岩石亚临界裂纹扩展的时间相关性研究

Natural rock contains microcracks (micro defects). Under load, these microcracks propagate and coalescence, and finally form macroscopic fractures. The formed macroscopic fractures influence the mechanical properties of the rock, and determine the engineering lifetime of rock (failure time). Based on linear elastic fracture mechanics, and with the support of rock mechanical tests, a numerical cellular automaton is established to simulate the initiation, propagation and coalescence of the microcracks as observed in situ. Different microcrack propagation scheme is designed in the numerical model. Charles theory is incorporated in the numerical model, where the relation between crack propagation velocity and stress intensity factor is programmed. With the calculation stepping including real time parameter, the model can predict lifetime of rock under load. This research not only has great prospect in engineering structures where rock is the main building material, but also provided a new research idea in the field of time dependent crack propagation in rock and lifetime prediction of rock materials.

自然岩石材料普遍存在微裂纹（缺陷），在受力条件下，这些微裂纹不断萌生、扩展，直至连接、贯通，成为宏观裂纹，从而影响了岩石的力学性质，导致岩石材料的破坏，因此可以认为裂纹的扩展过程决定了岩石的工程寿命（破坏时间）。本项目以岩石力学试验为支撑，利用线弹性断裂力学理论、结合亚临界裂纹扩展理论建立元胞自动机数值模型，以模拟实际观测到的岩石内微裂纹的萌生、扩展和连接过程。其中，设计了不同的微裂纹扩展方式，并利用Charles理论在模型中编制了裂纹扩展速度与应力强度因子关系的算法，且在数值模拟中实现裂纹亚临界扩展速度的实时计算，进而实现受力条件下对岩石寿命的预测。项目研究内容不仅在以岩石材料为主体的实际工程中有很大的应用前景，也为与时间相关的岩石裂纹扩展及受力岩石寿命的预测提供了一种新的研究思路。

自然岩石材料中普遍存在着微观缺陷（微裂纹），在受力条件下，岩石的破坏过程也即微裂纹的萌生、扩展、连接和贯通最终形成宏观裂纹的复杂过程。当岩石材料受到持续的外力作用，即使外力未达到岩石的极限荷载，仍发现岩石的力学性质随时间不断弱化，这与应力腐蚀密切相关，岩石中的应力腐蚀机制通常由裂纹的亚临界扩展来解释。因此，可以认为这种与时间相关的亚临界裂纹扩展过程决定了岩石的工程寿命，即破坏时间。本项目以岩石力学试验为支撑，利用线弹性断裂力学理论，结合裂纹的亚临界扩展规律，通过建立数值模型对实际观测到的岩石内微裂纹的萌生、扩展和贯通过程进行了研究。其中，确立了翼型裂纹的扩展方式，并利用Charles方程在模型中编制了裂纹的应力强度因子与裂纹的扩展速度关系的算法，在数值模拟中实现了裂纹亚临界裂纹扩展速度的实时计算。同时，在模型的每一个计算步引入真实的时间参数，结合裂纹扩展的速度，对裂纹扩展长度进行精确计算，进而实现了受力条件下岩石寿命的预测。对影响计算结果的参数，包括外力大小、初始裂纹长度、裂纹角度和裂纹的不同随机分布等因素进行了分析，得出了各个参数对预测寿命的影响规律。本项目研究内容为与时间相关的岩石中裂纹的扩展及外力作用下岩石寿命的预测提供了一种新的研究思路，同时，在以岩石作为承载体的实际工程中有较高的应用前景，例如地下巷道的稳定性分析、地下储库结构与时间相关的安全设计及以岩石材料为主体的建筑结构的使用寿命等。