文摘

研究填料对岩石破裂的影响。通过转向Drucker-Prager强度模型和累积损伤标准,调查,与非线性AUTODYN软件,为裂纹扩展行为crack-filled和空缺试样在单轴动态加载。调查下裂纹萌生位置,顺序和角度,合并模式。根据传播的模式和聚结,裂缝分为三种类型,即。、拉伸翼antiwing和马尾。仿真结果表明,在单轴动态加载下,差异是发现在起始位置,角度,聚结模式标本与裂缝或其他。然而,填充不影响裂纹萌生序列。相同载荷作用下,填充标本损坏不太严重,空缺的标本。

1。介绍

地下能源资源勘探等土木工程建设和地铁建设产生了大规模的研究深入岩石力学(1,2]。地下岩体中含有大量的结构性裂缝等飞机,关节,与不同尺寸和床上用品的飞机,经常受到构造应变和工程扰动(3]。因此,机械性能和岩层的稳定性是不可避免的影响。大量的地下工程实践证明,实行负荷导致内部裂纹扩展和聚结,导致岩体的扰动和破坏4]。获得一个清晰的理解,许多学者进行了物理实验(5- - - - - -7和数值模拟8- - - - - -11]研究裂纹萌生的演化过程,传播和聚结。一般来说,更容易获得比通过物理手段破解行为数值模拟。例如,采用岩石破裂过程分析系统(RFPA)、王等。8)进行了数值模拟实验的双重缺陷岩石试样在单轴压缩和模拟完整的破坏裂纹萌生的具体样本的过程,通过传播和宏观裂纹的形成。采用非线性动态软件AUTODYN,李和黄9)澄清11模式合并的两个裂纹岩石和11模式分为拉伸,剪切,tensile-shear合并按照crack-inducing机制。

岩体爆破引起的动态载荷作用下或地震。在这种情况下,岩石总是经历一个内部开裂过程的裂纹萌生阶段,传播和聚结12]。在爆破中,加载应变率范围在10⁴~ 10³年代¹。人们普遍认为,应变速率小于10⁴年代¹可分为低应变率(由静载荷);应变率范围在10⁴~ 10²年代¹构成了中等应变率(似动力荷载引起的),而应变速率大于10²年代¹可分为高应变率(动态加载引起的)13]。

目前,研究noncoalescent裂纹扩展主要围绕岩石中低紧张。例如,Zhang et al。14)进行调查noncoalescent岩石的强度特性和裂纹合并模式标本的压力下 , ,和 。此外,标本与内部裂纹在不同位置和不同的数字。张先生和黄15采用胶粒子模型和数值模拟研究单个裂纹标本有一定的倾斜角度和在低或中等压力。在低应变单轴加载,李和全16)进行调查的应力-应变曲线特征noncoplanar岩体的裂纹,和接受调查的因素包括裂纹萌生、传播和集成。此外,裂纹萌生的压力和聚结双缺陷试样的应力分析和比较这两个强调单一缺陷样品。到目前为止,研究岩石力学行为在高压力的情况下主要局限于安静的岩石。因此,有必要进行进一步调查聚结过程在高压力的情况下。

事实上,经常有馅料的裂缝。在自然条件下,裂纹可能满是砾石。在实际的工程过程中,他们可能会用混凝土等工程的物质。和填充将减少裂纹周围的应力集中强度,和目前的研究表明,初始载荷为空缺填补裂缝明显高于裂缝和初始开裂位置发现走近终端(17]。

考虑到上述研究,非线性动态软件AUTODYN作为研究方法,和Drucker-Prager强度准则和累积损伤(CD)裴森,应用本文提出的标准(18]。我们将进行调查两共面裂纹的裂纹扩展和聚结过程不同的倾斜角度和在高应变加载。与此同时,馅料对岩石的影响也被认为是失败,希望能得出一些有益的结论,对岩石的整合做出重要贡献。

2。数值模型

2.1。的计算模型

仿真的 采用平面模型如图1。在模型中,有两个共线接头的长度 ,宽度 ,岩桥的长度 ,和倾角是一个变量0°~ 90°。在仿真中,负载将强加在顶部和底部的标本 MPa和加载速率设置为80 MPa /女士,如图2。如图3这样的加载条件下,应变对空缺标本沿方向和角度的45°。从图可以看出,沿着水平方向上的应变标本达到10的数量级³年代¹。

2.2。材料模型

目前数字仿真采用两种材料:矩阵岩石和混凝土用作填充。具体的参数CONC-35MPA直接从数据库AUTODYN材料选择。当谈到Riedel-Hiermaier-Thoma的详细介绍(RHT)模型,请参考文献[19]。在下面,我们将专注于岩石材料的描述模型。

AUTODYN材料的本构模型可以描述为包含三个部分:状态方程、强度模型和失效准则。状态方程用于解决体积变形的问题带来的压力。根据文献[20.),可以选择线性状态方程来描述岩石材料。的强度模型用于解决问题的形状变形带来的偏应力。根据文献[21),这将是适当的使用Drucker-Prager强度准则的力量本构。考虑到一个事实,即宏观裂纹的形成不是一个突然的现象但损伤积累的过程9),累计损伤(CD)被选为失效准则。

通过定义损伤因素 ,CD故障判据确定和用来描述强度下降的渐进破坏过程的材料。损伤因子作为材料变形的函数。当有效的塑性应变低于一定值 , ;当它超过 , 将线性增加到最大 。此时,相应的有效塑性应变 ,如图4。的方程将

在计算的过程中,损害的价值因素将用于修改材料的体积模量 ,剪切模量 ,材料的屈服强度和 。根据文献[19),材料受损最严重时,材料在压缩残留仍保留一定的力量。然而,当拉伸应变下的材料,这样的残渣不能保留。因此,在两个方面屈服强度降低。当的值是正数,静水压力

当它是负的

然而,在压缩过程中,体积模量和剪切模量不受影响。但在拉伸过程中,当到达 ,体积模量和剪切模量将减少到0依照 ,如图5。

黄等。9,21)验证了原理的模拟裂纹扩展的路径通过DPCD模型,表明派生路径与实验结果一致。岩石材料,本研究将采用以下动态参数(9]:强度:2.44克/厘米³;塑料模量:51.92绩点;泊松比:0.18; ; ;和 。

3所示。:数值模拟结果和分析

3.1。裂缝类型和识别

3.1.1。基本的裂缝类型

裂纹的研究主要围绕着研究它的类型,起始位置,传播路径,合并模式。在轻负载时裂纹扩展,岑et al。22)派生的五种基本模式。他们指出high-strained裂纹之间的差异模式和静态加载裂纹模式。此外,这项研究表明二次裂纹的变化从第一阶段的复合裂纹拉伸裂纹在最后阶段。黄和爱因斯坦(5)在他们的实验中发现了类似的现象。在以前的研究中,李和黄9)考虑裂纹的拉伸/剪切属性和传播路径和新开发的基本裂纹类型划分裂缝分为三个:拉伸翼裂纹,antiwing裂纹,马尾裂纹(见图6)。

通过数值模拟,我们也观察到三种类型的裂纹,如图7。从图我们可以看到,不同的裂缝发展根据不同起始序列。空缺的关节,翼裂纹出现,而早期的和一般的联合。启动后,裂纹沿曲线发达,然后转移和扩散对最大压力和沿方向继续传播。在那之后,antiwing和马尾裂缝几乎同时出现。关节,裂纹萌生的序列相似空缺关节。翼裂纹出现,而早期,马尾。但在大多数的模型,antiwing裂缝除了没有被观察到的模型联合倾斜角度0°、45°,分别和75°。

3.1.2。裂缝属性标识

如何评估的动态机制破解吗?在物理实验中,研究人员通常做出判断通过观察其表面平滑和碎碎片的存在。那些表面是光滑,清洁,和少量免费被描述为拉伸裂缝。那些表面粗糙、缩进和碎被描述为剪切裂缝。在我们的论文中,我们将决定裂纹故障的类型(拉伸或剪切)与文献[9),也就是说,通过提取相应的动态参数,比如高斯点的压力,米塞斯应力和屈服应力。

拉伸失败,如图8(一个),时间长短对压力曲线,米塞斯应力和屈服应力的特点如下:(1)在拉伸断裂或屈服之前,压力会积极的价值(2)在拉伸断裂或屈服之前,米塞斯应力和屈服应力都倾向于减少但前者以更大的速度降低(3)当拉伸裂纹的起始阶段,米塞斯应力和屈服应力不一定会减少为零

剪切破坏,如图8 (b),时间长短对压力曲线,米塞斯应力和屈服应力的特点如下:(1)在剪切破坏或产生之前,压力会积极的价值(2)在剪切破坏或产生之前,米塞斯应力和屈服应力均增加,但前增加更大的速度(3)当剪切裂纹的起始阶段,压力,米塞斯应力和屈服应力不一定会减少为零

3.2。裂纹萌生位置和传播路径

起始位置和角度是两个重要指标的描述裂纹断裂行为。翼裂纹萌生通常是由拉伸断裂,最后它使外观或接近结束的关节。在图9(一个),翼裂纹的起始位置在填充和空缺标本在不同关节倾斜角度。它可以清楚地看到从图填充和空缺标本,翼裂纹的起始位置受节理倾角的变化的影响。当倾角00,翼裂纹的起始位置附近的中心。随着倾角的增加,起始位置将逐渐向终端区域。填充和空缺标本之间的区别在于,当倾角相当小(< 30°),前翼裂纹的起始位置靠近圆终端区域。antiwing裂纹的起始位置类似翼裂纹,通常,它可以位于或接近结束的时候,我们可以看到在图9 (b)。从图可以清楚的看到,起始位置也受倾角的变化的影响。角增加,antiwing裂纹的起始位置将从联合其闭式的结束。

更好地描述填充如何影响裂纹休会的路径,在本文中,我们将向翼裂纹开裂角和antiwing起始角 。从图可以看出10拉伸翼裂纹的起始角和填充标本的antiwing裂纹小于那些空缺的标本。在图10 (),翼裂纹的起始角和空标本。从图可以看出,当节理倾角很小(< 15°),翼裂纹开裂角的联合倾角的增加而增加。当倾角继续增加,翼裂纹的起始角将减小。图10 (b)是关于antiwing裂纹的起始角。翼裂纹的研究结果相反,antiwing裂纹的起始角随节理倾角的增加。

3.3。裂纹的合并模式

在摘要中,聚结noncoalescent裂缝模式对7关节倾斜角度研究了共面(0°、15°、30°、45°,60°、75°、90°)。每次倾角作为影响因素,填充和空缺关节进行了研究。因此,14个数值模型建立与仿真结果如图11。没有特别声明,S和T图参考剪切和拉伸裂缝,分别。裂缝类型的识别是由转向裂缝的力学信息。和这一点前面所讨论的,这里将不会进一步讨论。根据文献[6),联合联合模式分为直接合并,间接聚结,noncoalescence。案件被认为是直接合并合并点附近时参考线(见图12(一个))。否则,它将被定义为间接聚结(见图12 (b)和12 (c))。

3.3.1。直接聚结

Zhang et al。14)确信,直接合并很容易发生在两个内部的裂缝。岩石的破坏后,桥,会出现一个共面破碎的概要文件,类似于裂缝。在本文中,我们获得直接合并模式如图11。从图可以看出,在高应变加载下,剪切合并发生只有当节理倾角变化的范围之内 。与空缺的关节,关节倾斜角度在45°和60°,直接剪切合并容易发生裂纹两端的准备。与关节,直接合并可以在内部裂纹的发生只有当节理倾角45°。考虑到黄和李的研究成果23),我们相信当岩桥短( )和联合倾角变化在中等范围内,剪切直接合并可能发生当裂缝角度来完成。

在图7详细的聚结过程描述,由裂纹萌生、传播和聚结。从图可以看出,当直接剪切合并裂纹发生在内部,拉伸翼裂纹已经在稳定传播阶段。此外,外翼裂纹明显长于内部翼裂纹。随着负载的增加,剪切裂纹从准备裂纹的一端到另一端的起始点。最后,两个内部内部裂纹的起始点连接起来,形成一个宏观接合的破碎的乐队。因此,我们得出这样的结论:剪切合并主要发生在岩石中大桥区。

3.3.2。间接聚结

与直接合并相比,数值模拟,间接聚结更频繁了。空接,当倾角很小( ),Y型岩桥之间的合并将主要由antiwing和马尾。当节理倾角相当大( ),岩桥区,tensile-shear合并将机翼和antiwing引起的裂缝。在上述情况下,只有两个裂缝。从图11,可以看出了关节,间接裂纹合并更为复杂,过程通常包括3个或更多的裂缝。例如,当倾角 或30°,岩桥区,tensile-shear化合物会发生聚结的N型。当 ,在聚结,超过3裂缝。此外,上述模式不能直接用来描述裂缝的产生。但是考虑到裂缝属性,我们可以说,这些化合物间接聚结仍然属于tensile-shear类型。当 ,观测到的聚结岩桥区域类似于见证了空缺的关节,也就是说,它将tensile-shear类型,机翼和antiwing引起的裂缝。因此,我们可以得出结论,与一个空缺关节,间接聚结的裂纹倾角的影响。当角很小( ),在岩桥区域,在动态加载下,Y类型的剪切合并发生。当角大( ),tensile-shear复合聚结。

文件已经复杂的岩桥区域的合并模式,即主要模式将tensile-shear化合物。但值得一提的是,当倾角 或90°,这并不容易发生聚结的准备结束内部裂纹。

3.4。节理岩体的损伤分析

在图13相同载荷作用下,损伤空缺的填补标本,标本比较条件下 或90°。显然从图,通过单轴压缩,在相同的负载,损害了标本是那么严重比空缺标本,显示了标本的抗裂性大于空缺的标本。这可以主要归因于这一事实改变了裂纹周围的应力分布,导致应力值的减少和分布面积的缩小。根据最大拉伸断裂力学理论和岩石的力学性能,我们知道的减少拉应力在裂纹尖端增加了岩石材料的抗裂性24]。

4所示。结论

通过将数值模拟,进行了调查为填充单轴动态载荷作用下的裂纹扩展的函数。等角度起始位置,顺序和角,和聚结模式,填充和空缺标本的裂纹行为与结论如下:(1)标本,填补空缺,联合倾角的增加,抗拉翼裂纹的起始位置将搬到圆的关节。当倾角很小( ),翼裂纹的起始位置附近的填充标本是圆的。法律管理antiwing裂纹的起始位置的行为有悖于法律管理的行为拉翼裂纹的起始位置,随着倾角的增大,裂纹的起始位置将搬到末尾的闭式的关节(2)填充标本,拉伸翼裂纹的起始角和antiwing裂纹小于空缺标本(3)裂纹合并模式受到联合倾角和裂缝充填。试样的裂纹是否满与否,在单轴压缩下,只有当节理倾角变化中等水平可以直接合并发生。和间接聚结可以更频繁地目睹了比数值模拟的直接聚结(4)在单轴压缩下,相同的加载,裂缝填充的标本是损坏严重低于裂缝空缺的标本

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中国国家重点研究和开发项目(2017 yfc0603003),中国国家自然科学基金(51974009和51974009),安徽省的关键研究和发展项目(201904 a07020010),安徽的主要人才项目“特别支持项目”,安徽省学术和技术领导研究活动资金(2018 d187),卓越人才培养计划的高中(gxbjZD2016051)和创新团队建设项目安徽高中研究平台。