基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2022.12.016

东北大学学报（自然科学版） ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (12): 1784-1791.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2022.12.016

基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型

彭志雄，曾亚武

(武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉430072)

发布日期:2022-12-26
通讯作者: 彭志雄
作者简介:彭志雄(1992-)，男，湖北武汉人，武汉大学博士研究生；曾亚武(1964-)，男，湖北武汉人，武汉大学教授，博士生导师.
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(41772308).

Microcrack Propagation-Based Damage Mechanics Model of Rock

PENG Zhi-xiong， ZENG Ya-wu

School of Civil Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China.

Published:2022-12-26
Contact: ZENG Ya-wu
About author:-
Supported by:
-

摘要/Abstract

摘要： 在分析裂纹起裂与扩展规律基础上，考虑翼裂纹间的相互作用，提出了一种新的翼裂纹尖端I型应力强度因子计算模型.基于修正的翼裂纹扩展模型，考虑损伤演化对被激活微裂纹数目的影响，并结合宏-细观损伤定义之间的关系，建立了基于微裂纹扩展作用下的岩石损伤本构模型.最后，将理论模型曲线与试验曲线进行了比较分析.结果表明:修正的翼裂纹扩展模型不仅能够准确地预测翼裂纹的起裂角，而且能够准确地模拟从极短到很长的翼裂纹整个变化范围.基于裂纹扩展作用下的损伤模型能够连续地模拟不同围压下的应力-应变全过程曲线，而且能够较好地预测峰值强度.

关键词: 岩石力学；翼裂纹；宏-细观损伤；应力-应变曲线；应力强度因子

Abstract: Through studying the cracking and propagation law of compressive-shear cracks in rock under remote stress field， a new calculation model for the mode-I stress intensity factor at wing crack tip was proposed by considering the interaction of wing cracks. Based on the modified wing crack propagation model， considering the damage evolution on the number of the activated microcracks， a microcrack propagation-based damage model for rock was established by combining the relationship between macro-micro definition of rock damage. Finally， the theoretical curves of proposed damage model were compared with the experimental curves. The results showed that the modified wing crack propagation model can not only accurately predict the cracking angle of wing crack， but also simulate the whole range of variation of wing crack length from being extremely short to very long. The microcrack propagation-based damage model can not only continuously describe the stress-strain curves under different confining pressures， but also predict the peak strength well.

Key words: rock mechanics; wing crack; macro-micro damage; stress-strain curves; stress intensity factor

中图分类号:

TU45

彭志雄，曾亚武. 基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(12): 1784-1791.

PENG Zhi-xiong， ZENG Ya-wu. Microcrack Propagation-Based Damage Mechanics Model of Rock[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2022, 43(12): 1784-1791.

参考文献

[1]Horri H，Nemat-Nasser S.Compression-induced micro-crack growth in brittle solids:axial splitting and shear failure［J］.Journal of Geophysical Research，1985，90:3105-3125.
[2]Horri H，Nemat-Nasser S.Brittle failure in compression:splitting，faulting and brittle-ductile transition［J］.Philosophical Transactions of The Royal Society A:Mathematical Physical and Engineering Sciences，1986，139:337-374.
[3]Ashby M F，Hallam S D.The failure of brittle solids containing small cracks under compressive stress states［J］.Acta Metallurgica，1986，34(3):497-510.
[4]李明，张砚琨，赵歧，等.基于EPHF模型均质多孔岩石材料水力压裂特性［J］.东北大学学报(自然科学版)，2021，42(7):994-1004.(Li Ming，Zhang Yan-kun，Zhao Qi，et al.Characteristic of hydraulic fracture in homogeneous porous rock material based on EPHF model［J］.Journal of Northeastern University(Natural Science)，2021，42(7):994-1004.)
[5]Zhou X P.Triaxial compressive behavior of rock with mesoscopic heterogenous behavior:strain energy density factor approach［J］.Theoretical and Applied Fracture Mechanics，2005，45(1):46-63.
[6]Huang C Y，Subhash G，Vitton S J.A dynamic damage growth model for uniaxial compressive response of rock aggregates［J］.Mechanics of Materials，2002，34(5):267-277.
[7]Bhat H S，Rosakis A J，Sammis C G.A micromechanics based constitutive model for brittle failure at high strain rates［J］.Journal of Applied Mechanics，2012，79(3):031016.
[8]Kemeny J M，Cook N G W.A model for non-linear rock deformation under compression due to sub-critical crack growth［J］.International Journal of Rock Mechanics & Mining Science & Geomechanics Abstracts，1991，28(6):459-467.
[9]Ashby M F，Sammis C G.The damage mechanics of brittle solids in compression［J］.Pure & Applied Geophysics，1990，133(3):489-521.
[10]Steif P S.Crack extension under compressive loading［J］.Engineering Fracture Mechanics，1984，20(3):463-473.
[11]Lehner F，Kachanov M.On modeling of ″winged″ cracks forming under compression［J］.International Journal of Fracture，1996，77(4):65-75.
[12]Cotterell B，Rice J R.Slightly curved or kinked cracks［J］.International Journal of Fracture，1980，16(2):155-169.
[13]Chen Z H，Tang C A，Huang R Q.A double rock sample model for rockbursts［J］.International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，1997，34(6):991-1000.
[14]Walsh J B.The effect of cracks on the compressibility of rock［J］.Journal of Geophysical Research，1965，70(2):381-389.
[15]Bhat H S，Sammis C G，Rosakis A J.The micromechanics of Westerley granite at large compressive loads［J］.Pure & Applied Geophysics，2011，168(12):2181-2198.
[16]杨建华，张文举，卢文波，等.深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制［J］.岩石力学与工程学报，2013，32(6):1222-1228.(Yang Jian-hua，Zhang Wen-ju，Lu Wen-bo，et al.Cracking mechanism of surrounding rock induced by release of excavation load in deep tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(6):1222-1228.)
[17]Martin C D，Chandler N A.The progressive fracture of Lac du Bonnet granite［J］.International Journal of Rock Mechanics & Mining Science & Geomechanics Abstracts，1994，31(6):643-659.

基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型

Microcrack Propagation-Based Damage Mechanics Model of Rock

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	贾蓬，李博，祝鹏程，王琦伟. 单轴受压高温损伤砂岩的电学响应特征[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(4): 558-564.
[2]	康玉梅，谷今，魏梦琦. 不同加载速率下软硬互层类岩石力学及声发射特性[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(3): 399-407.
[3]	纪洪广，陈东升，苏晓波，权道路. 基于三轴加卸载试验的花岗岩弹性模量变异与能量演化分析[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(3): 415-423.
[4]	王述红，朱宝强，张泽. 基于改进理想点模型的岩体结构面分级方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(1): 117-123.
[5]	韩滔，金长宇，鲁宇，刘冬. 岩体裂隙区全长黏结锚杆应变测试方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(1): 131-138.
[6]	李光，马凤山，郭捷，赵海军. 大尺寸工程模型试验中的相似材料配比试验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(11): 1653-1660.
[7]	王述红，朱宝强，王鹏宇. 模拟退火聚类算法在结构面产状分组中的应用[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(9): 1328-1333.
[8]	付腾飞，徐涛，朱万成，王兴伟. 基于多晶离散元法的砂岩三轴压缩损伤特性[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(7): 968-974.
[9]	王鹏宇，朱承金，王述红，姚骞. 预制管廊横向接头抗弯力学模型及取值方法[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(5): 629-634.
[10]	张泽，王述红，杨天娇，张雨浓. 寒区隧道围岩水热耦合数值分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(5): 635-641.
[11]	朱承金，王述红，任艺鹏，孙子涵. 无人机摄影测量边坡结构面及块体稳定分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(11): 1636-1641.
[12]	贾蓬，张瑶，刘冬桥，张亚兵. 真三轴条件下单裂隙砂岩破坏过程的颗粒流模拟[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(11): 1654-1659.
[13]	杨天娇，王述红，张泽，高钰. 寒区隧道围岩水热力耦合数值分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(8): 1178-1184.
[14]	王鹏宇，王述红，朱承金. 城市地下管廊结构地震动力响应分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(7): 1020-1027.
[15]	王述红，邱伟，高红岩，张紫杉. 数值流形位移法在岩体裂缝扩展中的应用[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(4): 552-556.