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。     

单轴压缩下含倾斜单裂纹砂岩试件裂纹扩展量测研究

选用砂岩作为试验材料,进行不同倾斜角度单预制裂纹的单轴压缩试验研究,透过裂纹扩展量测技术以及配合相关断裂准则,得到：(1) 理论与实验的裂纹起裂角随裂纹倾斜角增加而增大;(2) 透过相关断裂准则,砂岩试件在裂纹尖端产生反翼裂纹是因为剪力破坏;(3) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹扩展受单裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹不易起裂;当裂纹倾斜角较大时,裂纹起裂比较容易;(4) 在单轴压缩作用下砂岩试件则受单预制裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹扩展属于非稳定扩展;当裂纹倾斜角较大时,裂纹扩展属于稳定扩展;(5) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹尖端A侧与裂纹尖端 B侧的裂纹扩展平均速度随裂纹倾斜角增加而降低。     

模拟岩石压剪状态下主次裂纹萌生开裂的扩展有限元法

压剪应力状态下,岩石类材料中常见两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生压剪裂纹。基于扩展有限元方法（XFEM）,提出了模拟压剪裂纹面作用机制的扩展有限元位移增强方案,并给出了扩展有限元法分叉裂纹处理方法,分别用最大周向拉应力准则和Mohr-Coulomb准则判断张拉裂纹和压剪裂纹的萌生和扩展。基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem 2D,通过两个算例对所提方案进行了验证,所得结果与有限元法（FEM）计算结果吻合很好。模拟了单轴压缩载荷下含预制闭合裂纹试件的裂纹分叉、扩展过程,与试验结果的对比表明,所提方案可以模拟和预测岩石类材料张拉、压剪交互分叉裂纹的萌生和扩展行为。     

三维空间中周期裂纹阵受剪切作用时的断裂力学分析

本文研究了岩石断裂力学中感兴趣的三维空间中周期裂纹阵受剪切作用的问题。求出了以裂纹张开位移为未知量的奇异积分方程。对矩形裂纹面进行了数值计算,得到了应力强度因子沿裂纹边界的分布规律。     

岩石剪切细观开裂演化与贯通机制分析

利用自主研发的煤岩剪切细观试验装置,以砂岩为研究对象,开展了不同饱和度数条件下的岩石剪切细观开裂演化与贯通机制试验研究,分析了砂岩剪切细观开裂演化过程和贯通机制,探讨了饱水系数对细观开裂和裂纹形态特征的影响。研究结果表明：剪切过程中,伴随着应力降,裂纹一般首先出现在剪切面中部,几条裂纹间断分布,距离较近的裂纹相互连通形成大裂纹,在应力继续下降的一瞬间,各裂纹连通形成贯通面;水的弱化作用影响了岩石的强度,使得试件底部出现较大的次级裂纹;饱水系数越大,分叉裂纹越多,使得试件的表面裂纹形态更加复杂,断裂面弯折段的数目越多,下端部次级裂纹越发育,整体损伤范围越大;细观上,局部独立裂纹贯通过程伴随着胶结颗粒岩桥的梁式旋转和弯曲折断,水的弱化作用,使得岩桥内部和外部微裂纹增多;随着饱水系数的增加,岩石剪切过程中出现的独立和次级裂纹的数目均呈增加趋势。     

多裂纹在不同岩石介质中的扩展贯通机制分析

应用东北大学开发的材料破坏过程分析软件MFPA^2D，以预置于不同岩石中的裂纹为研究对象，通过对带有预裂纹不同拼接岩板单轴压缩数值实验，探讨了预裂纹在具有不同岩性的岩石中扩展、相互作用直至贯通过程的破坏机制。模拟结果与相应的实验结果较为一致。     

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...     

冻土中微裂纹尺寸的识别与确认

在对冻土微观结构试验观测的基础上,提出了对冻土中微裂纹尺寸进行识别和确认的方法,给出了3种典型土质在不同温度下的微裂纹尺寸参考值,为应用冻土强度破坏准则进行定量计算与分析提供依据。将冻土微裂纹损伤区作为冻土体的缺陷处理,并按“当量化裂纹”原则,把冻土微裂纹损伤区简化为“当量裂纹”,如此给出了理论估算微裂纹尺寸的新途径。把理论计算与试验观测结果进行比较,二者符合较好。     

爆炸应力波作用下分支裂纹动态力学特性试验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了平板中预制贯通裂纹在爆炸应力波作用下端部衍生分支裂纹及爆炸主裂纹的扩展规律。预制贯通裂纹面在压缩应力波及反射拉伸波作用下表现出明显的张开和闭合交替变化,预制贯通裂纹减弱了爆炸主裂纹的动态扩展行为,爆炸主裂纹难以穿过预制贯通裂纹继续扩展。分支裂纹是爆炸应力波在预制贯通裂纹端部衍射效应形成应力集中而衍生、起裂、扩展,其开裂角与预制贯通裂纹、爆炸应力波入射角密切相关,分支裂纹尖端沿着最大能量释放率方向起裂,逐渐平行于最大主应力的方向稳定扩展,中后期扩展多表现为复合型断裂。爆炸分支裂纹的动态应力强度因子、扩展速度低于爆炸主裂纹,获得了分支裂纹起裂韧度为0.50～0.65 MN/m3/2、止裂韧度为0.25～0.35 MN/m3/2。     

动,静载作用下裂纹扩展的异同点

本文通过对具有不同分布裂纹模型实验的破裂过程的描述,分析了单轴动载荷、静裁荷作用下裂纹扩展的实验研究结果,揭示了它们之间的差异和共同遵循的规律。     

基于高密度电阻率法的土体干缩裂隙动态发育过程精细监测研究

土体在气候作用下发育干缩裂隙是一种常见的自然现象,裂隙的存在会极大弱化土体的工程性质,诱发许多岩土与地质工程问题。为了实时掌握黏性土中干缩裂隙网络的发展状态,提出了一套基于高密度电阻率层析成像技术（ERT）的土体干缩裂隙动态发展过程精细监测方法。分别开展模型试验及原位试验,利用自行研制的测定系统持续采集电流-电位差数据,随后利用自行开发的有限元法电阻率层析成像（FemERT）系统进行数据处理,获取了裂隙网络在不同发育阶段的空间分布特征。结果表明：（1）ERT可以实现土体裂隙发育过程的精细监测,具备监测三维裂隙网络几何形态的能力,裂隙宽度的识别精度达到毫米级,裂隙深度的识别精度达到厘米级;（2）ERT的感度分布特征解释了裂隙发育对于土体电阻率的影响规律,测定电阻值时程曲线因裂隙产生位置的不同而呈现不同的变化规律;（3）反演电阻率及其相对变化率（Rev）可以直观表征裂隙网络在不同阶段的空间几何形态,凸显裂隙动态发育过程对于土体导电性的影响。     

Three‐dimensional simulations of tensile cracks in geomaterials by coupling meshless and finite element method

Failure in geotechnical engineering is often related to tension‐induced cracking in geomaterials. In this paper, a coupled meshless method and FEM is developed to analyze the problem of three‐dimensional cracking. The radial point interpolation method (RPIM) is used to model cracks in the smeared crack framework with an isotropic damage model. The identification of the meshless region is based on the stress state computed by FEM, and the adaptive coupling of RPIM and FEM is achieved by a direct algorithm. Mesh‐bias dependency, which poses difficulties in FEM‐based cracking simulations, is circumvented by a crack tracking algorithm. The performance of our scheme is demonstrated by two numerical examples, that is, the four‐point bending test on concrete beam and the surface cracks caused by tunnel excavation. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

大体积混凝土温度裂缝扩展过程模拟

大体积混凝土的温度裂缝是关系到水电工程中混凝土大坝安全的重要问题,它贯穿混凝土坝的施工期直至运行期。重点探讨了应用无网格法求解大体积混凝土温度裂缝扩展过程的模拟方法。无网格法采用节点来离散求解域,特别适用于裂缝开裂过程的模拟。结合混凝土热传导问题推导了伽辽金无网格方法控制方程和基本算法步骤,编制了混凝土温度场计算和温度裂缝扩展过程模拟的无网格法程序,通过具体的算例验证了所编制的伽辽金无网格程序的正确性。数值算例的计算结果表明,无网格法能够有效地模拟混凝土块在温度应力作用下的开裂发展过程,计算结果符合大体积混凝土块在均匀温降和基础强约束条件下的裂缝分布规律。     

半刚性路面基层开裂的力学响应

采用有限元的方法,研究了半刚性路面基层开裂后路面结构的力学响应。研究认为,路表弯沉不能准确反映半刚性路面结构的破坏状态。基层横向开裂后,沥青面层的破坏主要受控于剪应力;基层底部裂缝两侧的纵向拉应力、剪应力迅速增加,将使横缝底部两侧形成严重破坏,这为水损坏后基层形成横缝处板底脱空,进而引起面层沿横缝两侧的开裂、沉陷留下了严重隐患。基层中各层的纵向开裂,不仅使得裂缝向上层进一步扩展,导致路面结构的总体纵向开裂,而且为横向的疲劳开裂创造了条件。当基层板块大于1 m×1 m的临界尺寸时,结构仍属于半刚性路面,当基层板块的尺寸小于此值时,路面结构的应力应变状态趋向于柔性路面。     

高土石坝裂缝分析的变形倾度有限元法及其应用

土石坝张拉裂缝一般由坝体的不均匀沉降变形引起,是土石坝破坏的主要诱因和表现形式之一。将基于现场沉降监测资料的传统变形倾度法进行了扩展,通过在有限元计算程序中嵌入变形倾度计算模块,发展了基于有限元变形计算的变形倾度有限元法。该方法简洁实用,方便与常规有限元变形计算相耦合,可作为在工程设计阶段分析和估算土石坝是否会发生表面张拉裂缝的实用方法。应用所发展的变形倾度有限元法,以糯扎渡高心墙堆石坝工程为例,进行了坝体后期变形引起坝体表面发生张拉裂缝的敏感性计算分析,探讨了高土石坝变形倾度的分布规律以及与坝体后期变形的关系,发现对糯扎渡高心墙堆石坝,坝顶后期沉降最大值小于坝高0.39%,可作为防止发生坝顶横向张拉裂缝的控制工况。通过工程实例的计算,说明提出的方法可用于高土石坝的裂缝预测分析。     

膨胀土边坡稳定分析方法研究

Bishop法等边坡稳定分析的经典方法用于分析膨胀土边坡时本身并无问题,只是由于计算条件的考虑不足,使得计算结果不能反映出膨胀土上的滑坡特点。在Bishop法的基础上,通过完善其计算条件,考虑了裂缝开展导致的土体强度降低、裂缝开展的深度、降雨时裂缝群中形成的渗流,以及可能的裂缝侧壁静水压力的作用等影响因素,完成了对膨胀土边坡稳定分析方法的改进。改进后的方法反映出裂缝对膨胀土边坡稳定性的影响,计算结果真实再现了浅层性、牵引性、长期性、平缓性和季节性等膨胀土边坡的滑坡特点。     

岩体结构拉裂的块体单元法模拟

基于阶谱块体单元法,提出了二次覆盖的概念和一种分析岩石块体受拉开裂破坏的方法。该方法将块体及其一次覆盖在概念上细分为许多个积分子域,即二次覆盖。在二次覆盖上引入模糊裂纹模型,并把裂缝的形成视为一个粘塑性屈服流动过程,将开裂后产生的不平衡力进行转移,通过迭代使结构重新达到平衡。该方法既能考虑结构本身的不连续性,又能有效地模拟块体受拉开裂和裂纹扩展的现象。数值算例表明,计算结果基本合理。     

温度变化对半刚性沥青路面裂缝的影响

半刚性基层沥青路面反射裂缝产生的原因之一是由半刚性基层温度变化引起的。根据路表代表性温度特征,运用有限元平面模型计算了裂缝尖端的应力强度因子,并对影响其大小的各因素进行了敏感性分析。结果表明,面层和基层的模量以及基层的温缩系数的增大会不同程度地导致裂缝尖端应力强度因子的增大,而面层的温缩系数对裂缝尖端应力 强度因子的影响并不明显。另外,增加面层厚度能有效地降低裂缝尖端应力强度因子,并提出碎石基层可有效地减缓路面反射裂缝的扩展的结论。     

红层泥质胶结物干缩裂缝深度与间距预测模型

红层泥质胶结物在干燥条件下会因含水率变化产生开裂,裂缝进一步发展贯通最终导致红层泥岩崩解破坏。目前对红层泥岩崩解机制的研究多为定性描述,缺乏定量分析方法。因此,定量研究红层泥质胶结物开裂的产生及扩展对深化红层泥岩崩解理论研究具有重要意义。基于线弹性断裂力学及非饱和土力学,建立了考虑含水率变化的红层泥质胶结物裂缝深度及间距计算公式,并对公式参数敏感性进行了分析。应用CT试验数据对PFC2D数值模型进行了校准,并基于干缩开裂数值试验结果,对裂缝深度及间距计算公式进行了对比验证。结果表明：提出的计算公式能较好地预测红层泥质胶结物的开裂深度及间距,裂缝深度随含水率减小呈先快速增加再缓慢增长的特点。研究成果有助于加深对红层泥岩崩解的量化理论分析,并为预测工程中红层泥岩的开裂程度提供参考。