脆性岩石多裂纹扩展的复合型相场模型研究

针对现有基于拉/压、球/偏应变能分解的2种复合型相场模型间差异性及其适用范围缺乏比较研究等问题,采用交错算法,依托ABAQUS平台自编相场本构子程序UMAT和相场变量演化子程序HETVAL,建立2种复合型相场模型数值求解方法,模拟脆性岩石双裂纹渐进式扩展贯通过程并对比分析。通过开展不同中心平行间距下含双平行裂纹的红砂岩试件单轴压缩试验,比较验证2种复合型相场模型的有效性并阐明其异同性及适用范围。研究结果表明:随着中心间距的增加,双平行裂纹的起裂点位置、扩展方向(I型翼裂纹起裂,扩展方向近似垂直于原裂纹面)和二次萌生裂纹(Ⅱ型裂纹)扩展方向几乎不变,但二次萌生裂纹的位置从2个内尖端变为2个外尖端,且岩桥贯通轨迹从2组裂纹尖端间扩展贯通变成1组裂纹内尖端扩展贯通;2种复合型相场模型均能有效地模拟出Ⅰ型、Ⅱ型裂纹扩展,但基于球/偏应变能分解的复合型相场模型模拟的二次萌生裂纹扩展(Ⅱ型反翼裂纹,扩展方向与翼裂纹方向相反)和岩桥贯通轨迹(裂纹尖端翼裂纹直接相向扩展贯通)与试验结果更为吻合,更适合于复杂加载条件下的脆性岩石多裂纹扩展行为模拟。

裂纹雁行分布岩体试样应力场特征与破坏模式研究

雁行分布是岩体中重要的裂纹分布形式之一,且对裂隙岩体力学性质有重要影响。本文通过模拟试验手段,较为系统地研究了含两条雁行典型裂纹岩体试样的预制裂纹倾角、侧压、裂纹面摩擦系数等因素对试样单轴抗压强度、第一主应力、剪切应力以及贯通破坏模式的影响规律;运用应力极值线定义得到了裂纹尖端的拉应力、剪应力极值线,分析了这两类极值线的分布特征,揭示了雁行分布裂纹条件下次生张拉裂纹、次生剪切裂纹的起裂、发展、贯通路径与机理,总结了两条雁行分布裂隙岩体试样贯通模式的演化规律。研究表明:两条雁行裂纹岩体试样,预制裂纹倾角从0°逐步增大到70°,试样峰值强度先减小而后增大,最小值出现在裂纹倾角在40°~45°区间时;侧压会显著削弱裂纹倾角对试样峰值强度的影响;裂纹倾角较小时,裂纹面摩擦系数对试样峰值强度影响显著,反之影响甚微;当裂纹倾角小于30°时,试样裂纹端部先张拉破坏,且易于形成剪切贯通次生裂纹;当裂纹倾角大于50°时,试样先张拉破坏,且易于形成张拉贯通次生裂纹;当裂纹倾角在30°~50°间时,试样易于形成拉剪复合性贯通次生裂纹。

轮南奥陶系裂缝的综合定量分析

针对轮南地区奥陶系裂缝型储层埋藏深、构造形成期多、影响因素多、后期改造作用复杂等特点 ,采用数理统计、应力场数值模拟、岩石力学性质与构造、沉积、钻井资料相结合分析等方法 ,确定出该区裂隙形成时期及相互关系 ,并预测了各期裂缝、综合裂缝和有效裂缝的分布 .结果表明 ,轮南奥陶系裂缝主要形成于晚海西 -印支期 ,裂缝走向有SN ,NW ,NWW和EW向 4组 ,其中以NW ,NWW向为主 ;裂缝发育区主要位于桑塔木断垒带 ,其次为轮南断垒带东段、中部斜坡区的东部。

芦山M_(s)7.0、玛多M_(s)7.4地震前大地电场异常变化特征

1研究背景岩石破裂实验结果表明,地震是应力持续加载并最终导致岩体突然张裂、断裂和错动的结果,伴随着应力应变的持续积累,岩土介质的物性参数会发生变化,在孕震晚期会产生电磁辐射,而且,地电场在多次中强地震前具有中短期异常。因此,开展大地电场观测与研究,有助于深入认识地壳构造运动规律,同时对地震灾害短临预测研究具有重要意义。

基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明:通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。

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。

基于相场方法的岩石弹塑性损伤模型研究及其数值实现

岩石材料损伤破坏的研究对岩体工程的稳定性评价至关重要,基于热力学原理,在经典相场损伤模型框架中引入塑性本构模型和硬化准则,借助塑性耗散能驱动下的塑性硬化阶段和峰后软化阶段损伤演化方程,建立一种岩石弹塑性相场损伤模型,并给出其数值实现。通过对比相场损伤均质响应模拟结果和解析解,验证塑性损伤耦合条件下该模型的正确性和可靠性。采用该模型,模拟岩石二维和三维复杂裂纹扩展,研究含预制裂纹岩石试样的塑性剪切损伤破坏过程,计算结果与已有试验结果吻合较好。该模型能自动、准确地跟踪岩石复杂裂纹扩展路径,有效描述岩石的损伤演化规律以及塑性变形与非局部相场损伤之间的耦合效应,可进一步应用到模拟实际工程岩石损伤破坏及稳定性问题。

基于统一相场模型的岩石裂纹扩展及损伤演化特性研究

基于统一相场模型,对高强石膏类岩石试样的单轴压缩试验进行数值模拟试验,并结合DIC试验结果,分析岩石裂纹扩展和损伤演化机制。结果表明:单裂纹岩石试样的裂纹扩展是岩石内部应力集中导致损伤不断积累的结果;裂纹起裂时的裂纹驱动力存在阈值,其大小与材料有关,可以用其评估岩石裂纹起裂的难易程度;裂纹宽度和长度变化曲线与岩石破坏过程具有高度的相关性,可以将岩石破坏分为弹性、裂纹萌生、宏观裂纹出现、裂纹扩展贯通4个阶段;随着裂纹倾角的增加,岩石的破坏类型从拉伸裂纹主导下的张拉破坏转变为剪切裂纹主导下的剪切破坏;裂纹与加载方向的夹角越小,裂纹起裂的位置越靠近岩石预制裂纹端部的压应力集中区,导致裂纹驱动力受到的制约性越强,需要更大的荷载才能达到裂纹起裂的阈值,从机制上解释了裂纹倾角大的岩石微裂纹发育更充分、裂纹长度曲线更光滑的现象。双裂纹岩石试样的裂纹扩展路径受到周围分布的应力场制约,岩桥区是否发生贯通破坏取决于岩桥区的应力类型。研究表明相场法数值模拟对促进岩石裂纹扩展和损伤演化机制的认识具备良好应用前景。

相场断裂模型分步算法在ABAQUS中的实现

首次基于ABAQUS平台实现相场断裂模型的分步算法,利用UMAT/VUMAT子程序接口对非线性平衡方程进行隐式/显式求解,提出位移场和相场的分步求解算法。准静态加载下的I和II型裂缝扩展问题、冲击荷载作用下的I型动态裂缝分叉和II型动态裂缝扩展问题,计算所得结果与已有文献和试验成果基本一致,说明了方法的可靠性;同时,对岩石力学领域中的双平行翼型裂缝相交和动态裂缝三维曲面扩展等问题,也利用该方法进行模拟。计算实例表明,结构储存的较高弹性应变能是脆性材料动态裂缝分叉的主要原因,而相场断裂模型是一种能够计算包括裂缝起裂、相交、分叉和三维曲面扩展的有效断裂计算方法,借助通用有限元平台可以方便地实现其分步算法。