岩石表面多边形裂缝形成与演化的数值研究

本文通过细观损伤力学、连续介质力学和热力学建模，研究了冷却条件下岩石表面多边形裂缝的形成和演化机制。影响岩石表面损伤的因素包括环境温度、岩性差异和边界限制。本文针对三种类型的边界建立并模拟了具有弱表面层的异质模型。分别为双轴约束、单轴约束和自由边界。针对不同的薄弱层厚度和均质性，再现了多边形裂纹的萌生和扩展过程。结果表明，边界约束强烈影响多边形开裂。在双轴或单轴约束下，岩石表面产生许多多边形或平行裂缝。无约束岩石表面呈现中心为多边形裂缝，周围为平行裂缝。弱表面层越厚，形成块体的平均面积越大，小块体和短裂缝比大块体和长裂缝数量多。随着非均质性指数的增大，岩层越容易产生形状相对规则的块体。无论岩层厚度和非均质性如何变化，都以四边形、五边形和六边形块为主。然而，多边形块体的边数对岩石非均质性敏感，随着不均匀性的增加，多边形趋于复杂化。本研究有助于理解自然界中岩石表面多边形裂缝的复杂形成机制。此外，三维裂缝几何形态的模拟为开发离散裂缝网络( DFN )分析中生成离散裂缝和块体的算法提供了基础。