内水压下含中空裂隙新型材料的压裂试验及数值模拟研究

研制出一种完全透明、–15~–10℃下拉压强度比达1/6.6的树脂材料,其与岩石特性的相似程度比前人研究成果有大幅提高。制作了内置单裂隙试件,所含裂隙为中空张开型。采用自主设计的注水设备和低温加载装置,在固定水压作用下,分别开展水压为2、4 MPa时的单轴压缩试验和水压为2 MPa时的双轴压缩试验。详细描述了试件的次生裂纹形态和裂隙扩展过程,分析其产生的条件与机制,对比了有水与无水条件下试件破裂规律的异同。采用FLAC^(3D)开展数值模拟研究,在FLAC^(3D)自带均质流体模型基础上,引入改进的弹脆性本构模型,对损伤单元的力学参数和渗透系数进行二次定义,计算结果与文中试验结果相符合,表明了新数值模拟方法的有效性,可以很好地反映水压作用下裂隙岩体强度和稳定性的变化特征。

水力劈裂对岩体中自然裂纹的影响研究

建立了求解自然裂纹和水力裂纹扩展的扩展有限元法,对裂纹附近区域的节点采用广义形函数,并采用线增函数消除混合单元,以提高裂纹附近的精度。引入水力劈裂的非耦合模型,即假设裂纹中的水压力为均布力;用砂浆法(线段-线段接触法)结合增广型拉格朗日乘子法处理受压裂纹段的接触条件。并通过算例分析了以下内容:计算了受压裂纹和裂纹面分布均布水压力的水力裂纹的应力强度因子,并与解析解进行了比较,结果表明,提出的方法具有很高的精度;模拟了水力裂纹对自然裂纹面的影响,并分析了自然裂纹面上的接触力和接触状态。

多裂纹扩展的扩展有限元法分析

建立了求解多裂纹扩展的扩展有限元法。引入裂纹交叉汇合加强函数以分析多裂纹交叉汇合过程;在裂纹附近区域使用广义形函数,并引入线增函数消除混合单元,可有效地提高裂纹附近的精度;用砂浆法(线段-线段接触法)结合增广型Lagrange乘子法处理裂纹段的接触条件,可以精确地模拟裂纹面约束,并方便地求解控制方程。算例分析了两方面内容:(1)计算交叉裂纹体的应力强度因子,结果表明提出的方法精度高;(2)模拟多裂纹扩展及交叉汇合过程,模拟的裂纹扩展路径与试验结果吻合得较好,表明了方法的可靠性。

基于扩展有限元的混凝土重力坝水力劈裂分析

利用扩展有限单元法在求解不连续问题上的独有优势,在裂纹面以水压力方式模拟水力劈裂荷载,以解决裂纹扩展时涉及裂纹面非线性和移动边界问题。针对某待建混凝土重力坝,通过ABAQUS软件建立黏聚力裂纹扩展模型模拟水力劈裂,采用上游超载静水压力模拟高水压作用,研究不同裂纹长度、角度及裂纹面水压力对裂纹扩展的影响。结果表明:在相同初始裂纹夹角和水压作用下,裂纹起裂方向与预置裂纹方向夹角值基本一致;预置裂纹与水平向夹角为45°时,裂纹扩展深度最浅;随着裂纹面水压力数值增大,坝踵预置裂纹逐渐向坝基底部扩展;随着坝体折断面预置裂纹长度的增加,预置裂纹尖端周围应力值逐步增大,坝顶和主裂纹最大张开位移也随之增大,最终形成一条主裂纹并不断地向下游坝基面进行扩展,结构承载能力逐渐降低。

扩展有限元法中摩擦接触条件的施加

对于裂纹等不连续问题,常规有限元法通常需对裂纹尖端进行局部网格加密,且在模拟裂纹扩展过程中需进行网格重构。扩展有限元法基于单位分解的思想,将一些加强函数加入到常规有限元法位移模式中,能有效地求解不连续问题。对于复合裂纹及裂纹受压的情况,通常需考虑裂纹面间的接触问题,以避免裂纹面发生相互嵌入。本文将砂浆法与罚函数法相结合,用于扩展有限元法中裂纹面之间摩擦接触条件的施加。数值结果表明,该方法能有效的阻止裂纹面间的相互嵌入,且与其它数值方法求解结果相一致。