水力耦合作用下岩体3维裂隙的起裂扩展模式研究

岩体裂隙在高地应力、强渗透压作用下极易发生扩展、贯通,导致岩体破裂失稳。为研究水力耦合作用下3维裂隙的起裂扩展模式,采用3维断裂分析软件FRANC3D建立水力耦合数值模型,进行数值模拟研究,并开展相应的含裂隙透明树脂类岩石材料室内破裂试验。通过对比模拟与试验结果,分析了不同断裂准则的适用性,验证了数值模型的可靠性。基于数值模拟调查了不同加载条件下裂隙前缘断裂参数的分布特征,获得了水压、侧压等关键因素对裂隙起裂角及扩展长度的影响规律。结果表明:采用优化的能量释放率准则模拟的3维裂隙空间起裂扩展模式与试验现象具有良好的一致性;裂隙长轴端点处的翼裂纹为Ⅰ-Ⅱ(张拉-滑移)型复合裂纹,短轴端点处的平面扩展为Ⅰ-Ⅲ(张拉-撕裂)型复合裂纹,除长、短轴端点外的其余位置发生Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合断裂;水压的存在显著改变了裂隙前缘的应力分布状态,水压增大可提高拉应力水平,明显促进张拉断裂的发生,使裂隙倾向于沿原裂隙面方向起裂,并导致裂隙前缘各处扩展速率趋于均衡;侧向压应力增大可显著促进张拉断裂,抑制滑移与撕裂断裂,并使裂隙前缘能量释放率呈降低趋势,从而抑制裂隙扩展,而侧向拉应力起相反作用,由此认为岩体在双向受压状态比拉压受力状态更为安全;侧向压应力与水压共同导致翼裂纹偏转角度明显减小,改变了3维裂隙的空间起裂扩展模式及岩体的宏观破裂形态。

裂隙岩体内3维裂隙体的分形描述

针对裂隙岩体研究过程中的裂隙定量化描述及其与强度参数间的对应关系等问题,通过对完整煤岩进行预加载而获取含裂隙的裂隙岩体试件。基于此,对其试件进行CT扫描探测并重构裂隙岩体模型,以获取表征其分布特征的点云数据,然后利用分形理论,采用立方体覆盖法对岩体内3维裂隙体进行定量化描述,并对CT扫描后的裂隙岩体试件进行单轴抗压试验,进而分析其定量描述指标与强度参数间的关系。结果表明:通过CT扫描获取的3维裂隙体点云数据能够很好地表征其空间分布特征;岩体内3维裂隙体具有自相似性,是一种自然分形,其分形维数能够作为其定量描述指标;在统计意义上,裂隙岩体定量评价指标的分形维数与其单轴抗压强度呈对数关系,且随着裂隙复杂程度的提高,其强度参数呈降低趋势。