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

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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(クリープ破壊を含む)現象を論じるものである。平成14年〜15年度の具体的成果を要約すれば、以下の通りである。(1)圧縮応力下の破壊(クリープ破壊を含む)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。この結果は、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を示唆している。(2)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。(3)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嵩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。(4)クラックの時間依存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、トンネルの長期安定問題への適用を図った。