压缩条件下岩石材料动态断裂行为的广义粒子动力学数值研究

摘要

岩石是由一种或多种矿物所组成的固结或不固结的非均质介质。在外部荷载作用下，岩石内部细观裂纹萌生、发展、连接贯通，最终导致岩石断裂。实验测得的结果如应力、应变和破裂模式往往是累积破裂后的宏观反映。而数值模拟方法则能够从微观裂纹和宏观力学行为响应两方面对试件的破裂机理进行分析，因而成为岩土工程领域研究的重点。
　　无网格粒子类方法可以彻底或部分地消除有限元等数值模拟方法依赖的网格，在超大变形、动态断裂、冲击荷载、材料裂变等问题的数值模拟中具有独特优势。本文采用广义粒子动力学法（General Particle Dynamics,GPD法）对长方体岩石试样在不同加载速度联合围压作用下裂纹扩展全过程仿真分析，研究工作主要有：
　　①基于连续介质力学中的质量守恒、动量守恒、能量守恒三个控制方程，编写适用于非均质长方体岩样三维裂纹扩展的GPD仿真程序，并开发了配套的GPD粒子生成程序用于可视化建模和后处理程序用于数据成像分析。
　　②对比了模型尺寸改变前后，中等应变率下单轴压缩长方体岩石试样力学特性，发现试件的形状对破裂模式有着很重要的影响，而对起裂应力及峰值应力等力学参数影响较小。细长的岩石试件裂纹沿着主应力的方向产生，以劈裂的形式破坏。而比较短的岩石试件则出现了竖向裂纹与斜裂纹贯通破坏形式。
　　③采用不同的加载速度对非均质长方体岩石试件仿真对比，结果表明岩石材料单轴动态抗压强度和应变率的关系函数与试验获得的经验公式相符，峰值应变随应变率增加提高幅度较大，而杨氏模量则增幅较小。在相同应变率下，均质性系数更高的试样具有更高的抗压强度和更大的峰值应变。应变速率的改变对破坏模式也影响很大，应变速率越高，竖向裂纹条数越多，水平向裂纹扩展速度也更快，导致高应变率下试样破裂成更小尺寸的块状。
　　④设计了多种应变速率及围压联合作用的三轴仿真试验，发现岩石起裂应力、起裂应变及动态抗压强度、峰值应变均随着围压的增大而增大。将不同应变率下动态三轴抗压强度随围压变化规律统一用莫尔-库仑公式来表示，并与试验结果进行对比。研究了不同围压下，动态三轴抗压强度随应变率变化趋势，发现抗压强度增幅随围压增大而降低。

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主要符号

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容和方法

1.4 技术路线

2 广义粒子法原理及可视化系统

2.1 GPD控制方程

2.2 GPD控制方程离散化

2.3 GPD法固体本构模型

2.4 GPD本构方程离散化

2.5 GPD系统可视化及边界处理

2.6 本章小结

3 三维非均质岩石材料的应变率效应

3.1 单轴压缩试验方案

3.2 中等应变率下单轴压缩GPD数值仿真

3.3 模型尺寸对单轴压缩GPD数值仿真的影响

3.4 应变率对单轴压缩GPD数值仿真的影响

3.5 高应变率下单轴压缩GPD数值仿真

3.6 本章小结

4 考虑应变率及围压作用的三轴GPD数值仿真

4.1 动态三轴压缩试验方案

4.2 三轴压缩GPD数值仿真

4.3 0.4 m/s加载速度下裂纹起裂、发展、贯通全过程分析

4.4 2 m/s加载速度下裂纹起裂、发展、贯通全过程分析

4.5 4 m/s加载速度下裂纹起裂、发展、贯通全过程分析

4.6 应变速率及围压联合作用规律

4.7 本章小结

5 主要结论与展望

5.1 全文总结

5.2 本文创新点

5.3 今后研究展望

致谢

参考文献