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岩石是一种含有大量细、微观裂纹的高度非均匀材料,其变形破坏过程实质上是岩石材料中裂纹的形成、扩展、相互作用直至最后贯通破坏的动态演化过程。由于演化过程涉及到不连续位移场的描述问题,有关岩石破坏过程的数值模拟至今仍是计算破坏力学中极具挑战性的难题。围绕岩石材料脆性破裂过程数值模拟研究,本文主要进行了以下几方面的工作:
⑴总结了模拟岩石材料脆性破裂过程的各种数值方法。其中,传统的有限元模型、离散元模型、非连续变形分析模型均采用裂纹沿单元边界的界面裂纹扩展方法,尽管实现比较方便,但初始网格划分会对模拟结果产生较大影响;采用网格重划分方法的数值模型可以实现裂纹沿任意方向的扩展,但计算工作量相对前者较大;扩展有限元法能够在无需网格重划分的情况下模拟裂纹扩展,但在处理大位移和非线性材料特性方面仍有大量工作有待开展。
⑵在基于连续介质离散元模型中,引入了一种基于块体细化的界面裂纹扩展方法,用以模拟岩石材料的脆性破裂过程。一方面,根据研究对象内部的应力场分布,在裂纹扩展过程中动态地选取裂纹可能扩展到的块体,并沿潜在破坏方向将这些块体细化为若干子块体,在子块体之间的界面上设置连接型弹簧,用于消除裂纹扩展对初始网格的依赖性;另一方面,连接型弹簧在满足张拉-剪切复合破坏准则时发生脆性破裂,转变为接触型弹簧,从而实现材料由连续到非连续的破裂。
⑶进行了典型算例的计算,验证模型的可靠性及适用性。开展了岩质边坡稳定性和三点弯曲梁裂纹扩展演化研究,从计算结果发现,高陡边坡从预设裂纹尖端继续扩展直至贯通,普通边坡自动形成一条破坏路径,无预设裂纹三点弯曲梁从底部正中向上开裂,预设正中裂纹三点梁从裂纹尖端向上开裂,预设偏裂纹向中间扩展,单轴压缩呈“X”型破坏,这些都符合实验观察到的现象。