含张开/闭合裂隙的巴西圆盘裂纹扩展过程

摘要

大量的岩体失稳与节理、裂隙的起裂、扩展和贯通密切相关,裂纹扩展机理及分析方法研究具有重要的科学和工程意义.数值模拟作为一种有效的岩石破裂分析方法备受研究者青睐,但目前的模拟方法在分析压剪闭合等复杂裂隙的力学行为时,还存在诸如扩展路径锯齿化、网格依赖、扩展步长受限等问题.基于此,以巴西圆盘为基本研究对象,开展了不同初始裂隙类型(张开、闭合、填充)、接触摩擦、裂隙倾角等物理力学参数对裂纹扩展特性的影响及破裂机理的研究.首先,基于岩石断裂力学理论和裂纹尖端应力场,运用最大周向应力准则(MTS)研究了张开、闭合等初始裂纹扩展过程,分析了产生锯齿状扩展路径的内在原因,以及传统方法在快速、有效的裂纹扩展路径模拟方面存在的问题.在此基础上,建立了准脆性材料破裂局部化理论的岩体断裂模拟方法,避免了断裂参数计算不准的难题,显著提高了计算的易操作性和精度.此外,通过裂纹尖端区域的局部网格自动重划分,单步的扩展长度并不受网格大小的限制,解决了裂纹扩展的网格依赖问题.最后,通过对裂纹扩展过程力学特性以及起裂角度、扩展路径等分析,获得了整个破裂过程中裂隙面的接触、分离及再闭合等状态以及裂纹扩展的力学机理.该研究提高了岩石破裂过程模拟的效率和准确性,弥补了目前有关压剪应力状态下闭合裂纹扩展研究的不足,实现了破裂路径的精细模拟.