非均勻性岩石亞臨界裂紋擴展速度效應理論與試驗研究

《非均勻性岩石亞臨界裂紋擴展速度效應理論與試驗研究》是依託中南大學，由李江騰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非均勻性岩石亞臨界裂紋擴展速度效應理論與試驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李江騰
• 依託單位：中南大學

項目摘要

岩石是經過漫長地質作用形成的各種礦物的天然集合體，具有明顯的非均質性和各向異性特性。而岩土工程失穩表現為典型的時效漸進破壞過程，探討非均勻性岩石亞臨界裂紋擴展速度效應勢在必行。本項目以試驗為基礎，研究非均勻性岩石在不同載荷條件下裂紋擴展的機制，揭示岩石裂紋擴展過程中內部缺陷動態演化過程及演化機理，建立岩石的裂紋擴展與巨觀破壞之間的關係；試驗研究非均勻性岩石不同應力狀態亞臨界裂紋擴展規律，獲得相應的亞臨界裂紋擴展時間相關參數；建立非均勻性岩石裂紋亞臨界擴展速率方程，確立裂紋擴展優勢方向，建立裂紋亞臨界擴展速度與活化能、斷口形貌及破壞模式之間的定量關係；探討時間相關性岩土工程穩定性與其力學性能弱化之間的規律，預測裂紋穩定擴展的極限時間；數值模擬結構在不同條件下的應力和變形及非均勻性岩石裂紋穩定擴展規律；將研究成果套用於實際工程，檢驗其有效性。

結題摘要

本項目組根據申請書和計畫書的研究內容及研究進度計畫開展研究工作。四年來，項目執行順利，達到了預期的研究目的，取得了新的研究成果。 其主要內容為：考慮岩石非均勻性特性時的裂紋亞臨界擴展速度效應，在理論、試驗、數值模擬與套用方面進行了研究。通過非均勻性岩石雙扭試驗，測定鬆弛曲線，建立了不同方向的裂紋亞臨界擴展速度與裂紋擴展參數的關係，從擴展能量出發研究裂紋擴展，確定不同條件下裂紋擴展的起裂條件、門檻值及岩橋貫通方式；通過核磁共振試驗，測定弛豫時間，探討內部細觀結構成像規律、孔隙度、孔隙尺寸分布規律、細觀結構變化及損傷累積規律；通過岩石斷裂表面微觀形貌試驗，建立裂紋亞臨界擴展速度與形貌特徵參數的關係；以試驗為基礎，探討非均勻性岩石亞臨界裂紋擴展的機制，分析非均勻性岩石結構的在不同載荷條件下的應力、變形及岩石裂紋穩定擴展規律，確立三個主軸方向及其彈性參數，推導非均勻性岩石初始等效柔度張量及裂紋擴展引起的附加柔度張量，探討內部缺陷的動態損傷演化效應，建立非均勻性岩石本構模型，確立裂紋快速擴展的條件，預測裂紋穩定擴展的極限時間；結合具體邊坡工程，進行穩定性分析及加固措施以檢驗其有效性。 研究發現：各個節理傾角下的lgKI –lgV關係都有很好的線性規律，斷裂韌度KIC、鬆弛最大荷載Pmax、單軸抗壓強度和彈性模量均隨層理面傾角的增大呈“U”型變化趨勢；裂紋擴展的極限時間隨拉應力的增加而減小，極限時間對節理傾角的變化的靈敏度不同，拉應力越小時，臨界時間受節理傾角的影響越大；分形維數能較好的表述裂紋擴展形成的斷口斷面；核磁共振孔隙度與浸泡時間成指數衰減函式關係，與單軸抗壓強度、彈性模量成線性關係。