抗拉强度、I-II复合型断裂韧度、I-III复合型断裂韧度的劣化程度均明显大于碱性化学溶液和中性水溶液，且中性溶液的劣化程度最低。最后，本项目在理论分析、实验研究的基础上，综合考虑裂纹尖端应力强度因子和T应力的共同作用，提出了广义最大周向应变（GMTSN）准则，可以解决压剪复合型加载条件下，裂纹的起裂和扩展方向问题。本项目相关成果极大地促进了巴西圆盘测试技术的推广和应用，对深地科学与工程，和水力压裂裂缝扩展轨迹控制，具有重要的参考价值。