冲击荷载下岩石裂纹扩展研究进展
曾晟,王少平,张妮

Research Progress of Rock Crack Propagation Under Impact Loading
Sheng ZENG,Shaoping WANG,Ni ZHANG
表1 岩石裂纹动态扩展模型的优缺点及适用范围
Table 1 Advantages, disadvantages and applicable scope of the dynamic propagation model of rock crack
对比内容弹性理论模型断裂理论模型损伤理论模型

Harries

模型

Farvreau

模型

BCM模型NAG-FRAG模型K-G模型TCK模型KUS模型

Thorne等

的模型

YANG等

的模型

适用范围将岩石视为均质材料,适用于均质的、连续的、无缺陷的弹性材料将岩石视为部分均质材料,适用于裂隙周围是均匀介质的脆性材料虽然每种模型在研究岩石裂纹扩展时所采用的方法和考虑的因素不同,但每种模型均适用于任何岩石材料
优点①以准静态压力理论为基础,将复杂的岩石动态破坏问题看作是准静态二维边值介质弹性问题。②以动态拉应变为破坏依据

①以应力波理论为基础的三维弹性模型。②以动态抗拉强度为破坏准则,该模型可对岩石破碎块度进行

估算

以Griffith强度理论为基础建立裂纹扩展判据,即当裂纹长度小于临界值时是稳定的,否则,有可能扩展①以裂纹扩展的临界应力为破坏准则。②该模型主要考虑应力以及应力波引起的裂纹扩展来研究裂纹的密集度、传播情况以及损伤程度该模型认为岩石中存在数目众多的天然裂隙,且裂纹长度和条数均服从双参数的威布尔分布,同时具有各向同性的特征考虑裂纹密度、有效泊松比和有效体积模量的关系,并将损伤变量耦合到动态本构方程中,该模型可以预测岩石在体积拉伸载荷下的动态响应该模型考虑高密度微裂纹的荫屏效应和损伤引起裂纹激活率的减少,在模拟岩石性质方面更接近实际该模型基于不同的损伤变量进行定义,考虑活性裂纹数量可能引起岩石体积的变化,提高了其在大裂纹密度条件下的适应性

①裂纹的萌生与扩展取决于张拉应变,当某点的拉应变小于临界值时,原有裂纹是稳定的。

②岩石的本构关系可用弹塑性理论来解释,且服从Von Mises准则

缺点

①没有考虑岩石中裂隙、节理和断层等缺陷对应力波传播和破碎块度的影响,导致计算精度偏低。②该理论模型的均质性与岩石的非均质性差别较大,实用性

有限

同Harries模型由于该模型认为裂纹均呈水平状发育,因此仅适用于有层理和沉积类岩石,没有得到广泛的应用用一维模型解决三维问题,计算结果误差较大,没有得到广泛的应用

该模型只考虑了材料在体积拉伸状态下存在的损伤累积,认为在压缩状态下材料进入理想

状态

①原有模型仅考虑了有限裂纹密度,若要适用于一般情况,需扩大裂纹密度范围,但相关参量的获取较困难。②需考虑材料在压缩状态下引起的拉伸损伤

同TCK

模型

模型中的材料参数需由不同应变率下的最大拉伸应力试验得出,这在试验上是有困难的虽然模型的计算结果与实验结果比较吻合,但是模型中参数的确定较为困难