岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (8): 2536-2546.doi: 10.16285/j.rsm.2019.2064

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

Ⅰ型断裂韧度模拟方法及细观影响因素研究

吴顺川1, 2，孙伟1，刘洋1，成子桥3，许学良4   

  1. 1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093； 3. 中电建路桥集团有限公司，北京 100044；4. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081
  • 收稿日期:2019-12-09 修回日期:2020-05-20 出版日期:2020-08-14 发布日期:2020-10-17
  • 通讯作者: 孙伟，男，1987年生，博士研究生，主要从事岩石断裂力学与数值模拟方面的研究工作。E-mail: sunweiustb@outlook.com E-mail:wushunchuan@ustb.edu.cn
  • 作者简介:吴顺川，男，1969年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土灾害控制方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金（No. 51774020，No. 51934003）；国家重点研发计划专项（No. 2017YFC0805300）；中电建路桥集团有限公司科技项目（No. LQKY2017-03）。

Study on simulation method of mode I fracture toughness and its meso-influencing factors

WU Shun-chuan1, 2, SUN Wei1, LIU Yang1, CHENG Zi-qiao3, XU Xue-liang4   

  1. 1. Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093, China; 3. PowerChina Roadbridge Group Co., Ltd., Beijing 100044, China; 4. Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China
  • Received:2019-12-09 Revised:2020-05-20 Online:2020-08-14 Published:2020-10-17
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51774020, 51934003), the National Key Research and Development Program of China (2017YFC0805300) and the Science and Technology Project of Power China Road Bridge Group Co., Ltd. (LQKY2017-03).

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摘要： 既有离散元参数敏感性分析大多集中在压缩试验及巴西劈裂试验，对I型断裂韧度 试验细观影响因素及3D破裂过程系统分析的报道较少。采用三维平节理模型（FJM3D）研究微观结构参数及黏结细观参数对不同切槽形状的I型断裂韧度试验的影响。微观结构参数包括晶粒平均半径的平方根 、模型分辨率Ψ和最大/最小晶粒直径 。黏结细观参数包括平均配位数CN、S类型单元比例 、黏结抗拉强度 、黏结内聚力 、摩擦系数 和摩擦角 。参数敏感性分析结果表明， 与 、CN及 正相关，与 、 负相关，而与 、 、 和 无明显的线性关系，此外为获得较低的 波动水平，给出了参数 和 的建议范围。根据参数敏感性分析结果，校核匹配了Kowloon花岗岩直切槽半圆盘（SCB）和人字形切槽半圆盘（CCNSCB）试样的宏观力学性质。从细观角度直观、深入分析不同切槽形状I型断裂韧度试验破裂机制，得出SCB试验曲线的峰前和峰后行为与室内试验更为吻合。

关键词: I型断裂韧度, 平节理模型, 敏感性分析, 直切槽半圆盘（SCB）, 人字形切槽半圆盘（CCNSCB）

Abstract: The discrete element numerical method has been usually used for some parameter sensitivity analysis of geo-materials in the compression test and the Brazilian splitting test. However, there have been limited studies systematically focusing on mesoscopic influencing factors and 3D fracture process in mode I fracture toughness tests. The 2D discrete element methods cannot reflect the real mechanical behavior of a 3D model. Therefore, a three-dimensional flat joint model (FJM3D) is used in this paper to investigate the effects of microstructure parameters and bond mesoscopic parameters on mode I fracture toughness tests with different notch shapes. The microstructure parameters include the square root of average particle radius ( ), model resolution ( ), and maximum/minimum particle diameter ( ). Bond meso-parameters include average coordination number (CN), slit element fraction ( ), bond tensile strength ( ), bond cohesion ( ), friction coefficient ( ) and friction angle ( ). Results of parameter sensitivity analysis show that the mode I fracture toughness ( ) is positively correlated with , CN, and , and negatively correlated with and . There are no obvious linear relationships between and , , , . In addition, suitable ranges of and are recommended to obtain an appropriate mode I fracture toughness with a low level of variation. Based on the results of parameter sensitivity analysis, the mechanical behaviors of the Kowloon granite with notched semi-circular bend (SCB) and cracked chevron notched semi-circular bend (CCNSCB) specimens are calibrated. The failure process of mode I fracture toughness tests with different notch shapes indicates that the pre-peak and post-peak behaviors of the SCB test is more consistent with the laboratory test.

Key words: mode I fracture toughness, flat-joint model, sensitivity analysis, SCB, CCNSCB

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