微裂纹扩展对非饱和脆性岩石动态断裂的竞争性水化效应机理研究

本文针对深部地下工程中非饱和岩石的动态力学行为，提出了一种融合微裂纹扩展动力学与Stefan效应的微宏观断裂力学模型。该模型通过量化水饱和度对裂纹扩展速率（vl）、动态断裂韧性（KICD）及应力-应变关系的耦合影响，揭示了动态加载下自由水引发的强化（如Stefan力FS）与弱化（如摩擦系数μ降低）竞争机制，为深部工程稳定性评估提供了理论依据。

　　

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Theoretical model

本文基于翼裂纹扩展模型，结合岩石力学参数与饱和度的关系，并引入Stefan效应，提出了一种动态加载下非饱和岩石的微宏观断裂力学模型。模型采用微参数平均方法，并假设模型为各向同性体。单个初始裂纹（半径为a）两端各产生一条翼裂纹（长度为l），裂纹角度...

Results

基于上述模型，将通过实验结果验证其有效性和合理性。力学参数包括准静态断裂韧性K_ICQ (MPa·m^1/2)、弹性模量E (GPa)、泊松比ν、密度ρ (kg/m³)、裂纹间摩擦系数μ、液体黏度系数η (Pa·s)和饱和度ω可通过标准物理或力学试验获得。初始损伤D₀可通过电镜扫描结果估算...

Discussions

上述实验结果与理论预测的比较证实了本文提出的非饱和岩石动态微宏观断裂力学模型的有效性。当岩石受到自由水和动态加载的共同作用时：(1) 水饱和度影响初始裂纹间摩擦系数μ、初始损伤D₀、密度ρ、准静态断裂韧性K_ICQ和准静态弹性模量E，并且...

Conclusions

本研究建立了非饱和脆性岩石动态压缩响应的微宏观断裂力学框架。通过研究饱和度-应变率耦合效应对微裂纹扩展诱导的应力-应变行为的影响，阐明了非饱和水效应引起的动态弱化/强化机制。结论如下：

(1) 对于动态加载下的非饱和岩石，在恒定应变率下，增加饱和度会降低动态断裂韧性（K_ICD）...