岩石圆盘径向压缩破坏的Voronoi子块体单元DDA方法模拟

非连续变形分析(DDA)方法是计算离散可变形块体系统力学行为的数值计算方法,可通过子块体单元DDA方法模拟岩石的开裂破坏。考虑到Voronoi多边形颗粒与细观尺度下岩石矿物晶粒形态的相似性,提出一种基于随机圆的Voronoi颗粒单元模型生成方法;并通过完整及带预制裂纹岩石圆盘径向压缩破坏的模拟,验证岩石破裂问题Voronoi子块体单元DDA模拟方法的适用性。结果表明,当子块体单元数较小时,圆盘表现出更高的整体强度;随着子块体单元数的增大,起裂处位置更接近真实,开裂破坏路径更清晰;子块体单元数较大时不同倾角预制裂纹圆盘破坏的模拟结果与实验结果高度吻合,并能有效反映圆盘中心加工小孔对开裂破坏路径的影响。使用Voronoi子块体单元DDA方法能够有效模拟岩石的开裂破坏过程,为进一步开展基于Voronoi颗粒单元模型的岩石开裂破坏模拟创造了条件。

脆性岩石试样断裂过程区及宏观疲劳裂纹行为研究

通过脆性岩石试样巴西圆盘试验研究了疲劳效应对脆性岩石断裂韧度KIC的影响,阐释了脆性岩石的疲劳损伤机制,首次展示了脆性岩石破坏前宏观裂纹的张开和闭合行为。巴西圆盘试验结果表明,循环荷载作用下,脆性岩样的KIC降低了35%,巴西劈裂拉伸强度降低了30%。通过高速相机数小时的观测并记录到了岩石力学领域从未观测到的过程,即脆性岩样破坏前,疲劳裂纹在正弦荷载作用下弹性张合。扫描电镜和计算机断层扫描结果显示,巴西圆盘和V形切槽巴西圆盘试样的破坏是由断裂过程区(fracture process zone,简称FPZ)引起的,FPZ中包含许多异于循环荷载作用下单条宏观裂纹的微裂纹,切槽裂纹尖端FPZ的形成导致未破坏脆性岩样中可视疲劳裂纹弹性张合。室内试验和数值计算结果表明,切槽裂纹倾角为60°时获得最大FPZ(即FPZmax),这表明最大FPZ的形成可能与Ⅰ-Ⅱ型(拉伸和剪切)组合加载模式有关。