岩石初始损伤的断裂行为:理论、实验和数值研究

文摘

Geomaterials等岩体通常有初始伤害的影响下长期地质作用和水化腐蚀环境。初始损伤影响岩体的完整性和稳定性,导致裂隙岩体的力学性能差异,完好无损。因此,研究裂隙岩体的断裂和故障特征具有重要意义。大多数以前的研究岩石的断裂行为与最初的损伤都是基于模型测试、理论分析和数值模拟岩体与先前存在的缺陷。本文集中于理论、实验和数值努力一直致力于岩石的断裂特征或与先前存在的缺陷如磐石般坚韧的标本压缩。一些建议未来在这一领域的研究工作。

1。介绍

在实际工程结构中,天然岩体通常有初始伤害等关节和裂缝的影响下长期地质作用和水化腐蚀环境。这些缺陷影响岩石的完整性,导致非线性,非均匀、各向异性等特性的岩体(1,2]。裂缝性岩体的力学性能明显不同于完整岩石。地壳应力和外部载荷的作用下,应力集中将出现在岩体的缺陷,导致启动,新裂缝的扩展和聚结和最后的破坏岩体3- - - - - -7]。因此,研究裂隙岩体的断裂和故障特征是对工程具有重要意义。

大多数研究裂隙岩体的断裂和机制特点是基于岩石模型的研究与先前存在的缺陷(8- - - - - -13]。和目前的研究主要集中在探索裂纹萌生标准,小模型试验和数值模拟。许多学者努力致力于这个研究领域,取得了丰硕成果14- - - - - -17]。然而,在这一领域研究成果的不断积累,为了避免重复工作或无意义的工作,有必要分析和总结这些研究成果。一个有效的总结可以提取一般法律从现有的研究,并以此来指导实践。另一方面,它也可以找到空缺,从现有的研究不足,从而指出后续研究的方向的学者。

考虑到很少有工作总结目前岩石初始损伤的断裂行为,本文简要总结这些成果在理论、实验和数值方面旨在让读者了解这一领域的研究进展,给他们建议和未来研究方向的问题。

2。理论成果断裂准则

裂缝条件下的缺陷和裂纹萌生机制压缩岩石断裂力学问题至关重要。倾向于先前存在的缺陷在岩石模型往往压缩和剪切应力条件下,和这些岩石的断裂模式下压缩通常是一种复杂的。目前,最基本和常用的复杂标准最大切向应力准则(18,19),最大能量释放率准则(20.- - - - - -22),和最小应变能密度因子准则(23]。许多其他标准开发基于他们(24]。

最大切向应力准则理论是应用最广泛的标准可以被描述为以下几点:(1)裂纹沿最大切向应力方向提升者,(2)当缺陷尖端的最大切向应力达到临界值时,裂纹开始。相应的公式如下: 在哪里提示和切向应力缺陷吗切向应力的临界值。分析结果可以反映断裂的不同类型的裂缝的作用下张力和压缩,和获得的结果与实验结果有很好的一致性,这使得它广泛应用于理论研究和实际工程的岩石破裂25- - - - - -28]。

硅(23]提出了最小应变能密度因子准则和描述裂纹将沿着方向的最小应变能密度因子达到临界值时: 在哪里应变能密度因子和吗的临界值是应变能密度因子。这一理论的应用方便,二维模型是在良好的协议与实验结果29日- - - - - -31日]。然而,有许多争议的原因,这一理论之间的联系和材料破坏的物理性质还不清楚。

最大能量释放率判据是另一个被广泛应用的能源标准(32,33]。建议时,裂纹将最大能量释放率达到一个临界值,可以很容易被接受在物理层面: 在哪里能量释放率和吗的临界值是能量释放率。然而,能量释放率的值不容易获得当裂纹将不是沿着方向的原始缺陷,,很难解释实验观察到的断裂路径。

随着岩石断裂力学的发展,还有许多其他的理论提出了基于上述经典标准。Matvienko [34)提出了最大平均切向应力(平均拉应力沿前切口行)理论,这表明,如磐石般坚韧的材料的裂纹增长一直延伸的方向平均最大周向应力在该地区附近的缺陷。汗和Khraisheh35)提出了一种修改最大切向应力准则最大切向应力的基础上,考虑到弹塑性边界缺陷的小费。沈(36,37提出一个修改 - - - - - -标准裂纹扩展受到压缩命名为“ - - - - - -标准。”

这些古典和修改标准大多是基于模式我骨折骨折(紧张),很少考虑震支座的模式II断裂缺陷。模式二世断裂nonignorable,许多学者提出了他们的理论预测这种断裂模式(38- - - - - -40]。太阳(38,39]分析了缺陷尖端的应力场在纯剪下,发达国家的标准最大切向拉应力,并使法官的剪切破坏类型成为可能。基于能量释放率判据,Chang et al。40)开发了一个更一般的复合断裂准则,可用于i ii复合断裂问题,而且大部分的断裂标准可能会退化。

然而,直到现在,许多断裂力学理论仍有争议,也有缺乏普遍适用的或公认的理论。此外,理论研究岩石裂缝主要集中在二维裂纹扩展,而很少有研究三维裂纹,因为这种情况下的复杂性。因此,理论研究岩石断裂在未来应该着重探索更合理的二维断裂理论和加强研究三维裂纹扩展。

3所示。实验标本和结果

实验研究是一个主要途径探索岩石的失效模式和断裂机制为其功能更直接的反映岩石裂缝发展的实际情况和真实地。在过去的几十年中,学者们应用各种各样的标本,不同材料,数量和类型的现有二维缺陷如表所示1。

毫无疑问,自然岩石实验的理想材料,应首选的研究人员(41,42,44- - - - - -47,49,63年,64年]。使用最广泛的岩石材料是花岗岩、砂岩、大理石。此外,如磐石般坚韧的材料,如水泥砂浆、石膏、玻璃、和PMMA(有机玻璃),也可以应用于制作标本模拟岩石的原因,他们有类似的机械性能与岩石和很容易产生50,51,54,56- - - - - -58]。

许多学者采用标本含有不同数量的先前存在的缺陷调查岩体的断裂特征和不同数量的关节。个漏洞标本常用于研究裂纹萌生和传播(3,8,10,59),尽管multiflaw标本主要是用来研究的互动先前存在的缺陷和裂纹萌生后的聚结和传播12,55,60]。大量的实验研究表明,裂纹萌生的2 d先前存在的缺陷通常可以分为两种类型(9,39,64年]:翼(或主要)裂缝和次生裂缝如图1。翼裂纹出现第一,发起的拉伸裂纹缺陷的技巧和传播以稳定的方式向最大压缩的方向。次生裂缝通常称为剪切裂缝或剪切区。次生裂缝发起技巧的缺陷,和两个方向是:(1)共面或quasicoplanar缺陷和(2)倾向类似于机翼裂缝但相反的方向(antiwing裂纹)。

除了一个缺陷,标本含有两个或两个以上的缺陷总是用来研究裂缝的合并模式。沈et al。65年)观察到裂纹的合并模式取决于fracture-bridge倾向,表示5类型的聚结。Bobet和爱因斯坦(48]对石膏试件进行了单轴和双轴压缩试验与先前存在的缺陷和识别五种不同类型的聚结与拉伸和剪切过程的结合。公园和Bobet [60)发现,在标本与两个以上缺陷,合并可能产生的链接通过翼裂纹,次生裂缝,或它们的组合。图S1提出了一些实验结果的岩石标本,其中包含一个以上的缺陷。可以清楚的看到,先前存在的缺陷样本是相互关联的,和不同的数量和位置的缺陷会导致不同类型的裂纹合并。

由于试验条件的限制,大部分的实验研究上面提到的萌生和扩展是二维缺陷。然而,大多数的缺陷实际岩体三维缺陷,通常是在内部岩体的一部分。此外,大多数的学者们所使用的模拟材料不透明的材料,使得它难以直接观察岩石断裂的起始和传播过程和理解的传播状态裂缝在不同应力状态下的岩体。因此,研究三维缺陷取得缓慢进展的很长一段时间。在1990年代,Dyskin et al。66年- - - - - -68年)用树脂材料制作标本与三维表面缺陷。单轴和三轴压缩试验被进行低温治疗后这些标本。实验结果表明,翼裂纹的增长停止,当它生长在一定程度上由于包膜翼裂纹生成的边缘预制缺陷。这是完全不同的2 d的情况。2004年,黄等。58)采用大理石和PMMA标本包含三维表面缺陷研究这种缺陷的扩张机制。在测试期间,发现不仅翼裂纹也是隔板裂纹(图S2),并没有出现在二维情况下出现在顶端区域的缺陷。这项研究表明,表面裂纹的传播过程是影响材料性能,试样厚度、缺陷深度、倾角和缺陷。2016年,朱镕基et al。69年)开发了一种透明如磐石般坚韧的材料与岩石性质相似的观察和研究的传播和连接机制内部三维缺陷。实验结果表明,二次裂缝有不同的传播和贯穿模式在不同间距桥角度和缺陷。二级裂缝观察到在测试包括翼裂纹,antiwing裂缝,花瓣——就像紧张和剪切的作用下裂缝。

无论在二维或三维的情况下,许多上述实验结果表明,在岩石初始损伤对其力学性能和断裂过程产生巨大的影响,这体现在以下几点:(1)岩石的强度与初始伤害远远少于完整岩石。(2)初始损伤裂纹萌生的诱因。在载荷的作用下,几乎所有的裂缝开始从先前存在的缺陷。和(3)数量、位置和初始缺陷的类型将决定启动,传播,和聚结的裂缝引起的外部压力,导致不同失效模式的标本。

几乎所有的试验研究三维缺陷发现有许多三维缺陷和岩体二维缺陷之间的差异,这表明三维缺陷的实验测试研究是极其必要的实际岩体的缺陷。另外,大多数的三维实验关注三维表面缺陷使用完全均匀透明的材料。考虑到大多数的缺陷岩体位于岩体和岩石材料的内部是异构的,在这一领域未来的研究应该关注三维内部缺陷,找到更合适的材料来模拟非均质性的影响岩体的断裂。

4所示。数值模拟方法

近年来,随着数学和力学理论的深入和计算机技术的迅速发展,数值模拟方法已广泛应用于岩土工程的理论研究和工程问题处理(70年- - - - - -77年]。有节的岩石的主要数值模拟方法相关质量问题有限元方法(FEM),有限差分法(FDM),得到水方法(EFM)和边界元法(BEM),离散单元法(DEM),数值流形方法(NMM)和非连续变形分析(DDA)。

有限元法是广泛使用的模拟方法研究岩石断裂力学[78年,79年]。解在裂纹尖端应力场的应力强度因子的计算, - - - - - -积分都可以通过有限元法解决。Bittencourt et al。80年)使用本地网格调整技术来模拟裂纹扩展的线性弹性材料的二维有限元程序。李和黄81年]分析了倾角存在的缺陷影响潜在的裂纹的起始位置和角度有限元分析应力场分布。然而,有限元模拟岩石破裂过程中有很多不便。例如,当裂纹扩展分析和一些非常大变形问题,它需要不断地重新划分网格,因此增加了工作量。为了避免这些问题,1999年,Belytschko [82年,83年)提出了一种新的方法来处理不连续problem-Extended有限元法(XFEM)。在XFEM,有限元网格和裂纹是相互独立的,这使得它方便分析裂纹的不连续的身体,导致其广泛的应用[84年- - - - - -86年]。谢et al。87年]使用XFEM探讨裂纹萌生和传播与封闭裂缝如磐石般坚韧的材料在单轴压缩下。壮族et al。88年比较空缺的断裂行为和既存的缺陷由XFEM,发现他们在裂纹萌生的压力和角度是不同的。

FLAC^{3 d}是使用最广泛的FDM软件可以解决许多复杂的工程问题,难以模拟的有限元程序,因为其快速拉格朗日显式有限差分方法。傅et al。89年elastic-brittle理论到FLAC)导入一个新的修改^{3 d}模拟裂隙岩体断裂发展,与实验结果有很好的一致性。采用FLAC^{3 d}郭et al。90年)完美地表达了脆性材料在压缩的一般特征包括压裂过程和AE事件以及应力-应变曲线,发现峰值应力和裂纹萌生的压力都是异质性的依赖。

计算技术的快速发展,越来越多的学者关注DEM模拟岩石材料的裂纹萌生和传播(91年]。民主党对岩石材料作为一个集体由大量微小粒子组成的。裂纹萌生和传播,PFC已经被学者广泛接受,数值结果与实验结果显示伟大的协议(92年- - - - - -103年]。Potyondy [92年)详细介绍了颗粒流的基本原理,采用了结合粒子模型(BPM)来模拟岩石材料的力学性能。Manouchehrian et al。93年)应用BPM土坡研究缺陷的影响方向裂纹扩展机制在岩石等脆性材料在不同压缩载荷。数值结果表明,该缺陷倾角和约束压力对裂纹萌生强烈的影响和传播行为。基于平行键模型,和黄94年]研究了单轴压缩载荷作用下裂纹萌生与传播方式,得到了类似的结果与Manouchehrian et al。93年]。

图S3的仿真结果显示了一个比较模拟岩石破裂过程的三个最常用的方法。XFEM裂纹路径可以清楚的看到,但受限于单一开裂条件的选择,只有翼裂纹出现在仿真结果,没有其他次生裂缝出现。在FLAC^{3 d},因为不可分割的网,没有真正的裂纹在仿真结果中,只有塑料元素可以用来表示岩石的失败,和图中所示的裂纹是由塑料组成的元素。与上述两种方法相比,PFC在模拟岩石开裂有很大的优势。粒子之间的键的断裂是应用于模拟岩石破裂,哪个更符合实际情况。此外,它可以模拟拉伸裂纹的萌生和扩展,同时剪切裂缝。这使得其仿真结果接近实验结果在许多模拟方法。因此,民主党所代表的PFC逐渐成为使用最广泛的方法来模拟岩石破裂行为。

值得注意的是,虽然许多研究人员采用数值方法模拟压缩的岩石标本与初始缺陷,仿真结果往往与实际情况不同。主要原因是目前的模拟方法通常认为模拟的材料完全均匀,不考虑材料的力学性能的削弱扩张造成的裂缝在压缩过程中,这是与实际情况有很大不同。因此,未来的数值模拟研究应该重点解决上述两个问题,使仿真结果更实用。

5。讨论和结论

骨折和故障特征的研究裂隙岩体工程具有相当大的意义。本文总结了最近的调查成果的断裂行为岩石初始损伤理论、实验和数值方面,分别提出了对未来研究的建议。

提出了许多断裂准则,可以描述precracked标本压缩下的断裂行为。然而,直到现在,有一个缺乏普遍适用的或公认的理论。很少有研究在三维缺陷。因此,理论研究岩石断裂在未来应该着重探索更合理的二维断裂理论和加强研究三维裂纹扩展。

大量的实验结果与先前存在的缺陷在岩石标本显示,经常有两种类型的裂缝在二维情况下:翼裂纹和二次裂纹。和聚结类型裂缝的标本与多个依赖于几何缺陷的缺陷。此外,许多三维缺陷和岩体二维缺陷之间的差异已经找到,这表明三维缺陷的实验测试研究是极其必要的实际岩体的缺陷。因此,在这一领域未来的研究应该关注三维内部缺陷,找到更合适的材料来模拟非均质性的影响岩体的断裂。

数值模拟是一个有益的补充和验证的实验分析和理论研究。不同的方法已经表明,可以大幅模拟样本的断裂行为与先前存在的缺陷。民主党,这显示了一个实质性的裂纹萌生和传播的优势,已逐渐被更多的学者。未来的数值模拟研究应该重点考虑材料的非均质性和材料的机械性能的削弱在裂纹扩展的过程中,使仿真结果更实用。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

作者的贡献

回族张提供文章的想法和写的文本。郭Panpan提供详细指导本文的方法。黟县王主要收集这个研究领域的理论成果。Yanlin赵,林挂,刘燕,Yahui邵修改论文的最终版本。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51774107号,51774322,51774131,51874112),中央大学的基础研究基金(JD2020JGPY0011),爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学)(没有。KFJJ19-02M),湖南省自然科学基金(2018号jj2500)。

补充材料

图S1:一些实验结果的岩石标本包含不止一个缺陷:(一)两个缺陷8];(b)(三个缺陷43];(c)多个缺陷(51]。图S2:花瓣裂缝包含3 d表面缺陷的标本观察到黄等。58]。仿真结果图S3:不同的裂缝岩石标本:(一)XFEM [86年];(b) FLAC^{3 d}(89年];(c) PFC (51]。(补充材料)

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