三轴压缩条件下三维裂纹起裂、扩展和连接过程的广义粒子动力学(GPD)数值模拟

摘要

自然界中的岩石是一种受到不同程度损伤的材料，通常含有裂隙等缺陷。原生裂隙的起裂、扩展和连接以及岩体的破坏规律是研究岩体工程失稳和破坏的基础。近年来，研究三维裂隙的起裂、扩展和连接以及岩体的破坏机理已经成为裂隙岩体领域的重要课题。由于实际工程中岩体通常处于三向应力状态，对三轴加载条件下裂隙岩体的破裂过程、扩展机理和强度规律仍需进一步研究。因此，研究裂隙岩体在三轴压缩条件下的裂纹的起裂、扩展和连接以及岩体的强度规律是十分重要的。
　　在真实岩石材料中预制三维裂纹且观测其内部裂纹的起裂和扩展是非常困难的。一些学者采用透明有机玻璃材料(PMMA)作为岩石的相似材料，在低温冷冻条件下进行单轴压缩试验，观测到了三维裂纹的起裂、扩展和连接规律。
　　本文主要基于数值模拟，采用广义粒子动力学(GPD)方法对三维多裂隙有机玻璃(PMMA)试件进行单轴压缩、常规三轴压缩、真三轴压缩下的破坏行为研究，主要研究工作如下：
　　(1)通过广义粒子动力学方法揭示了单轴压缩下三维多裂隙有机玻璃试件中裂纹的起裂、扩展和连接机理，分析了非重叠长度对试件中裂纹起裂、扩展和连接的影响，以及对试件破坏强度的影响；
　　(2)通过广义粒子动力学方法揭示了常规三轴压缩下三维多裂隙有机玻璃试件裂纹的起裂、扩展和连接机理，分析了围压对试件裂纹起裂、扩展和连接以及试件破坏强度的影响；随着围压的增加，试件起裂应力、峰值应力逐渐增加。
　　(3)通过广义粒子动力学方法揭示了真三轴压缩下三维多裂隙有机玻璃试件裂纹的起裂、扩展和连接机理，分析了中间主应力对试件裂纹起裂、扩展和连接以及试件破坏强度的影响；随着中间主应力的增加，试件起裂应力、峰值应力逐渐增加；试件残余强度呈增加趋势。尽管中间主应力的数值模拟范围尚未达到21?=?，但随着中间主应力的增大，峰值应力先增大而后减小的趋势已经出现。
　　(4)通过广义粒子动力学方法揭示了常规三轴压缩下、真三轴压缩下非重叠长度对三维多裂隙有机玻璃试件中裂纹扩展和连接以及试件破坏强度的影响。

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主要符号

1 绪论

1.1 国内外研究综述及现状

1.2 岩体中裂隙的分类

1.3 主要研究内容和技术路线

2 数值模拟方法

2.1 GPD方法的基本思想

2.2 核函数的构造及性质

2.3 GPD法控制方程

2.4 GPD法中固体本构模型

2.5 GPD法中的损伤模型

2.6 本章小结

3 单轴压缩条件下多裂隙起裂、扩展和连接的广义粒子动力

3.1 数值模型的建立

3.2 裂纹扩展及连接模式

3.3 非重叠长度对试件的裂纹扩展的影响

3.4 非重叠长度对试件的力学性能的影响

3.5 本章小结

4 试件C4三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

4.1 常规三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

4.2 真三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

4.3 裂纹起裂的规律

4.4 中间主应力对破坏强度的影响

4.5 本章小结

5 试件C5三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

5.1 常规三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

5.2 真三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

5.3 裂纹起裂的规律

5.4 中间主应力对破坏强度的影响

5.5 本章小结

6 试件C6三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

6.1 常规三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

6.2 真三轴压缩的裂纹扩展数值模拟研究

6.3 裂纹起裂的规律

6.4 中间主应力对破坏强度的影响

6.5 本章小结

7 非重叠长度对试件裂纹扩展、强度的影响

7.1 常规三轴压缩下非重叠长度对试件的裂纹扩展的影响

7.2 真三轴压缩下非重叠长度对试件的裂纹扩展的影响

7.3 常规三轴压缩下非重叠长度对试件的力学性能的影响

7.4 真三轴压缩下非重叠长度对试件的力学性能的影响

7.5 综合分析

7.6 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 本文创新点

8.3 今后研究展望

致谢

参考文献