非均匀性岩石亚临界裂纹扩展速度效应理论与试验研究

Rock is a variety of minerals aggregate by long geological process and has the obvious heterogeneity and anisotropy properties. Instability is a typical time dependence progressive failure process in geotechnical engineering. It is necessary to discuss speed effect of sub-critical crack growth in heterogeneity rock. Based on the test, the crack growth mechanism of heterogeneity rock will be studied under different load conditions in this program. The dynamic evolution process and evolution mechanism of rock internal defects will be revealed in the crack propagation process and the relation will be established between crack growth and macroscopic damage consequently. Subcritical crack growth laws in heterogeneity rock will be studied under different stress state by experiment. Time dependence parameters of subcritical crack growth will be obtained .Subcritical crack growth rate equation will be established. The advantage direction and initiation condition of crack propagation will be determined under different conditions. The quantitative relation will be established among subcritical crack propagation rate , activation energy, fracture morphology and failure mode.The relation will be discussed between stability of time dependence in rock and weakening in mechanical properties. The limit time of crack stable growth will be predicted. Stress,deformation and crack stable propagation of rock law will be analysed under different conditions by numerical simulation. The research results will be applied in the practical engineering and test its effectiveness.

岩石是经过漫长地质作用形成的各种矿物的天然集合体，具有明显的非均质性和各向异性特性。而岩土工程失稳表现为典型的时效渐进破坏过程，探讨非均匀性岩石亚临界裂纹扩展速度效应势在必行。本项目以试验为基础，研究非均匀性岩石在不同载荷条件下裂纹扩展的机制，揭示岩石裂纹扩展过程中内部缺陷动态演化过程及演化机理，建立岩石的裂纹扩展与宏观破坏之间的关系；试验研究非均匀性岩石不同应力状态亚临界裂纹扩展规律，获得相应的亚临界裂纹扩展时间相关参数；建立非均匀性岩石裂纹亚临界扩展速率方程，确立裂纹扩展优势方向，建立裂纹亚临界扩展速度与活化能、断口形貌及破坏模式之间的定量关系；探讨时间相关性岩土工程稳定性与其力学性能弱化之间的规律，预测裂纹稳定扩展的极限时间；数值模拟结构在不同条件下的应力和变形及非均匀性岩石裂纹稳定扩展规律；将研究成果应用于实际工程，检验其有效性。

本项目组根据申请书和计划书的研究内容及研究进度计划开展研究工作。四年来，项目执行顺利，达到了预期的研究目的，取得了新的研究成果。.其主要内容为：考虑岩石非均匀性特性时的裂纹亚临界扩展速度效应，在理论、试验、数值模拟与应用方面进行了研究。通过非均匀性岩石双扭试验，测定松弛曲线，建立了不同方向的裂纹亚临界扩展速度与裂纹扩展参数的关系，从扩展能量出发研究裂纹扩展，确定不同条件下裂纹扩展的起裂条件、门槛值及岩桥贯通方式；通过核磁共振试验，测定弛豫时间，探讨内部细观结构成像规律、孔隙度、孔隙尺寸分布规律、细观结构变化及损伤累积规律；通过岩石断裂表面微观形貌试验，建立裂纹亚临界扩展速度与形貌特征参数的关系；以试验为基础，探讨非均匀性岩石亚临界裂纹扩展的机制，分析非均匀性岩石结构的在不同载荷条件下的应力、变形及岩石裂纹稳定扩展规律，确立三个主轴方向及其弹性参数，推导非均匀性岩石初始等效柔度张量及裂纹扩展引起的附加柔度张量，探讨内部缺陷的动态损伤演化效应，建立非均匀性岩石本构模型，确立裂纹快速扩展的条件，预测裂纹稳定扩展的极限时间；结合具体边坡工程，进行稳定性分析及加固措施以检验其有效性。.研究发现：各个节理倾角下的lgKI –lgV关系都有很好的线性规律，断裂韧度KIC、松弛最大荷载Pmax、单轴抗压强度和弹性模量均随层理面倾角的增大呈“U”型变化趋势；裂纹扩展的极限时间随拉应力的增加而减小，极限时间对节理倾角的变化的灵敏度不同，拉应力越小时，临界时间受节理倾角的影响越大；分形维数能较好的表述裂纹扩展形成的断口断面；核磁共振孔隙度与浸泡时间成指数衰减函数关系，与单轴抗压强度、弹性模量成线性关系。