模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。     

扩展有限元法在岩石断裂力学中的应用

岩石裂纹的扩展是一个经典的不连续问题,常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟。扩展有限元法(XFEM)实现了计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。本文介绍了XFEM基本原理和岩石断裂力学常用判据,尝试对岩石类材料单缝Ⅰ型三点弯曲、单缝剪切和双缝平板实验进行模拟。分析结果表明:扩展有限元模拟岩石类材料断裂问题不受网格划分限制,裂纹以实际应力场分布随机扩展;直观地给出岩样的微裂纹产生、演化,直至完全破坏的全过程,并与实验结果吻合。该方法能够应用到岩石断裂力学方面的研究,模拟岩石类材料的宏细观破坏过程,为解决复杂问题提供了方便的途径。     

准脆性材料断裂模拟方法研究

针对岩石、混凝土类准脆性材料的断裂过程模拟,发展了基于黏聚裂纹模型的虚节点扩展有限元法,并给出了该法的数值原理和控制方程。通过三点弯曲梁拉伸断裂、单边缺口试件Ⅰ-Ⅱ复合型断裂和Nooru-Mohammed试验多裂纹断裂等典型算例,并与已有解或试验结果对比,表明该法适合于模拟准脆性材料由张开型裂纹支配的断裂过程。相对于节点分离有限元法,该法无需预设开裂路径;相对于塑性损伤有限元法,该法能够可靠模拟多裂纹曲线扩展;相对于标准扩展有限元法,该法无需引入裂尖单元,避免了应力强度因子的计算;相对于高阶富集扩展有限元法,该法具有良好的适用性,便于得到收敛的计算结果。此外,基于单元的位移场描述使其更易于嵌入常用有限元软件,从而利用后者良好的非线性计算功能求解复杂问题。     

单轴压缩荷载下闭合裂纹扩展的试验和数值研究

岩体内部存在大量的裂隙,由于填充物的存在,在大多数情况下裂纹面是闭合的,受外力作用时会产生摩擦力,进而会影响到岩体裂隙的起裂模式和扩展行为。因此,为了研究闭合裂纹的起裂模式和扩展行为,用类岩石材料PMMA有机玻璃板制成含有闭合裂纹的预裂试样,在试样上进行单轴压缩试验,用数字图像相关系统（digital image correlation,简称DIC）记录并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征。另外,使用扩展有限元法（extended finite element method,简称XFEM）来模拟闭合裂纹的萌生和扩展,通过模拟得到了含闭合裂纹试样的破坏过程,并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征,与试验结果吻合良好,验证了数值模拟的有效性。在此基础上,引入裂纹倾角和裂纹面摩擦系数为变量,模拟研究了其对闭合裂纹起裂和扩展行为的作用机制。研究结果表明,裂纹闭合条件下产生的裂纹为翼型张拉裂纹。裂纹倾角和裂纹面摩擦系数对闭合裂纹的起裂模式和扩展行为有较大影响,裂纹倾角越大,起裂角越大;相反,裂纹面摩擦系数越大,起裂角越小。另外,裂纹面摩擦系数会对闭合裂纹的扩展产生抑制作用,且随着摩擦系数不断增大,抑制作用...     

正交各向异性岩体裂纹扩展的扩展有限元方法研究

石油开采和非常规天然气开采等领域经常遇到页岩、砂岩等沉积岩,这类岩石材料往往具有正交各向异性特征。采用扩展有限元方法研究了正交各向异性岩体裂纹扩展问题,并基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem2D。将由复变函数法得到的裂纹尖端渐进位移场作为裂尖位移增强函数,用相互作用积分法计算混合模式应力强度因子,采用修改后的最大周向拉应力扩展准则确定裂纹扩展方向。与传统有限元方法的对比表明,扩展有限元方法达到相同计算精度需要的自由度少,节省计算机时。分别采用扩展有限元程序和传统有限元程序模拟了岩石试件4点弯曲试验,二者所得结果一致。数值试验表明：随着正交材料坐标系与空间坐标系夹角α的增大,裂纹扩展方向角? 按照周期为? 的近似正弦函数的规律变化;保持剪切模量和泊松比不变时,正弦函数的值域随着弹性模量比值E1 /E2的减小而缩小,但相位基本保持不变;研究沉积岩断裂力学问题时,岩石的正交各向异性特征不可忽略。     

基于扩展有限元的压剪复合断裂数值分析

针对岩石类材料压剪破坏,国内外学者做了大量真实岩石和模型材料的试验,并进行相应的数值模拟工作。但由于试验结果往往具有很强的离散性,且对影响试验结果的各因素缺乏系统地理论分析,加之传统常规有限元在处理裂纹这类强不连续问题时存在很大的困难,如在裂尖附近的高应力区需要剖分令人难以接受的密度的网格,同时在模拟裂纹生长时还需要对网格进行重新剖分,操作繁琐复杂,效率极低,因此,针对压剪复合断裂翼裂纹扩展规律的研究始终没有取得令人满意的成果。对原生裂纹的几何形态,主裂纹面与其间填充物的相互作用对翼裂纹起裂角的影响做了系统的理论分析,并利用扩展有限元对翼型裂纹扩展全过程进行数值模拟,与理论分析结果对比,吻合良好。相关成果为以后针对压剪复合断裂的研究提供了理论分析框架,同时对今后相关试验的开展具有理论指导作用     

单轴压缩下含表观裂纹盐岩力学特性试验研究

利用RMT-150B岩石力学多功能系统,对不同形态的含表观裂纹盐岩的力学特性进行试验研究,分析了表观裂纹对盐岩的强度和变形性能影响以及盐岩表观裂纹扩展及其贯通模式。表观裂纹扩展演化主要分两类:一类是试件初始表观裂纹扩展形成主裂纹;二类是试件初始表观裂纹闭合,而重新萌生微裂纹,聚集、扩展形成主裂纹,同时,附近伴随生长次生裂纹。表观裂纹盐岩的贯通模式主要表现为拉贯通和拉剪贯通,未呈现明显的压贯通等其他贯通模式;受自身结构致密性影响,裂纹贯通路径呈现明显的曲折线。竖向贯通裂纹对盐岩变形模量影响较大,而倾斜裂纹对盐岩变形模量影响相对较小。     

岩石材料裂纹扩展的改进近场动力学方法模拟

在传统键基近场动力学模型的基础上,提出可以反映岩石类材料应力-应变变化特点的改进型模型,弥补了传统近场动力学模型在模拟岩石类材料时无法反映岩石内应力随应变先增加再减小最后破坏这一特性的不足。运用改进型模型,对含有单裂纹试件在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的裂纹扩展过程进行了数值模拟,分析了开裂角度在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的变化。结果表明：预制角度及拉伸荷载对开裂角度都有影响,在试件周围拉荷载接近的情况下会获得较小的开裂角,并且在拉荷载一定的条件下开裂角会有先增加后减少的规律。同时模拟了含裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展情况,将数值模拟的结果与室内试验的结果对比,验证了所提出新模型的有效性。所提出的新模型可以较好地模拟岩石类材料在拉荷载条件下的力学特性,在岩石数值模拟方面有着较为广泛的应用前景。     

裂纹扩展过程的动态仿真技术

岩石断裂力学在岩土工程领域应用越来越广泛,其数值模拟技术是研究的主要方向之一,也是制约断裂力学发展的瓶颈。基于扩展有限元思想,依托ABAQUS用户子单元二次开发技术,引入Heaviside函数模拟不连续位移场,采用裂尖 逼近函数模拟裂尖位移场,通过J积分求解裂尖的应力强度因子（SIF）,最后采用最大周向应力准则,预测裂纹扩展方向,实现了裂纹动态演化过程的扩展有限元数值模拟。通过3个经典断裂力学模型,对比了计算值与理论值,验证了所开发程序的适用性和有效性     

基于改进数值流形法的接触裂纹问题研究

接触裂纹问题在工程结构中较为常见。结合数值流形法在裂纹处理上的优势,分析了压剪荷载作用下的接触裂纹问题,模拟了压剪裂纹渐进扩展过程。为了减少由于裂纹尖端位置不同而产生的误差,对裂纹尖端附近一定范围内的每一个物理覆盖附加奇异覆盖函数项,并根据裂纹尖端位置和单元含奇异物理覆盖的数目进行分区积分。选取一个压剪破坏算例,分析了法向接触力对应力强度因子计算结果的影响,并模拟了其渐进破坏过程。计算结果表明,所提方法在压剪裂纹问题方面的可行性,与未细化和覆盖细化方法得到的结果相比,更能准确地描述裂纹扩展路径。法向接触力对II型应力强度因子的贡献为0,对I型应力强度因子的影响较大,相对误差随网格密度变化明显,且法向接触力对I型应力强度因子的影响要比直接施加内压时的影响大。     

Influence of inclination angles and confining pressures on mechanical behavior of rock materials containing a preexisting crack

To deeply understand the cracking mechanical behavior of brittle rock materials, numerical simulations of a rock specimen containing a single preexisting crack were carried out by the expanded distinct element method (EDEM). Based on the analysis of crack tips and a comparison between stress- and strain-based methods, the strain strength criterion was adopted in the numerical models to simulate the crack initiation and propagation processes under uniaxial and biaxial compression. The simulation results indicated that the crack inclination angle and confining pressure had a great influence on the tensile and shear properties, peak strength, and failure behaviors, which also showed a good agreement with the experimental results. If the specimen was under uniaxial compression, it was found that the initiation stress and peak strength first decreased and then increased with an increasing inclination angle α. Regardless of the size of α, tensile cracks initiated prior to shear cracks. If α was small (such as α ≤ 30°), the tensile cracks dominated the specimen failure, the wing cracks propagated towards the direction of uniaxial compression, and the propagation of shear cracks was inhibited by the high concentration of tensile stress. In contrast, if α was large (such as α ≥ 45°), mixed cracks dominated the specimen failure, and the external loading favored the further propagation of shear cracks. Analyzing the numerical results of the specimen with a 45° inclination angle under biaxial compression, it was revealed that lateral confinement had a significant influence on the initiation sequence and the mechanical properties of new cracks.     

A relationship between tensile strength and loading stress governing the onset of mode I crack propagation obtained via numerical investigations using a bonded particle model

Numerical models based on the discrete element method are used to study the fracturing process in brittle rock‐like materials under direct and indirect tension. The results demonstrate the capacity of the model to capture the essential characteristics of fracture including the onset of crack propagation, stable and unstable crack growth, arrest and reinitiation of fracturing, and crack branching. Simulations of Brazilian indirect tension tests serve to calibrate the numerical model, relating macroscopic tensile strength of specimens to their micromechanical breakage parameters. A second suite of simulations reveals a linear relationship between the tensile strength of specimens and the loading stress for which mode I tensile crack propagation ensues. Based on these results, a crack initiation criterion for brittle materials is proposed, prescribing the stressing conditions required to induce tensile failure. Such a criterion, if broadly applicable, provides a practical means to rapidly assess the failure potential of brittle materials under tensile loads.     

含折线型裂隙砂岩试件翼型裂纹起裂与扩展机制研究

岩体内部赋存的裂隙很多表现为折线型,为探究这类岩体的断裂机制,制备含折线型裂隙砂岩试件并对其进行单轴压缩试验。采用数字图像相关(DIC)方法计算加载过程中的变形场演化,根据新生裂纹两侧的位移差异识别裂纹类型;运用扩展有限元法(XFEM)模拟断裂过程,根据应力分布特征解释翼型裂纹起裂与扩展机制。DIC计算结果表明,新生裂纹处出现应变局部化带,裂纹两侧发生相对分离;含直线型和折线型裂隙砂岩试件的翼型裂纹分别萌生于预制裂隙端部以及折角处,这是因为裂隙几何形态会改变拉应力集中位置;含折线型裂隙砂岩试件的起裂应力小于含直线型裂隙砂岩试件,这是因为相同加载条件下前者的最大拉应力值更大;这2类试件的裂纹扩展均是由于裂纹尖端集中的拉应力引起的,裂纹依然呈张开状态;裂隙几何形态未改变试件的最终破坏模式,均表现为对角剪切破坏。     

模拟岩石破裂过程的块体单元离散弹簧模型

在变形体离散元的基础上建立块体单元离散弹簧模型,并应用于岩石破裂过程的数值模拟研究。该模型以连续介质力学理论为基础,将块体单元离散为具有明确物理意义的弹簧系统,通过对弹簧系统的能量泛函求变分获得各弹簧的刚度系数,进而可以直接利用弹簧刚度求解单元的变形和应力,提高计算效率。以重力作用下的岩质边坡计算为例,通过与传统的有限元进行对比,验证该模型弹性计算结果的正确性。在该基础上,引入Mohr-Coulomb与最大拉应力的复合破坏准则,判断单元的破坏状态及破裂方向。当单元的内部破坏面确定后,则通过块体切割的方式实现单元破坏,并建立单元边界和单元内部的双重破裂机制,实现块体由连续到非连续的破裂过程,进而显示的模拟裂纹的形成和扩展。最后,以巴西圆盘劈裂、单轴压缩破裂以及三点弯曲梁等典型算例验证该方法,结果表明该方法可以较好地模拟拉伸、压剪等应力状态下裂纹的形成和扩展,从而可模拟岩石介质由连续到非连续的破裂过程。     

A three-dimensional numerical investigation of the fracture of rock specimens containing a pre-existing surface flaw

Three-dimensional surface crack initiation and propagation in two kinds of heterogeneous rocks were numerically investigated via parallel finite element analysis using a supercomputer. Numerically simulated rock specimens containing a pre-existing flaw were subjected to uniaxial compression until failure. The initiation and propagation of wing cracks, anti-wing cracks, and shell-like cracks were reproduced by numerical simulations. The numerically simulated results demonstrate that the further propagation of wing cracks and shell-like cracks stop due to their wrapping (curving) behavior in three-dimensional spaces, even if the applied loads continue to increase. Furthermore, rock heterogeneity could significantly influence crack propagation patterns and the peak uniaxial compressive strengths of rock specimens. Moreover, anti-wing cracks only appeared in relatively heterogeneous rocks, and the peak uniaxial compressive strengths of the specimens were observed to depend on the inclination of the pre-existing flaw. Finally, the mechanism of surface crack propagation is discussed in the context of numerically simulated anti-plane loading tests, wherein it was identified that Mode III loading (anti-plane loading) does not lead to Mode III fracture in rocks due to their high ratio of uniaxial compressive strength to tensile strength. This finding could explain the lateral growth of an existing flaw in its own plane, which is a phenomenon that has not been observed in laboratory experiments.     

水压影响岩石渐进破裂过程的试验研究

岩石的压缩过程伴随着裂纹扩展,在低、中围压条件下扩展的裂纹主要受到张拉作用而产生,张拉破坏是首要的作用机制。研究发现,岩石的渐进破裂过程受岩石的结构和构造影响,比如矿物成分、颗粒大小以及胶结情况等,另外,围压以及开挖扰动等外界因素对岩石的渐进破裂过程也有重要影响。基于试验方法探讨水压对岩石渐进破坏过程的影响,首先,阐述岩石渐进破裂过程各个阶段的特征;然后,对岩石渐进破裂指标--岩石的启裂强度 和损伤强度 的确定方法进行总结;最后,选取细粒的石英砂岩为研究对象,通过试验研究水压对岩石渐进破坏过程的影响。试验结果表明,相同围压条件下,随着岩样两端水压的增大,岩石的 有逐渐增大的趋势,而岩石的 和峰值强度 逐渐变小;随着围压逐渐增大,岩石的启裂强度 、损伤强度 及峰值强度 均逐渐增大。     

双向压缩条件下闭合裂隙岩体断裂破坏机制及渗透压环境判定准则

在研究双向压缩条件下压剪复合型裂纹应力分布特征及断裂破坏机制基础上,考虑渗透压对初始裂隙面上有效正应力的影响,提出高低渗透压环境的判定准则,并基于滑动裂纹模型理论及最大周向拉应力破坏准则,得到不同渗透压环境下初始裂隙尖端微裂纹起裂特征与规律。研究结果表明：压剪复合应力条件下,初始裂隙尖端发育微裂纹的最优倾角与裂隙面摩擦系数直接相关,随裂隙面摩擦系数的增大,最优初始裂隙倾角由45°起逐渐增大;低渗透压条件下,渗流场的存在使裂纹面摩擦系数发生弱化,进而使得最优初始裂隙倾角向45°靠近,而渗透压直接降低裂隙面上有效正应力且与裂隙倾角无关,其仅仅影响裂隙体材料的初裂强度;高渗透压条件下,初始裂隙面由压剪复合应力状态转化为拉剪复合应力状态,并在拉剪复合应力场作用下,尖端微裂纹起裂角随KI/KII的不断增大,由70.5°逐渐趋近于0°。     

基于数值流形法的三维裂纹扩展研究

基于数值流形法（NMM）进行三维裂纹扩展分析研究,编写了相应的C++程序。充分发挥数值流形法在非连续变形分析领域的优势,不需要扩展有限元中的水平集和阶跃函数概念,应用数值流形法计算结果分析裂纹尖端线的破坏状况,对已有的非局部求迹法和三角形推进法进行简化和扩展,提出一种简化算法确定最终的新裂纹扩展面。应用简化算法对水平钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟和对比分析研究。计算结果表明,基于数值流形法的三维裂纹扩展算法是可行的,采用简化处理之后,克服原有算法的不足,大大减少了新裂纹尖端线和新裂纹面的数目,降低了计算网格对新裂纹面的影响,提高了计算效率和扩大了应用范围。     

Modeling soil desiccation cracking by analytical and numerical approaches

An energy approach is proposed as a complement to the stress approach commonly considered for investigating soil desiccation cracking. The elastic strain energies before and after crack initiation are estimated by both numerical and analytical solutions. The energy released by cracking is then compared with the fracture energy to discuss crack initiation conditions. This leads to combined energy and stress conditions for crack initiation following Leguillon's theory. An approximate analytical solution is derived from a variational formulation of the porous elastic body equations. A cohesive zone model and finite element code are used to simulate crack propagation in an unsaturated porous body. This analysis shows that the energy criterion is reached before the stress criterion, and this can explain unstable crack propagation at the beginning. The approximate analytical solution allows predicting correctly the crack depth and opening in its initiation stage.