基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

发布时间：2017-06-25 12:13

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【摘要】：传统离散元方法在处理破裂问题时,采用界面上的准则进行判断,裂纹只能沿着单元边界扩展.当物理问题存在宏观或微观裂隙时,在界面上应用准则具有其合理性;而裂纹沿着单元边界扩展,使得裂纹路径受网格影响较大,扩展方向受到限制.针对上述情况,可以基于单元破裂的方式,构建连续-非连续单元法,并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟.该方法在连续计算时,将单元离散为具有物理意义的弹簧系统,在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力,通过更新局部坐标系和弹簧特征量,可进一步计算块体大位移、大转动,连续问题计算结果与有限元一致,同时提高了计算效率.在此基础上,引入最大拉应力与莫尔-库伦的复合准则,判断单元破裂状态和破裂方向,并采用局部块体切割的方式,在单元内形成初始裂纹.裂纹两侧相应增加新的计算节点,同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系.按此方式,裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界,在扩展方向的选取上更为准确.最后,通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验,模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题,并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟,分析裂纹形成与应力-应变曲线各阶段之间的对应关系.结果表明:连续-非连续单元法通过单元内部破裂的方式,可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.
【作者单位】： 中国科学院力学研究所;铁道第三勘察设计院集团有限公司;
【关键词】： 连续-非连续 单元破裂 裂纹扩展 岩石破坏
【基金】：中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB10030303) 国家自然科学基金青年基金(11302230,11302229)资助项目~~
【分类号】：TU452
【正文快照】： 引言作为一种天然的准脆性非均匀材料,岩石内部存在大量的微观和宏观裂隙,其破坏实际是一个损伤演化、裂纹形成与扩展、断裂贯通直至发生运动的过程.岩石内部众多裂纹端部的应力集中是引起岩石开裂,进而发生解体破坏的原因.在开裂的过程中,由于所受外部荷载的复杂性,裂纹可能

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