基于比例边界有限元法分析岩石裂纹扩展的T应力影响

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岩石作为自然界中的天然物质,属于典型非均匀且各向异性的材料,本身存在着很多节理、层理以及裂纹等。岩石内部裂纹的起裂扩展是导致整体破坏的原因,因此研究岩石裂纹的起裂以及扩展特性十分必要。传统断裂力学认为裂纹尖端应力受Williams展开式中的奇异项即应力强度因子控制,而忽略了非奇异项即T应力的影响,导致理论结果与试验结果有较大偏差。比例边界有限元法(SBFEM)在分析裂纹结构方面具有很大优势,裂纹尖端奇异参数可以基于定义进行提取并研究,且求解效率与结果精度较高。本文基于SBFEM考虑Williams展开式中的非奇异项即T应力,研究了T应力对岩石裂纹起裂和裂纹扩展过程的影响,主要研究工作包括:(1)巴西圆盘参数化二次开发及数值模拟研究。在ABAQUS平台中对岩石力学试验代表试样巴西圆盘进行建模并完成了参数化二次开发,对试件进行了裂纹扩展模拟并验证,提取了裂纹尖端的断裂参数,研究了试件在不同断裂模式下的规律以及围压对试件断裂的影响,并得出了断裂参数的变化规律。结果表明在裂纹倾角为0°时,试件为纯Ⅰ型开裂;当裂纹倾角为30°时,试件由纯Ⅰ型开裂转为纯Ⅱ型开裂模式。随着围压增大,巴西圆盘的断裂韧度和T应力均增大,而Ⅱ型应力强度因子不受影响。(2)考虑T应力的断裂准则修正及岩石裂纹尖端起裂特性研究。首先验证了SBFEM求解断裂参数的有效性及精度,建立考虑T应力的修正断裂准则,分析不同断裂模式下T应力对岩石裂纹起裂特性的影响。结果表明在纯Ⅰ型裂纹情况下,只有当T应力为负以及T应力为正且当小于一定数值时,裂纹起裂遵从传统断裂规律,否则裂纹扩展将会发生偏转。在纯Ⅱ型裂纹情况下,考虑T应力情况下裂纹起裂角将发生变化。在Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹情况下,在裂纹倾角小于50°时,传统理论结果与考虑T应力情况下结果偏差加大。正的T应力会增大裂纹起裂角,负的T应力会减小裂纹起裂角。随着Ⅱ型应力强度因子占比的增大,T应力对裂纹起裂角的影响越大。(3)考虑T应力的岩石裂纹扩展数值模拟研究。将考虑T应力的修正断裂准则应用到岩石裂纹扩展过程中,通过对不同算例的数值模拟研究了T应力在裂纹扩展过程中产生的影响。结果表明T应力不仅对岩石裂纹起裂角有很大影响,在裂纹扩展过程中,T应力对裂纹扩展路径的影响也十分明显。
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