岩石三维表面裂纹扩展贯通机制的物理试验与数值模拟研究

The propagation and coalescence of rock surface crack will be investigated by using experimental study, numerical simulation and theoretical analysis. Firstly, the numerical model based on a mesoscopic damage model and the statistical theory will be established; the propagation and coalescence of the surface crack will be simulated by using large scale computing method on a high performance computer. Then, experimental investigation will be carried out to study the fracture induced by the surface cracks under uniaxial compression and confined compression. The fracturing process images will be captured by the CT equipment. The image with high resolution and clear crack propagation track will be obtained by the digital image processing method. The three-dimensional crack propagation and coalescence patterns will be built up by using 3D image reconstruction approach. Finally, the initiation and propagation of wing cracks, anti-wing cracks and the shell-like cracks in the rock specimens will be analyzed based on the combined investigation of experimental study and numerical simulation. The influence of the heterogeneity and the loading style on the fracture of surface crack will be discussed, and the interaction between the multiple cracks and the coalescence modes of them will be established. Moreover, the mechanical behavior of the rock mass specimens containing intermittent surface cracks, such as scale effect and anisotropic behavior, will be numerically studied. The results of this research will be helpful for the stability analysis of the rock masses with intermittent joints in slope engineering and tunnel engineering.

本项目拟采用物理实验、并行模拟与理论分析相结合的方法，研究岩石三维表面裂纹扩展与贯通机制。首先，根据岩石表面裂纹的三维受力特点，建立描述复杂裂纹扩展的细观统计损伤理论模型，实现大规模科学计算方法对三维表面裂隙扩展机制的精细模拟；然后展开物理试验研究，通过CT试验对预制表面裂隙的岩石试样破坏演化过程进行识别，对二维CT结果进行数字图像处理，利用三维重建方法获取岩石三维裂纹的扩展图像，克服三维岩石裂纹扩展观测和研究的困难；最后，采用三维数值模拟、物理试验与CT试验结合的方法，研究三维翼型裂纹、反翼型裂纹以及内部壳体裂纹的扩展机制，特别针对岩石的非均匀性和侧压对翼型裂纹与反翼型裂纹的影响、反平面加载（III型加载）等下的表面裂纹扩展规律展开研究，建立多条裂纹相互作用与贯通模式，进一步探讨含三维断续节理岩体各向异性、尺度效应和侧压效应等力学行为特征，为边坡工程、地下工程中断续节理围岩稳定提供支持。

本项目采用物理实验、数值模拟相结合的方法，研究了岩石三维表面裂纹扩展与贯通机制。主要研究内容包括以下几个方面：（1）根据岩石表面裂纹的三维受力特点，建立了描述复杂裂纹扩展的细观统计损伤理论模型，采用大规模科学计算方法对三维表面裂隙扩展机制的精细模拟。（2）研究了三维翼型裂纹、反翼型裂纹以及内部壳体裂纹的扩展机制，特别针对岩石的非均匀性和侧压对翼型裂纹与反翼型裂纹的影响、反平面加载下的表面裂纹扩展规律展开研究。通过建立多条裂纹相互作用与贯通模式，揭示了表面裂纹与主应力方向的角度对裂纹扩展模式的影响。两条表面裂纹相互贯通可以总结为三种模式。（3）结合物理试验研究，对预制表面裂隙的岩石试样破坏演化过程进行观测与识别，采用数字图像处理技术对岩石CT图像二维识别，利用三维重建方法获取岩石内部真实三维裂纹的扩展图像。提出了分割阈值自动识别相结合的CT图像分割算法，并将三维网格化方法建立的材料结构模型与三维岩石破裂过程分析系统结合，建立了基于CT扫描技术的岩石三维模拟方法。（4）研究了不同厚度的巴西圆盘试验中的三维裂纹扩展机制，分别采用数值模拟方法与物理实验，研究了巴西圆盘厚度对裂纹扩展机制的影响。对不同厚径比的圆盘试样进行劈裂抗拉试验。试验结果表明，随着试样厚径比的减小，抗拉强度逐渐增大。在巴西圆盘两端面的中心首先出现了表面裂纹，这是一种典型的三维裂纹，数值模拟很清楚的揭示了这一破坏现象。（5）考虑应力的三维效应，引入强度折减法，探讨不同侧压力系数和轴向应力条件下洞室围岩破坏模式。发表录用论文共计29篇，其中SCI期刊论文8篇，EI收录期刊论文16篇。获得省部级科技进步奖3次，负责人梁正召获得中国岩石力学与工程学会青年科技奖金奖，主办重大岩体工程灾害模拟、监测及预警工程前沿技术学术论坛、第二届全国岩土工程信息技术与应用学术交流会，参加各类学术会议10余人次，培养研究生6人。