クラックの生成・成長による圧縮応力下にある脆性材料の破壊基準に関する研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14655170
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 小田 匡寛 埼玉大学, 工学部, 教授 (90008855)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 奥井 義和 埼玉大学, 工学部, 助教授 (40214051)
• Keywords: 破壊基準 / 脆性材料 / 高圧三軸試験 / マイクロクラック / 数値解析モデル / ダメージ

Research Abstract

クラックの幾何学特性は2階の対称テンソル(クラックテンソルと呼ぶ)で一般的に表せ、またステレオロジーの手法と組み合わせれば、実際にクラックテンソルが決定できる。本研究は、載荷中に生成・成長するクラックをクラックテンソルで数量化し、それを基礎として岩石の破壊現象を論じるものである。本年度の具体的成果を要約すれば、以下の通りである。
(1)高圧下の3軸圧縮試験で損傷を受けた花崗岩のクラックをクラックテンソルとして数量化した。破壊は、クラック密度(クラックテンソルの第一不変量)がある閾値に達すれば起こることを、実験結果を解析することによって明らかにした。新たな視点から脆性材料の破壊基準を定式化できる可能性が示唆された。
(2)クラックの生成・成長が透水係数に及ぼす効果を具体的に与えるために、クラックテンソルを内部変数とする理論式を誘導した。また非弾性歪を受けた花崗岩のダメージを解析し、理論式から透水係数を見積もった。その結果、140MPA以下の拘束圧下で破壊の近傍まで載荷されると、透水係数は10^2程度大きくなることを明らかにした。
(3)クラック密度の閾値がいかなる物理的意味を持つかを、パーコレーション理論の最近の成果を踏まえて論じ、脆性材料の破壊が構造の不安定現象(structurally-induced instability)に他ならないことを示した。
(4)クラックの成長過程を追跡するために、新たなクラックの進展則を提案し、クラック間の相互エネルギー干渉を組み込んだ数値解析モデルを構築した。クラックの成長に関する実験結果と照合し、数値解析モデルの有効性を検証した。

Research Products

• [Publications] M.Oda, T.Takemura, T.Aoki: "Damage growth and permeability change in triaxial compression tests of Inada granite"Mechanics of Materials. 34. 313-331 (2002)
• [Publications] M.Oda, T.Katsube, T.Takemura: "Microcrack evolution and brittle failure of Inada granite in triaxiai compression tests at 140 Mpa"Journal Geophysical Research. 107(B10). ECV9-1-17 (2002)
• [Publications] T.Takemura, A.Golshani, M.Oda, K.Suzuki: "Preferred orientation of open microcracks in granite and their relation with anisotropic elasticity"Int. J. Rock Mech. & Mining Science. (In press). (2003)