考虑多尺度裂纹动力相互作用的岩石变形破坏规律研究

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岩石中含有大量裂纹,这些裂纹的相互作用对岩石的宏观力学性质有显著影响。本文提出了一个含有三个尺度裂纹的力学模型,以研究裂纹扩展模式和可能产生的破坏模式。为了模拟不同尺度等级裂纹之间的相互作用,将单个裂纹的卸载影响区域视为以裂纹尺寸为直径的球体。同时考虑了同等级和不同等级裂纹之间的相互作用和裂纹扩展导致的试件材料力学参数的退化。同时考虑了惯性的影响。采用数值计算的方法,联合求解了加载方程和裂纹扩展方程,得到了试件的总轴向应力和惯性附加力时程、裂纹尖端的应力强度因子时程、裂纹的长度和速度时程。得到了不同等级裂纹的启裂和连接贯通的时间。主要的研究成果如下:(1)揭示了在冲击荷载作用下单个翼状裂纹的扩展模式。即翼状裂纹在连续扩展之前的初始阶段以离散脉冲的形式扩展。(2)当加载率一定时,对于不同的初始裂纹密度,不同尺度等级的裂纹扩展和连接贯通会导致不同的裂纹扩展和破坏模式。对于相对较低的初始裂纹密度,一级裂纹的影响区域占主导地位,试件由于一级裂纹的连接而破坏。随着初始裂纹密度的增加,在较高的初始裂纹密度下,三级裂纹的连接是导致试件破坏的原因。随着初始裂纹密度的进一步增加,二级裂纹的连接导致试件破坏。在初始裂纹密度更高的情况下,一级裂纹的连接再次导致试件破坏。动态强度随初始裂纹密度的增加而降低。(3)动荷载作用导致试件产生惯性效应。惯性效应对于试件的变形破坏产生一定的影响。为此本文还研究了动态加载导致的惯性效应对于岩石试件中裂纹的扩展和试件破坏的影响。推导了长方体岩石试件在轴向动荷载作用下的惯性效应计算公式,表明惯性附加力沿试件横截面呈抛物线型分布。基于本文提出的一种含有三个尺度等级裂纹的模型,得到了三个尺度等级裂纹的启裂和连接贯通时间随裂纹在试件中位置的变化。研究发现,由于惯性效应,试件边缘的裂纹将先于试件中心的裂纹扩展、连接贯通,即导致试件按由外向内的顺序破坏。
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