有限岩板中裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展研究

摘要

天然岩石在地质演变过程中，由于受到了复杂的外部荷载，形成了很多的裂纹、节理和空洞等，这些缺陷会对工程施工安全和结构使用寿命产生重要影响。因此，运用断裂力学的观点来研究含初始裂纹岩体结构的特性，有助于更深刻地认识断裂问题。
　　本文以断裂力学为基础，从理论分析和数值模拟两个方面，分析了裂纹开裂前应力强度因子的大小和开裂后对试件力学性能的影响，并与试验结果进行对比，进一步分析裂纹扩展对试件的影响。
　　对于有限板，需要考虑边界效应对裂纹尖端应力强度因子的影响。在无限板应力强度因子基础上，引入形状系数来求解有限板的应力强度因子。基于此，本文分析了有限板中裂纹长度和裂纹偏心距对Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响，并得到了与裂纹偏心距相关的形状系数拟合公式，与有限元结果作比较，分析产生误差的原因。
　　本文分别分析了倾斜裂纹受拉应力和压应力作用下无限板的应力强度因子计算公式。对于压剪型裂纹，其实质上是一种特殊形式的Ⅱ型裂纹，此时在裂纹尖端只需计算Ⅱ型应力强度因子。本文分析了裂纹倾角、裂纹长度和裂纹偏心距对应力强度因子的影响作用，并得出判别有限板与无限板的界限指标，使得各个参数在满足一定条件下，可以忽略边界效应的影响，按照无限大板裂纹来处理，而当超过这个界限，需按有限板来考虑。
　　由于扩展有限元法是目前处理裂纹这类强不连续问题最有效的方法，本文利用有限元软件ABAQUS中扩展有限元模块建立数值模型，对压剪复合断裂裂纹扩展过程进行了数值模拟。由于岩石中原生裂隙的起裂、扩展和贯通模式对工程岩体强度及力学特性有重要的影响，本文通过分析裂纹扩展过程中模型的应力-应变曲线，探讨了裂纹几何参数，如裂纹位置、裂纹倾角和裂纹长度，对岩石峰值强度的影响。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要的研究内容

第2章 有限板I型裂纹应力强度因子研究

2.1 引言

2.2 断裂力学基本理论

2.3 应力强度因子

2.4 边界效应分析

2.5 本章小结

第3章 有限板复合裂纹应力强度因子研究

3.1 引言

3.2 复合断裂分析

3.3 拉剪复合应力强度因子

3.4 压剪复合应力强度因子

3.5 本章小结

第4章 单轴压缩下裂纹扩展数值分析

4.1 引言

4.2 断裂理论与准则

4.3 单轴受压下岩石的断裂机理

4.4 扩展有限元方法

4.5 模型建立

4.6 数值模拟结果及分析

4.7 本章小结

结论

参考文献

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致谢