岩桥拉张破裂数值模拟研究

论文摘要

岩桥是岩体承受外力的主要内部结构,岩桥和裂纹共同承担载荷作用,岩体的破坏通常是由裂纹和岩桥共同破坏组成。由于岩桥的存在,使非贯通裂纹岩体的受力及破坏特征发生了质的变化,裂纹端部应力高度集中,将导致脆性断裂破坏,整体破坏特征表现为预制裂纹的扩展和预制裂纹尖端产生的翼裂纹引起岩桥破裂所组成的复合破坏。分析裂纹岩体强度特性及其变形破坏机制,是研究岩体特性的基础性工作,可以合理地预测实际工程的可能破坏模式和评价工程岩体的稳定。文章研究岩桥拉张破裂的演化过程,探讨岩桥破裂的规律。主要介绍了I型裂纹尖端的应力场和位移场,裂纹失稳扩展的准则和岩桥力学性质弱化分析等相关理论,以岩石受拉破坏的理论为基础,给出了岩石拉张破裂的四个判据,建立有限元模型,分析模拟岩桥拉张破裂的结果。有限元方法是目前应用最为广泛的研究工具,但是传统的有限元方法,是建立在连续性假设基础上的,不能模拟岩石拉张破裂后形成的不连续结构,不能直接处理岩石拉破坏现象问题。本文利用可描述拉张破裂的有限元方法,对不同倾角,不同裂纹数目,不同裂纹尺寸,不同侧压的情况下,岩桥拉张破裂演化过程进行数值模拟。模拟结果显示,在单轴压缩条件下,对于同一裂纹角度、相等距离的两组平行预裂纹,在不同的岩桥倾角条件下,预裂纹扩展程度不同;岩桥倾角越大,岩桥越容易拉张破坏。岩桥倾角一定时,裂纹倾角越大,拉应力越在岩桥区域集中,预制裂纹大于75°时,拉应力逐渐在岩体中均匀分布。裂纹数量增加,岩桥越容易拉张破坏,贯通趋势明显,裂纹的尺寸对裂纹的扩展程度有影响,对裂纹的破坏形式没有影响,围压对裂纹萌生,扩展、相互作用都有很大的影响。拉张破裂有限元程序模拟岩桥拉张破裂的整个过程,为研究岩桥的贯通及裂纹的扩展规律提供新的研究方法。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 裂纹扩展力学模型研究现状
• 1.2.2 裂纹扩展判据研究现状
• 1.2.3 岩桥破坏模式研究现状
• 2 裂纹和岩桥的力学性质
• 2.1 裂纹的力学性质
• 2.1.1 裂纹的类型
• 2.1.2 Ⅰ型裂纹的应力场和位移场
• 2.2 裂纹失稳扩展判据
• 2.2.1 应力强度因子准则（K 准则）
• 2.2.2 能量释放率和能量释放率脆断准则（G 准则）
• 2.2.3 实例计算
• 2.3 岩桥力学性质分析
• 2.3.1 非贯通裂纹岩体岩桥力学分析
• 2.3.2 非贯通裂纹岩体岩桥的拉张破坏
• 2.3.3 非贯通裂纹岩体岩桥的剪切破坏
• 2.3.4 非贯通裂纹岩体岩桥力学性质弱化分析
• 2.4 本章小结
• 3 拉张破裂有限元法及实例分析
• 3.1 拉张破裂有限元法
• 3.1.1 二维弹性平面应力的有限元方程
• 3.1.2 岩石拉张破裂的判据
• 3.1.3 拉张破坏的开裂准则
• 3.1.4 三节点三角形常单元开裂
• 3.1.5 裂纹贯通处理
• 3.2 实例分析
• 3.2.1 模型的介绍
• 3.2.2 裂纹扩展演化过程
• 3.3 本章小结
• 4 岩桥拉张破裂的数值模拟
• 4.1 不同岩桥倾角下，岩桥拉张破裂演化过程
• 4.1.1 模型及边界条件的选取
• 4.1.2 破裂演化过程
• 4.1.3 监测点位移与应力的变化
• 4.1.4 与实验结果的对比
• 4.2 不同裂纹倾角下，岩桥拉张破裂演化过程
• 4.3 不同裂纹尺寸下，裂纹扩展演化结果
• 4.4 不同侧压下，裂纹扩展演化过程
• 4.5 不平行裂纹扩展演化过程
• 4.6 含多条裂纹情况下，岩桥拉张破裂演化过程
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集