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岩石材料剪切破坏的有限元分析

发布于:2018-06-08 19:32
有限元分析

      工程材料的基本破坏形式有脆性断裂和塑性屈服两种,其中脆性断裂的理论包括最大拉应力理论和最大线应变理论,塑性屈服理论中有最大剪应力理论和形状改变能密度理论。目前岩石力学领域应用的主要有限元分析中强度理论、准则和统一强度理论等均为剪切强度理论,准则为脆断强度理论,准则为基于试验的经验型强度准则。
      岩石材料破坏是一个复杂的过程,大量研究发现岩石破坏(尤其是硬岩破坏)有明显的脆性剪切破坏特征,即破坏中存在脆断破裂和剪切滑动两种变形破坏机制,而常规强度准则在理论说明和强度计算上都出现了不同程度的偏差.随着地下开挖深度的不断增大“脆性增强”现象的研究也成为深部岩体本构特性的一个重要课题,针对岩石、岩体的脆性剪切破坏特征,Martin在20世纪90年代提出了针对脆性硬岩破坏的强度准则中的强度参数准则。赵星光结合岩石峰后本构试验结果,建立基于脆性硬岩的隧道剪胀模型,得到了与实际破坏范围较为一致的结果。Cai等采用模拟和理论分析手段对单轴压缩条件下的破坏形式和裂隙演化进行了分析,Peng等也提出了岩石剪切破坏过程理论,如图所示,图中分别为初试应力、裂隙闭合应力、裂隙扩展应力和裂隙破坏应力。上述理论建立在宏观岩石力学强度理论基础上,无法对岩石破坏过程中脆性破损的族簇裂隙出现和发展的现象进行分析,因此在脆性剪切破坏的计算分析中需加入岩石断裂力学的理论补充。近年来发展的岩石断裂力学虽然能够从原理上说明单裂隙和双裂隙简单情况下的岩石类似拉破坏的破坏现象,但目前尚缺乏有效理论和数据分析来进行工程应用方面的研究。因此,本研究综合断裂力学和岩石弹塑性力学机理,对岩石脆性剪切破坏机制进行研究,结合自身工程试验数据建立适合深脆性剪切破坏机制下的强度分析方法,并对具体工程进行稳定性分析,提出工程建议。
      脆断破坏是断裂力学研究的主要破坏形式。断裂力学中,针对裂隙开展的判据也分为四大类,即最大周向应力理论、应变能密度因子理论、最大能量释放率理论和最大张应力理论,其中应用较广的是最大能量释放率理论和最大张应力理论。李世愚等对理想脆性材料的受压条件下的裂缝的扩展进行了试验和理论研究,研究结果显示,脆性材料的破坏是一种张拐式裂纹破坏模式,不同类型的裂隙组合可以使材料的整体强度有不同程度的降低,但是目前对裂隙组合条件下的破坏分析只限于定性分析或者简单裂隙组合下的定量分析。天然岩体材料中,岩石的张性破裂强度不等同于实验室内的简单裂隙组合计算结果,虽然从理论上能得到一些定性的结果,但根据相应裂隙发展路径得到具体岩样破裂强度的想法,也由于天然岩体裂隙组合复杂多变的原因而不可实现。因而,针对此种破坏类型的计算分析及工程应用还应从宏观可测物理量来寻求能反映整体规律的解决方法,以强度理论和Tresca理论等为代表的剪切破坏理论是目前岩石材料强度分析的主要理论。
      剪切破坏理论认为破裂面沿自身所在平面持续扩展,理论给出了岩石破坏面角度计算方法,见图,e为破坏面倾角,从莫尔圆分析中可以得到,剪切破坏条件下岩石破坏面角度,因此剪切破坏理论无法说明岩石材料破坏中出现的折拐张性裂隙扩展情况,对部分脆性岩石在单轴压缩条件下出现的竖向破裂面也不能给出合理的分析结果。但是,从岩石断裂力学中可以得出准则是断裂力学中确定的最优裂纹角度,说明理论实际上是确定了微裂纹群体中最早破裂的裂纹集合。因此,岩石材料在破坏过程中脆断破坏是裂隙发育的结果,而剪切破坏是裂隙集群化综合作用的表现,二者有区别也存在联系。由于岩石材料中天然地存在微裂隙,而且较土体材料有一定脆性,因此岩石材料发生的是脆断、剪切两种破坏模式的综合性破坏过程。


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