應用個別元素法探討人造岩石裂隙延伸行為

裂隙的延伸發展為研究材料破裂行為之重要課題。材料受外力作用時,常於材料既存裂隙處發生應力集中現象,當裂隙周圍之集中應力大於材料強度時,裂隙周圍將發生局部破壞導致裂隙的延伸與發展,進而造成整體破壞。台灣地處板塊聚合帶,岩體多有不連續面,不連續面存岩體中可視為岩石材料中之預裂隙,對於岩體強度影響甚鉅。若能掌握並預測岩體在不同的應力態條件下既有裂隙如何發展與延伸,對於岩石邊坡穩定之工程實務問題,與地震相關之防災課題將有直接之助益。有鑒於含裂隙之天然岩材取樣不異、岩材組成具變異性、實驗條件控制不易且裂隙觀察困難等,故本研究採數值方法進行裂隙延伸行為之研究。研究工具採個別元素法為理論基礎之顆粒流分析軟體進行數值模擬與分析,相較於連續體分析模式,個別元素法具有元素可分離的優勢,符合本研究對於裂隙延伸行為探討之需求。為取得數值模擬所需之微觀參數與驗證對象。本研究以石膏製成人造岩石,進行單軸壓縮試驗與巴西人法間接張力試驗,再透過含有貫穿試體中心之預裂隙的圓盤試體(Central through Cracked Brazilian Disk,CCBD),進行破裂力學實驗。微觀參數取得與數值建模流程驗證完成後,最終進行雙軸應力狀態下含預裂隙人造岩石之裂隙延伸行為的數值模擬,並探討不同側向壓力值與預裂隙幾何配置對於裂隙延伸行為之影響。分析結果顯示,側向壓力對於裂隙延伸行為有極大的影響。當側向壓力較高時,延伸裂隙之發展除受到抑制外,次要裂隙發展的方向介於低側向壓力時延伸裂隙的方向與預裂隙的方向,且破裂涵蓋的區域較集中於預裂隙附近,形成之破裂線條較寬;當側向壓應力值大於單壓強度之半,沿預裂隙方向之裂隙延伸行為不明顯,破壞集中於預裂隙所在之水平向帶狀範圍內。

作者:黃百懃