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| 有限元分析 |
岩体是由形形色色纵横交织的裂隙所割裂的岩石。在载荷作用下裂隙尖端容易产生应力集中，当应力强度因子达到岩石断裂韧度时裂纹发生扩展。在工程形式和规模既定条件下，岩体稳定性主要决定于岩体力学性能。因此，研究裂隙岩体强度特征意义重大。事实上，随着20世纪60年代中后期关于“岩体”这一基本概念的确立，关于裂隙岩体力学性质的研究就逐步成为岩石力学界最为前沿的研究方向之一。经过几十年的发展，关于岩石强度的理论及实验研究取得了丰硕的成果。例如，我国学者裴建良对锦屏二级含多组自然裂隙大理岩进行了系统的实验研究，其指出：单一型裂隙试件的单轴抗压强度为完整试件单轴抗压强度的0.36倍~0.92倍，平均单轴抗压强度为完整试件的0.72倍。
围绕岩石中裂纹扩展规律及岩石破坏机理，国内外做了诸多理论和实验上的探索，对此作了非常详细的综述。其在综述中还指出：运用Griffith断裂力学理论对单一裂纹在单、双轴应力下裂纹的扩展方向以及最终破坏面的描述并不令人满意。
事实上，理论上的扩展方向与实验结果存在差异与多种因素有关，典型的即是断裂准则的选取。无论怎样，在压缩载荷作用下，脆性岩石的初始断裂强度远低于其破坏荷载。因此，考虑裂隙岩体初始断裂强度对于指导工程设计具有积极意义。同时，实验也告诉我们，裂隙岩体的破坏实质是沿原有节理面滑移，伴随着节理端部岩桥的撕拉破坏，最终形成阶梯状滑移破裂面。就裂纹端部的应力状态而言是由I-II型断裂所构成的压剪断裂破坏。因此，引入断裂力学研究裂隙岩体的力学行为是必然。同时，虽然已有众多该领域的研究成果发表，但仍不尽完善。譬如，对于含有宏观裂纹的裂隙岩体试件，使用无限大体断裂理论去探究有限尺寸裂隙试件的断裂机理就面临误差过大这一窘境。目前，对于有限尺寸裂纹体的断裂分析大致有如下方法：边界配置法(BCM)、有限元分析(FEM)、扩展有限元法(xFEM)以及易志坚教授提出的裂纹线场法(crack-line analysis method，CLAM)及陈宜周教授提出的解析法等。其中，BCM、FEM和xFEM可获得复杂几何边界条件有限尺寸裂纹体的应力场和位移场，已得到广泛应用；解析法则受制于裂纹体边界条件，难以得到有限尺寸裂纹体的应力、应变场闭合解析解，应用尚不广泛。
断裂判据作为断裂力学的核心，前人已经发展出最大周向应力准则(MTS)等断裂判据，且较好解释了很多脆性断裂问题。就岩石力学与工程而言，最具意义的断裂形式即为是压剪复合断裂，因为工程岩体多处于受压剪应力状态。针对压剪复合断裂，湖南省水利水电勘测设计研究院周群力等通过混凝土/岩石现场试件单边疲劳闭合裂纹的压剪断裂试验，提出了压剪裂纹的断裂判据—压剪判据。根据压剪判据的推导思想，可写出与压剪判据形式一致的压缩载荷作用下的张破裂压剪判据，但张破裂剪切断裂韧度KIIC与II型断裂韧度KIIC和裂纹面黏聚力的关系需进一步明确。
本文通过分析单个线性裂纹在压缩载荷作用下的剪切断裂条件，阐明了压缩状态下张破裂剪切断裂韧性的物理意义及求解办法。然后，使用复变函数和边界配置法求解了应力强度因子无量纲系数，进而对张破裂压剪准则进行改进，使之更加便捷地进行有限裂纹体断裂预测。基于改进的判据推导了裂隙岩体试件的抗压强度求解公式，并使用有限元数值计算法和裂纹线应力场分析法对其可靠性进行了验证。基于裂隙岩体试件的抗压强度公式，本文讨论了摩擦系数、裂隙倾角、裂隙长度、黏聚力以及围压对裂隙岩体试件抗压强度的影响机理。
