岩石破裂过程的数值模拟研究(2)

第&L卷第4期黄明利等$岩石破裂过程的数值模拟研究e4fJe

根据这一准则!单元的破坏可能是拉坏也可能是剪坏"

#$#计算数学模型%$%$&模型说明

为便于与本文所进行的带预制裂纹大理岩扫描电子显微镜’实验结果进行对比’见图&+!设()*+

计如图%所示的计算模型!计算范围为%,--.&,$,/0,$1/--!考虑大理岩中颗粒的平均粒径为,

,,.&,,2%,,,,个等面积单元!--!共划分为%

%

&,,个3--"裂纹预置在试样的中部!长为/--!与长边夹角为4/5"采用平面应力分析"为了研究材

为&步!每步加载量为3K"模拟过程共计加载&/,,$,,,/--"

P计算结果分析

为分析岩石均质度对其裂纹扩展过程的影响!

共进行了三个方案的模拟!因篇幅所限!只在图1

中列出有代表性结果!其中的四幅图皆为能代表’+M

中大理岩试样均质度相近的试样Q&和Q%表示和图%

在不同载荷阶段的声发射图SQ1为均质体到峰值强度T/U时的破坏图SV为均质度不同的两体试B的L

样到峰值强度L/U的破坏图"下面对此结果进行简要对比分析"

破坏’&+均匀材料中裂纹扩展的数值模拟表明!基本沿裂纹两端对称萌生和扩展’见图1中Q1+!所形成的主裂纹从宏观上看较光滑"模拟结果和文用树脂材料所做结果很吻合!也符合经典断裂E&&F

%;

力学有关翼型裂纹扩展的解析结果!说明789:方法对于脆性材料中裂纹扩展过程的模拟是可行的"’%+对于非均质的大理岩!对比图&和图1中Q&!Q%的实验和数值模拟结果!两者表现极强的一致性"由于实际岩石中晶粒和缺陷的随机分布!当受到外载荷时!由于各矿物对力的传递效率和自身变

破坏过程时空分布的声发射图!QR表示单岩体试样S

料显著非均质性对裂纹扩展过程的影响!同时又设计了裂纹两端伸入均质度不同的两岩体模型!如图%’+!白色表示均质度较好岩石!暗色表示均质度较6

差岩石"

%$%$%力学参数说明

%;

789:程序以某种分布形式对材料强度和弹性模量进行初始赋值"本文采用韦布尔’<=>6?@@+分布A’C!D+来近似反映缺陷和晶粒等各微元强度等力B

学参数的不同"根据文E&,F中结论知!韦布尔参量C是材料的结构参数!它反映了材料结构中缺陷分布不规则程度!在量值上是该材料结构分形维数G的%倍"其中参数C越大!表明岩石的性质越均匀"D为反映岩石材料平均性质的参数"本模型中!岩体力学参数如下H弹模I2JKL,,*9M!NJ,B2&

2,$%/"均质岩体C值取为&,,!非*9M!泊松比O均质体取为1"为了与试验模型一致!这里的割缝为

完全贯通的裂纹!在如图%所示的受力状态下!该裂缝不会闭合!而将不断地扩展"

单元破坏准则中的摩擦角取为1,5!拉压强度比

形不同!必然引起岩石内部应力场的不均匀分布!起初微破裂杂乱无章分布!随着载荷增加!微裂纹

产生局部应力集中!导致胶结最弱部位微裂纹产生"

逐渐在预置裂纹端部集中!当达到峰值强度/,U时!

并逐渐汇集W贯通成肉眼可见的宏观裂纹!方向大角S随着外载荷的致与预置裂纹垂直!与外力成4/5

图&预制裂纹大理岩试样裂纹扩展()*

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’+单体模型M’+两体模型6

图%计算数学模型

万方数据

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