裂隙岩石热-水-力耦合损伤断裂与止裂研究

本项目瞄准国际岩石力学领域研究前沿，立足我国深部矿产和石油开采、地热开发、核废料地下处置、地下能源储存等工程实际，针对目前裂隙岩石热-水-力（THM）耦合分析存在的问题开展系统深入的研究。基于连续介质力学的基本原理，在非平衡态热力学、流体力学、损伤力学、断裂力学等相结合的理论框架下，建立裂隙岩石THM耦合损伤断裂与止裂理论（含动态控制方程、本构模型、断裂准则、止裂条件等），揭示THM耦合作用下裂隙岩石的变形、损伤（裂纹萌生）、裂纹扩展、断裂全过程演变规律；通过THM耦合试验和断口分析，研究多物理场参数对裂隙岩石THM耦合损伤断裂的影响规律，建立其宏-微观断裂机理及断裂韧度测试方法；补充现有的岩石断裂理论，提出THM耦合作用下裂隙岩石的强度计算、安全评估及止裂方法，不仅对岩石断裂力学发展具有重要的理论意义，而且对国民经济建设具有重要的应用价值。

本项目瞄准国际岩石力学领域研究前沿，立足我国深部矿产和石油开采、地热开发、地下能源储存、核废料地下处理等工程实际，系统深入地研究了脆性裂隙岩石热-水-力（THM）耦合断裂与止裂问题。在热力学、流体力学、损伤力学、断裂力学相结合的理论框架下，首次引入无量纲的水流总热导系数表示热-水耦合损伤，建立了脆性岩石THM耦合损伤本构模型，并利用有限元软件的二次开发平台，编制了该模型的有限元程序，计算并分析了岩石THM耦合应力场、应变场及断裂趋势，与实测结果吻合很好。通过在边界配置法中引入附加的常应力函数，成功地推导出了脆性岩石THM耦合裂尖应力强度因子计算公式，解决了传统的边界配置法难以求解裂纹面上有外力作用情形。针对传统的断裂力学观点“断裂模式（I型、II型和复合型）与加载方式（拉伸、剪切、复合型）一致”仅适用于大多数金属材料而并非适合脆性岩石问题，提出了断裂模式取决于裂尖最大应力强度因子比而非加载方式的观点，建立了新型的脆性岩石THM耦合断裂准则-应力强度因子比准则，预测了脆性岩石THM耦合断裂模式，与实测结果吻合很好。通过自行设计的THM耦合试验系统，研究了多种因素对脆性岩石THM耦合断裂特性的影响规律，即随着温度和水压的增大、围压的减小、裂纹长度的增加和裂纹角度的减小，断裂模式由剪切断裂逐步转化为复合型断裂、拉伸断裂；岩性不同，发生断裂模式转化的THM耦合场临界值不同，。并通过断口金相分析揭示出岩石THM耦合断裂机理。利用导电胶涂层作为电测介质，自主设计了一种新型的裂纹扩展速度测试方法-导电胶电测法，解决了现有的测试方法（光学法、电学法、声学法、柔度法等）难以实现THM耦合加载下岩石裂纹扩展速度的连续监测问题，成功地测得了岩石THM耦合裂纹扩展速度，并根据能量法推导了岩石THM耦合裂纹扩展的起裂速度计算公式，计算值与实测值吻合较好。通过自行设计的THM耦合断裂实验和导电胶电测法，连续测定了两种不同的止裂试件（钝裂纹试件、含对称孔的裂纹试件）THM耦合裂纹扩展过程参数（包括起裂时间、起裂速度、稳定和失稳扩展速率、扩展时长等），分析了不同孔径和方位对岩石THM耦合裂纹扩展止裂效应的影响规律。研究结果将补充和完善现有的岩石断裂力学理论，为深部THM耦合环境下裂隙岩体的强度计算、安全评估及止裂控制提供重要依据，具有重要的理论意义和应用价值。