压缩载荷下分支裂纹断裂研究：数值模拟与实验分析

本文是关于压缩载荷作用下分支裂纹断裂与扩展的数值和实验研究，作者通过分析不同形态的裂纹（如弯曲、交叉或分支）在受压情况下的行为，探讨了裂纹倾角和长度对应力强度因子及裂纹扩展的影响。研究发现，裂纹倾角增加会降低I型应力强度因子，而裂纹长度增加则会增大应力强度因子。此外，较长的分支裂纹对较短裂纹的扩展具有抑制作用。在砂岩单轴压缩实验中，观察到破坏主要由I型翼型裂纹扩展引起，起裂位置与裂纹尖端的距离随分支裂纹角度增大而减小，且分支裂纹倾角越大，翼型裂纹的起裂角越小，但起裂载荷增大。对比张开型和闭合型裂纹，张开型的起裂角较大，但起裂载荷相对较小。 本文是基于以下几个关键知识点进行的深入研究： 1. 分支裂纹形态：材料中的裂纹可能呈现复杂形态，包括弯曲、交叉和分支，这些形态在受到压缩载荷时会影响裂纹的断裂和扩展方式。 2. 应力强度因子：这是一种衡量裂纹尖端应力集中程度的参数，它与裂纹的几何特征（如倾角和长度）密切相关。裂纹倾角的增加会减小I型应力强度因子，而裂纹长度的增加会增大该因子。 3. 裂纹扩展：裂纹长度较大的分支裂纹对较短裂纹的扩展有抑制效应，这表明裂纹间的相互作用对整体裂纹模式有显著影响。 4. 张开型和闭合型裂纹：这两种裂纹在压缩载荷下的行为有所不同。张开型裂纹的起裂角较大，但起裂载荷较小，而闭合型裂纹的情况则相反。 5. 实验方法：通过单轴压缩试验，研究者能够观察到砂岩试件在不同分支裂纹条件下的破坏模式，揭示了裂纹形态、角度和长度对破坏过程的影响。 6. 起裂角和起裂载荷：裂纹开始扩展的角度（起裂角）和导致扩展所需的载荷（起裂载荷）是判断材料破坏的重要指标。研究显示，分支裂纹角度的增大会减小起裂角，但增大起裂载荷。 此项研究对于理解和预测材料在压缩载荷下的失效行为，以及在工程设计中预防和控制裂纹扩展具有重要的理论与实践意义。特别是在地质工程、土木工程以及材料科学等领域，对理解岩石、混凝土等材料的破裂机制提供了有价值的参考。