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岩桥拉张破裂数值模拟研究

危烽  
【摘要】:岩桥是岩体承受外力的主要内部结构,岩桥和裂纹共同承担载荷作用,岩体的破坏通常是由裂纹和岩桥共同破坏组成。由于岩桥的存在,使非贯通裂纹岩体的受力及破坏特征发生了质的变化,裂纹端部应力高度集中,将导致脆性断裂破坏,整体破坏特征表现为预制裂纹的扩展和预制裂纹尖端产生的翼裂纹引起岩桥破裂所组成的复合破坏。分析裂纹岩体强度特性及其变形破坏机制,是研究岩体特性的基础性工作,可以合理地预测实际工程的可能破坏模式和评价工程岩体的稳定。 文章研究岩桥拉张破裂的演化过程,探讨岩桥破裂的规律。主要介绍了I型裂纹尖端的应力场和位移场,裂纹失稳扩展的准则和岩桥力学性质弱化分析等相关理论,以岩石受拉破坏的理论为基础,给出了岩石拉张破裂的四个判据,建立有限元模型,分析模拟岩桥拉张破裂的结果。有限元方法是目前应用最为广泛的研究工具,但是传统的有限元方法,是建立在连续性假设基础上的,不能模拟岩石拉张破裂后形成的不连续结构,不能直接处理岩石拉破坏现象问题。本文利用可描述拉张破裂的有限元方法,对不同倾角,不同裂纹数目,不同裂纹尺寸,不同侧压的情况下,岩桥拉张破裂演化过程进行数值模拟。 模拟结果显示,在单轴压缩条件下,对于同一裂纹角度、相等距离的两组平行预裂纹,在不同的岩桥倾角条件下,预裂纹扩展程度不同;岩桥倾角越大,岩桥越容易拉张破坏。岩桥倾角一定时,裂纹倾角越大,拉应力越在岩桥区域集中,预制裂纹大于75°时,拉应力逐渐在岩体中均匀分布。裂纹数量增加,岩桥越容易拉张破坏,贯通趋势明显,裂纹的尺寸对裂纹的扩展程度有影响,对裂纹的破坏形式没有影响,围压对裂纹萌生,扩展、相互作用都有很大的影响。拉张破裂有限元程序模拟岩桥拉张破裂的整个过程,为研究岩桥的贯通及裂纹的扩展规律提供新的研究方法。


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