考虑裂隙尖端非奇异应力的岩体压剪断裂准则研究

20250116

建筑业

目前该成果在技术上已成熟，主要是理论思想，较少涉及工艺和性能指标问题，科技成果目前还未转化。

需要拟合作方提供一定的资金、场地、设备和人员等，具体规模可由实际工程情况进行确定。

可国（境）内外转让

预期有望取得较好的经济社会效应，如在水力压裂中，可以为参数的优化等提供理论支撑，进而节约成本。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

实际工程岩体多承受压剪作用，因此压剪破坏是裂隙岩体一种常见破坏模式，研究裂隙岩体在压剪作用下的力学行为对岩体工程稳定性分析具有重要理论意义和实际应用价值。在力学分析中，正确描述裂隙岩体应力场的分布是开展裂隙岩体断裂机理研究的基础，它控制着裂隙的起裂、扩展直至贯通。为此岩体断裂力学借鉴了经典断裂力学的研究方法，并考虑了岩体材料及其受力特性，建立了裂隙岩体断裂分析的理论基础。但经典断裂力学是以拉剪作用下的裂隙为研究对象，而实际岩体往往处于压剪作用下，此时裂隙面受压闭合，由自由面转变为非自由面，裂隙面应力边界条件发生改变，故而经典断裂力学难以准确描述压剪载荷下裂隙岩体的力学行为。 因此本研究在综合前人理论研究和实验研究的基础上，首先建立了考虑裂隙面受力特征的压剪弹性断裂理论，并从数学上保证了受压闭合裂隙尖端附近应力场始终不存在I型奇异性；然后在压剪弹性断裂理论的基础上，针对裂隙岩体材料特性，引入裂隙3类参数（几何参数、强度参数和变形参数）和岩石力学参数，推导了压剪作用下闭合裂隙岩体全场K-M应力函数；之后引入最大周向应力（MTS）准则和最大剪应力（MSS）准则来分别描述裂隙岩体的拉伸破坏和剪切破坏，建立了裂隙岩体的压剪复合断裂准则；最后在单裂隙模型的基础上，采用叠加原理和Fredholm第二类积分方程对压剪作用下多裂隙问题进行求解，并给出了平行裂隙问题的基本方程。并将研究成果初步应用于隧道的水力劈裂及页岩气等资源开采中的水力压裂等实际工程中。 主要研究内容及成果如下： （1）采用复势理论推导了考虑裂隙面受力特征的压剪弹性断裂理论，在此基础上引入裂隙3类参数和岩石力学参数，建立单裂隙尖端应力强度因子K和3个T-应力分量计算方法，并给出了Txy应力分量的物理含义。 （2）基于考虑岩石材料I型断裂韧度和II型断裂韧度的裂隙岩体压剪复合断裂准则，对裂隙尖端破坏类型的影响因素进行了详细分析，之后对翼裂纹起裂角和扩展路径进行了理论预测，预测结果与实验结果吻合良好。 （3）研究了压剪作用下平行共线双裂隙和平行不共线双裂隙岩体问题，并研究裂隙间相互作用对裂隙尖端应力强度因子K、3个T-应力分量和裂隙面扰动应力的分布形式的影响，进而对平行裂隙岩体压剪断裂机理进行了分析。 （4）开展了研究成果的初步应用，即将研究成果初步应用于隧道的水力劈裂及页岩气等资源开采中的水力压裂等实际工程中，为工程设计方案优化提供参考。 关键技术指标主要包括： （1）提出能够同时考虑裂隙几何、强度及变形参数的压剪裂隙尖端应力强度因子及T应力的计算方法； （2）提出能够同时考虑裂隙几何、强度及变形参数和T应力的平行裂隙压剪断裂准则。 应用前景：本研究成果可应用于与岩体裂隙压剪起裂相关的所有岩体工程，如断续裂隙岩质斜坡及地下工程的失稳、能源及资源开采中的水力压裂等等。