水力耦合作用下三維裂隙岩體破裂的時空演化機理研究

《水力耦合作用下三維裂隙岩體破裂的時空演化機理研究》是依託山東大學，由楊磊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水力耦合作用下三維裂隙岩體破裂的時空演化機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊磊
• 依託單位：山東大學

中文摘要

水力耦合作用下裂隙岩體的破裂演化是導致深部地下結構失穩及工程事故發生的重要原因，同時也是油氣資源開發中進行水壓致裂增產所必須關注的核心問題。本項目擬綜合採用室內試驗、理論分析和數值模擬方法，系統研究水力耦合作用下三維裂隙岩體破裂的時空演化機理。通過開展水力耦合室內試驗，調查三維裂隙的起裂條件、擴展和貫通模式及裂隙間相互作用機制，分析裂隙幾何分布特徵及載入條件對裂隙空間擴展貫通的影響，闡明裂隙岩體破裂的空間演化機理；通過調查裂隙擴展貫通及岩體巨觀破裂行為與載入時間的相關性規律，闡明裂隙岩體破裂的時效特徵。在大量試驗數據的基礎上開展理論研究，分析水力耦合作用下裂隙岩體的受力變形行為，提出岩體三維裂隙的起裂判據以及岩體強度演化準則，構建水力耦合作用下三維裂隙岩體破裂演化過程的力學分析模型並實現離散元程式化。上述研究成果可為地下工程穩定性評價、事故防治以及資源高效開發提供科學依據和技術支撐。

結題摘要

水力耦合作用下裂隙岩體的破裂演化是導致地下結構失穩及工程事故發生的重要原因，也是深部資源開發中進行水壓致裂增產所必須關注的核心問題。本項目綜合採用室內試驗、理論分析和數值模擬等方法，系統研究了水力耦合作用下三維裂隙岩體破裂的時空演化機理。 在裂隙岩體破裂的空間演化方面，調查了三維裂隙的起裂條件、擴展和貫通模式及裂隙間相互作用機制，分析了水力載入條件及裂隙幾何分布特徵的影響。結果表明：水壓能夠有效驅動裂隙起裂並傾向原裂紋面擴展，增強張拉破裂模式，增大岩體失穩破裂風險；雙向受壓狀態下的裂隙岩體較單軸載入時更為安全，而拉壓共同載入時則更易破裂；隨裂隙傾角在一定範圍內增大，翼裂紋臨界擴展長度減小，而試件破裂模式經歷了張拉為主—拉剪複合—剪下為主的轉變過程；裂隙間距減小使雙裂隙外側端部應力集中增強，導致翼裂紋更易萌生，並改變岩橋貫通特徵和岩體破壞模式。 在裂隙岩體破裂的時效特徵方面，調查了水力耦合條件下裂隙擴展貫通及岩體破裂行為與載入時間和載入模式的相關性規律。研究表明：在軸壓恆定狀態下，水壓增大顯著提升了裂隙亞臨界擴展和非穩定擴展速率，使岩體破裂具有突發性；圍壓增大顯著延長了岩體加速變形至失穩破壞的時間，增加了岩體延性變形；傾角對裂隙擴展的時效性特徵具有明顯影響，45°裂隙最容易起裂並發生非穩定擴展，而含較大傾角裂隙的岩體長期穩定性較好。 在試驗數據的基礎上，分析了水力耦合作用下裂隙岩體的受力變形特徵及強度演化規律，並結合聲發射技術提出了岩體三維裂隙起裂擴展的階段性特徵及判別方法。研究表明：隨水壓升高，起裂應力、損傷應力和峰值強度持續降低，且水壓的影響存在閾值；試件破裂過程中聲發射撞擊率變化呈現明顯階段性特徵，為起裂應力和損傷應力判定提供了依據；根據破裂發展進程，岩體破裂可分為未開裂、小破裂和大破裂3個狀態，其對應的聲發射主頻變化特徵可為破裂狀態的預測預警提供參考信息。