岩石亞臨界裂紋擴展的時間相關性研究

《岩石亞臨界裂紋擴展的時間相關性研究》是依託中南大學，由李響擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：岩石亞臨界裂紋擴展的時間相關性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李響
• 依託單位：中南大學

項目摘要

自然岩石材料普遍存在微裂紋（缺陷），在受力條件下，這些微裂紋不斷萌生、擴展，直至連線、貫通，成為巨觀裂紋，從而影響了岩石的力學性質，導致岩石材料的破壞，因此可以認為裂紋的擴展過程決定了岩石的工程壽命（破壞時間）。本項目以岩石力學試驗為支撐，利用線彈性斷裂力學理論、結合亞臨界裂紋擴展理論建立元胞自動機數值模型，以模擬實際觀測到的岩石內微裂紋的萌生、擴展和連線過程。其中，設計了不同的微裂紋擴展方式，並利用Charles理論在模型中編制了裂紋擴展速度與應力強度因子關係的算法，且在數值模擬中實現裂紋亞臨界擴展速度的實時計算，進而實現受力條件下對岩石壽命的預測。項目研究內容不僅在以岩石材料為主體的實際工程中有很大的套用前景，也為與時間相關的岩石裂紋擴展及受力岩石壽命的預測提供了一種新的研究思路。

結題摘要

自然岩石材料中普遍存在著微觀缺陷（微裂紋），在受力條件下，岩石的破壞過程也即微裂紋的萌生、擴展、連線和貫通最終形成巨觀裂紋的複雜過程。當岩石材料受到持續的外力作用，即使外力未達到岩石的極限荷載，仍發現岩石的力學性質隨時間不斷弱化，這與應力腐蝕密切相關，岩石中的應力腐蝕機制通常由裂紋的亞臨界擴展來解釋。因此，可以認為這種與時間相關的亞臨界裂紋擴展過程決定了岩石的工程壽命，即破壞時間。本項目以岩石力學試驗為支撐，利用線彈性斷裂力學理論，結合裂紋的亞臨界擴展規律，通過建立數值模型對實際觀測到的岩石內微裂紋的萌生、擴展和貫通過程進行了研究。其中，確立了翼型裂紋的擴展方式，並利用Charles方程在模型中編制了裂紋的應力強度因子與裂紋的擴展速度關係的算法，在數值模擬中實現了裂紋亞臨界裂紋擴展速度的實時計算。同時，在模型的每一個計算步引入真實的時間參數，結合裂紋擴展的速度，對裂紋擴展長度進行精確計算，進而實現了受力條件下岩石壽命的預測。對影響計算結果的參數，包括外力大小、初始裂紋長度、裂紋角度和裂紋的不同隨機分布等因素進行了分析，得出了各個參數對預測壽命的影響規律。本項目研究內容為與時間相關的岩石中裂紋的擴展及外力作用下岩石壽命的預測提供了一種新的研究思路，同時，在以岩石作為承載體的實際工程中有較高的套用前景，例如地下巷道的穩定性分析、地下儲庫結構與時間相關的安全設計及以岩石材料為主體的建築結構的使用壽命等。