黏土地层广泛分布于我国的陆上和近海区域。由于应力历史和沉积作用,导致黏土地层表现出超固结行为,进而造成地层应力各向异性。黏土岩盖层作为CO2地质封存过程中常见的黏土地层,为碳封存提供良好的密封环境,对于CO2封存起到关键作用。然而,裂缝的产生,会对黏土岩盖层的完整性造成损伤,诱发CO2泄漏等工程安全问题。因此厘清超固结黏土地层中的裂缝起裂与扩展规律,对于保障碳封存等黏土地层相关工程的安全与可靠性有着重要意义。对于超固结黏土中的裂缝问题研究,前人开展的试验研究没有量化应力各向异性条件下的裂缝扩展方向,水力压裂数值模拟方法也没有考虑应力各向异性的影响,因此无法准确描述黏土裂缝的扩展方向,进而可能会导致工程上与裂缝扩展相关问题的误判。其中,在碳封存工程中,由于断层错动导致断层尖端在黏土岩盖层中扩展,就是一个值得关注的问题。本文为探究超固结黏土裂缝的起裂与扩展机制,开展了一系列的不同初始状态下的重塑马来西亚高岭土的二维平板水力压裂试验;引入T应力,提出了适用于应力各向异性条件下的黏土断裂准则;从线弹性断裂力学角度出发,建立了充分反映土体初始状态参数的断裂参数拟合公式;基于内嵌不连续方法,将提出的黏土断裂准则写入有限元程序,实现应力各向异性条件下的水力压裂数值方法二次开发;在水力压裂数值方法开发的基础上,引入摩擦型裂缝模型,考虑应力各向异性影响,开展断层尖端在黏土岩盖层中的滑移扩展规律研究。得到主要结论如下:1)通过开展不同超固结比OCR的重塑马来西亚高岭土的二维平板水力压裂试验发现:应力各向异性对于水力压裂的起裂方向与起裂压力有着重要影响。当OCR从1增加到10时,侧向土压力系数K0从0.55增加到1.55,su从8 k Pa增加到42 k Pa。此时起裂角度从61o减小到14o,减小了77%。净起裂压力从13k Pa增加到58 k Pa,增加了345%;在su相同,但OCR不同时,起裂压力也不同,OCR越大,起裂压力越小。裂缝在黏土中的扩展趋向于沿着最大主应力的方向扩展,随着K0增加,土体初始最大主应力方向由竖向转为水平向,因此裂缝的起裂角度也随之趋向于水平。另一方面,土体强度su对起裂压力起主要作用,OCR越大,强度越大,所以起裂压力越大。K0反映了水平向和竖向的应力差,也会影响到起裂压力,所以在相同su时,两者的差值越大,起裂压力就越小。2)提出了基于线弹性断裂力学的修正起裂准则,引入T应力,对应力各向异性条件下黏土的起裂方向和起裂压力进行量化。其中裂缝初始扩展角的预测值与试验结果吻合较好,误差范围为-25%～+22%。然而,预测的压力值低于实测结果,最大可低估40%。这是由于该方法是基于线弹性断裂力学,仅考虑了裂缝尖端的小范围塑性屈服,而实际土体中的塑性耗散相对而言是更大的,因此预测值相比于实测值有一定程度的低估。3)基于线弹性断裂力学推导了两组无量纲参数,提出了能充分反映土体初始状态（不排水抗剪强度su和超固结比OCR）的断裂参数拟合公式,能够为数值模拟和工程设计提供一定参考。4)基于内嵌不连续方法,引入了考虑T应力的黏土裂缝断裂准则,实现了有限元程序二次开发,可以用来模拟应力各向异性条件下黏土裂缝的起裂与扩展。并与二维平板水力压裂试验结果进行了比对,验证了该模型的正确性。数值模拟结果表明:裂缝的初始扩展角度随着OCR的增大而逐渐减小。当OCR从1增加到10时,初始扩展角从70o减小到18o,数值计算结果与试验结果的相对误差在-1%～+28%,说明该模型能较好地进行水力压裂扩展方向的模拟。5)在水力压裂数值模拟方法开发的基础之上,引入摩擦型裂缝模型,开展应力各向异性条件下断层尖端在黏土岩盖层中的滑移扩展研究,发现侧向土压力系数K0、断层倾角α和盖层的形状（定义盖层的长度L与厚度D之比L/D来表征盖层的形状,即随着L/D增大,盖层形状从“深梁”逐渐转变为“浅梁”）这三个参数影响着T应力值和主应力场旋转,从而影响着断层启动与尖端扩展。数值模拟结果表明:（1）侧向土压力系数K0和T应力影响断层的启动滑移。K0增加,断层尖端起裂越困难,导致断层启动滑移增大。当η0＞1时,考虑T应力使得启动滑移更小;反之则使得启动滑移更大。（2）断层尖端扩展过程演化规律:K0＜1时,考虑T应力会使得断层扩展方向更加偏向于竖直;K0＞1时,则会使得断层扩展方向更加偏向于水平。断层尖端的扩展方向随着K0的增加而不断偏向于水平方向,随着L/D的增加而不断偏向竖直方向。α也会影响断层扩展方向。随着α的增加,断层附近主应力逐渐旋转至水平,使得扩展方向偏向于水平;在K0较小时,α也会影响到T应力值,进而使得扩展方向偏向于竖直。相反的影响机制最终使得扩展方向随着α增加呈现非单调变化趋势。而K0较大时,T应力使得扩展方向偏向于水平,相同的影响机制使得扩展方向最终会随着α增加而不断偏向于水平。（3）断层面压应力演化规律:L/D较大或K0越小时,断层面压力较小,导致断层面的张开位移较大。当断层面的张开位移越来越大时,可能会使得高压水气侵入断层面,使得断层以I型、II型的混合型发生扩展。而L/D较小或K0越大时,由于断层面上的压力较大,所以断层面的张开位移始终较小,所以断层始终以II型裂缝模式进行扩展。