三维表面裂纹扩展特征的研究

用含有预制半圆形三维表面裂纹的冷冻透明有机玻璃材料研究了裂纹的扩展机制,并对裂纹扩展中的特征应力进行了分析,同时,考察了裂纹深度、长度和倾角等几何因素变化对裂纹扩展的影响.研究结果表明,表面裂纹扩展受裂纹深度d与试样厚度T影响很大,当d/T≥1/3时,表面裂纹扩展到接近试样端部并穿透到试样的背面,当d/T＜1/3时,其裂纹扩展长度为预制裂纹直径的0.5～1倍时就不再扩展;裂纹倾角和裂纹相对试样尺寸也影响裂纹扩展.     

基于XFEM的岩石裂纹扩展数值模拟

扩展有限元法(XFEM)采用水平集法描述裂纹,以单位分解方法改进形函数,可以很有效的模拟含裂纹问题。以ABAQUS软件为平台,利用XFEM计算了有限板应力强度因子,模拟了大理岩三点弯曲荷载下的裂纹开展状况。结果表明,扩展有限元法能有效的对裂纹扩展过程进行仿真,计算结果满足工程要求,为解决实际复杂问题提供了方便的途径。     

单轴压缩岩石不同边界裂纹扩展数值模拟研究

对于单轴压缩的岩石试件,其破坏形式主要是微裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展.基于断裂力学机制,运用FLAC的显式有限差分数值模拟技术,对单轴压缩荷载下三种不同边界形状,即直边、凸形、凹形情况下含近边界预置斜裂纹的岩石模型进行了数值模拟研究.研究结果表明,基于Interface界面单元建立的裂纹扩展模式以Z型翼裂纹扩展为主,可以较好地模拟裂纹扩展过程.预置裂纹倾角和边界形状对近边界裂纹起裂应力及裂纹扩展过程都有一定的影响.凹边界情况下裂纹扩展较为稳定,无非稳定扩展情况的出现,而直边界和凸边界情况裂纹扩展均由稳定扩展到非稳定扩展逐步进行.     

三维表面裂纹扩展试验及理论分析

 通过双轴压力作用下岩石三维表面裂纹断裂试验,利用数字散斑技术,观察裂纹的翼形扩展、反向扩展,得出对应的时间和荷载。试验发现,三维表面裂纹的翼形扩展一般都先于反向裂纹,反向裂纹最先在远离裂纹尖端区域出现,而后快速与原裂纹尖端汇合。通过有限元计算得到三维裂纹试件整体应力场和裂纹前缘各点应力强度因子。通过复合型断裂判据,对裂纹翼形扩展的三维形态进行分析,试验结果与最大周向拉应力 及最大周向拉应变 判据的理论预示结果吻合较好。对反向裂纹萌生区域进行强度破坏分析,反向裂纹的萌生与莫尔–库仑强度理论的预示结果基本相符。从试验及理论2个方面分析三维表面裂纹扩展直至破坏的全过程。     

钢桁架桥三维裂纹扩展数值模拟

基于有限元软件ANSYS建立了一个含螺拴孔边裂纹的三维钢桁架桥断裂力学精细分析模型.通过与同务件下梁单元模型的计算结果对比,验证了模型的可靠性.分析表明该模型中采用的连接和假设是合理的,可用于钢桁架桥三维裂纹扩展模拟和疲劳寿命评估.     

岩板中混合裂纹扩展过程的数值模拟

应用自行研究开发的材料破坏过程分析软件MFPA2D,对带有预裂纹的大理岩以及大理岩 -砂岩的拼接岩板的单轴压缩实验进行了数值模拟。模拟内容有 :单一岩板中的单条裂纹、单一岩板中顺向雁形裂纹以及两拼接岩板中单一裂纹的扩展过程模拟。模拟结果与相应的实验结果较为一致。     

石油工程中岩石裂纹扩展与破坏机理研究

石油工程中岩石特点是理藏深，受高温，高压的作用，它是一种非均质不连续体的脆性材料，其破坏过程是水力或机械作用下，岩石内部裂纹的产生，扩展，合并和贯通的过程，本文对工程作业中的岩石裂纹扩展与破坏机理进行了较详细的理论分析，并通过实验研究对岩石裂纹的产生，扩展和贯通的全过程进行了探讨，得出了射流水楔作用是岩石裂纹产生，扩展，贯通以及破坏的重要方式，为石油工程作业的设计与施工提供了理论依据。     

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴，双轴载荷作用下，裂隙扩展，贯通的规律，应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性，实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性，实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后，将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC，计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。     

预制裂隙岩石裂纹扩展相场模拟方法研究

裂隙岩石变形破坏是其内部裂纹萌生、生长和聚合成宏观裂隙的结果。为了模拟裂隙岩石复杂断裂破坏过程,基于传统的相场断裂模型,通过拉、拉剪和压剪应变能密度分解,提出一种新的相场模型。根据Mohr-Coulomb准则分别定义剪切应力和压剪应变能,推导位移场和相场耦合控制方程,采用有限元方法进行空间离散和交错求解算法进行相场理论数值求解。通过对比基准算例的相场模拟结果与解析解,验证编制的相场有限元程序的准确性。然后,基于黄砂岩试验数据确定模型参数,运用该程序对单预制裂隙岩石(α=30°)和双预制裂隙岩石(α=30°,β=30°和α=30°,β=60°)单轴压缩试验进行模拟,再现了裂隙岩石所产生的张拉、剪切和混合裂纹生长和扩展模式,与试验结果吻合较好。因此,改进的相场模型能够模拟裂隙岩石裂纹起裂及后续扩展的动态演化过程。     

含裂纹试件双轴压缩裂纹扩展数值模拟研究

为研究内水压作用下的岩石内部裂纹扩展规律,利用围线积分计算裂纹在水压及单、双轴压力下的裂纹扩展特性,并与现有的试验结果进行了对比。研究结果表明:单、双裂纹首先在裂纹的尖端生成“翼形裂纹”,水力压裂因子越大,单裂纹翼裂纹与原预制裂纹的夹角越小;水力压裂因子越大,监测点的裂纹扩展速率越快,对于单裂纹而言,断口处的扩展速率要高于长轴,对于双裂纹试样,裂纹内侧的扩展速率则要大于外侧;水力压裂因子越大,1、2、3型应力强度因子也越大。研究成果为认识水压力以及双轴应力下的单、双内裂纹扩展机理提供了一定的参考。     

拉伸条件下锚杆对含表面裂隙类岩石试样加固效应试验研究

选用改性橡胶粉–水泥砂浆来模拟真实岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆材料,研究锚杆对三维表面裂隙岩体的加固止裂效果。结果表明,锚杆提高了裂隙岩体的变形模量和单轴抗拉强度,变形模量随锚固角的增大而增大,而单轴拉伸随锚固角的增大先增大后减小,当锚固角β=45°时,锚杆对单轴抗拉强度的提高幅度最大;锚杆通过其抗滑移和抗剪切性能使裂隙岩体避免发生脆性破坏,并且在预置裂隙起裂之后存在不同程度的残余强度;单轴拉伸条件下加锚或无锚裂隙试件的破坏均以预置裂纹尖端为突破口产生翼裂纹,其扩展方向大致与轴向拉应力方向垂直。当锚固角小于某个临界值时,会有次生裂纹产生;拉伸条件下,含裂隙试件的破坏机制是张拉型裂纹的贯通作用。     

Sub-critical crack growth in anisotropic rock

In this study, subcritical crack growth in granite was investigated experimentally using the double torsion (DT) test. The orthorhombic elastic properties of granite, caused by the preferred orientation of pre-existing microcracks, were used to estimate the crack velocities and the stress intensity factors. The results showed that the crack velocity in granite varied depending on its direction of propagation. The fastest crack velocities for a given water vapor pressure were obtained when the crack propagated in the direction parallel to the plane in which the crack density of the pre-existing microcracks was the highest. Hence, subcritical crack growth in granite is affected by pre-existing microcracks. It was shown that the crack velocity was high when the water vapor pressure was high. From the results obtained under different temperatures and water vapor pressures, values of the activation energy for subcritical crack growth were estimated. The crack velocity under any given temperature, water vapor pressure, and stress intensity factor can be predicted theoretically if the activation energy is accurately estimated. The activation energy in granite is higher than that in glass. Cracks propagate in a straight line in glass, whereas they do not form a straight line in rocks due to the heterogeneity. The total length and surface area of cracks in rocks are therefore greater than those of straight cracks in glass. The larger activation energies in rocks are due to their heterogeneity.     

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。     

岩石材料裂纹尖端起裂特性研究

 通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),运用断裂力学方法深入探讨远场拉–压、压–压应力组合下裂纹尖端起裂特性。在最大周向应力准则中考虑T应力的影响作用,并将其作为拉伸破裂判据;在剪切破裂方面,提出考虑法向应力影响的最大剪应力准则。通过对拉伸和剪切破裂发生条件的探讨,进一步阐明剪切破坏与裂纹倾角、内摩擦角、抗拉强度、黏聚力等参数之间的关系。研究结果表明,Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂角有重要的影响,所提出理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。随着内摩擦角的增大,剪切破裂减弱而拉伸破裂增强。随着黏聚力增大或者抗拉强度降低,拉伸破裂增强而剪切破裂减弱。     

冻融循环作用下岩石表面裂纹扩展过程细观研究

对页岩进行冻融循环试验,借助激光扫描显微镜对岩石在垂直和平行层理两个方向上的表面裂纹的扩展过程展开细观研究。采用数值模拟对冻融循环作用的温度应力分布、裂纹扩展过程及其机制进行研究。研究结果表明：裂纹深度、裂纹宽度和表面积比均随着冻融循环次数的增加而增大。部分颗粒在冻融循环作用下会发生破碎和崩落。垂直层理的岩石表面的裂纹深度、裂纹宽度和表面积比的增幅较小,曲线较平缓。而平行层理的岩石表面的裂纹深度、裂纹宽度和表面积比的增幅较大,曲线较陡。层理面表现出较为明显的弱面特征。裂纹更容易沿着层理面扩展。裂纹的形成和扩展会导致应力场的重分布。应力集中现象出现在层理面与表面的交界处。表面裂纹大都发端于表面层的自由边界,而后向内部扩展。     

岩体裂隙注浆的计算机模拟研究

利用蒙特卡洛（ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ） 法模拟岩体裂隙分布,根据山东莱芜铁矿谷家台矿区现场注浆实践,编制开发出一套反映裂隙岩体中注浆扩散情况的计算机模拟程序。     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

混凝土缝端微裂缝区数学模型的研究

本文首先对一些最重要的混凝土断裂的数学模型进行了综合评价，然后，在此基础上，提出了一个新的混凝土缝端微裂缝区数学模型，研究表明，新模型具有良好的工程实用价值。     

Concurrent fatigue crack growth simulation using extended finite element method

In this paper, a concurrent simulation framework for fatigue crack growth analysis is proposed using a novel small time scale model for fatigue mechanism analysis and the extended finite element method (X-FEM) for fatigue crack growth simulation. The proposed small time scale fatigue model does not require the cycle counting as those using the classical fatigue analysis methods and can be performed concurrently with structural/mechanical analysis. The X-FEM greatly facilitates crack growth simulation without remeshing requirements ahead of the crack tip as in the classical finite element method. The basic concept and theory of X-FEM was briefly introduced and numerical predictions of stress intensity factors are verified with reference solutions under both uniaxial and multiaxial loadings. The small time scale fatigue model is integrated into the numerical simulation algorithm for concurrent fatigue crack growth analysis. Model predictions are compared with available experimental observations for model validation.     

基于结构面网络模拟技术的边坡楔形体分析方法研究

山区高速公路的建设日益增多,岩质高边坡越来越多地出现于工程建设之中。对于完整性较好的岩质边坡,楔形体破坏是常见的边坡破坏类型之一。由于楔形体数量多,规模及稳定性都差别较大,位置也不固定,在勘探过程中难以确定,给边坡稳定性分析及设计带来很大不便。依据楔形体几何结构条件,将楔形体分成Ⅰ型(出现于坡肩,由两条相交的结构面与坡顶、坡面共同包围形成)和Ⅱ型(出现于坡面,由三条结构面与坡面共同包围形成),利用结构面三维网络模拟技术,对岩质边坡工程中楔形体进行随机分析和分步筛选,发展了搜索楔形体及其稳定性评价方法,用以指导边坡评价、设计和加固治理,并在厦沙高速的边坡稳定性分析中尝试应用。结果表明:对于岩质边坡,可根据楔形体的几何构成条件,利用楔形体分析方法,可以从岩体三维结构数字模型中抽取楔形体,并进行楔形体稳定性分析;通过Ⅰ型楔形体和Ⅱ型楔形体的对比,当边坡坡高较大时,Ⅱ型楔形体数量远远大于Ⅰ型楔形体,因此应更重视对Ⅱ型楔形体的研究。