固体断裂（solid fracture）的前沿研究
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文一：
裂缝交叉口角度模式对非线性流动行为和局部流场的影响：可视化实验
摘要：
相贯裂隙角度形态的影响对于深入理解裂隙岩体的流动特性至关重要。采用水力学和可视化实验相结合的方法，研究了“一进两出”不同角度裂隙交叉口的宏观非线性流动行为和局部流场特性。角度模式对交叉口的形态有重要影响，导致交叉口非线性流增强，流量分布发生改变。无论是非线性系数(b)还是流量分布比率 ，都表现出与角度模式相对应的正态分布模式。通过观察不同角度条件下裂缝的交叉形态和局部流场，发现进出口裂缝引起的突起对进入裂缝的流体流动有显著影响，特别是在高雷诺数(Re)条件下。采用一种基于神经网络的机器学习算法，预测了不同 Re 值和角度方向图下交叉口裂缝出口处的流量分布。该模型对不同条件下交叉裂缝出口流量分布进行了准确预测。此外，通过分析交叉口内不同位置的流速和流场特性，阐明了交叉口内宏观流速分布与流场特性之间的关系。这些结果将有助于研究地下水流动行为、微流控芯片中的流体流动和渗流传热。
图：岩体中的天然裂隙和裂隙交叉。
图：实验系统和断裂模型示意图：a断裂流可视化实验系统，b相交断裂模型，c具有断裂相交的PMMA模型，d角度分布模式。
图：实验误差与图像处理过程：a流速误差，b压力梯度误差，c速度误差，d图像处理过程。
图：不同角度模式下的局部焦场特征。
文二：
慢三维断裂中的拓扑缺陷形成
摘要：
裂纹在三维（3D）材料中传播时会形成各种表面图案。名义拉伸（I型）断裂中的对称破坏拓扑缺陷以表面台阶的形式出现在缓慢（非惯性）区域。我们发现，最近为三维动态（惯性）拉伸断裂提供基本线索的相同相场框架也会产生裂纹表面台阶。台阶形成被证明涉及两个基本的物理成分：有限强度淬火无序和一个小的介观反平面剪切（模式III）加载分量（在主要的拉伸模式I加载分量之上）。我们量化了无序（包括其强度和空间相关长度）与介观I+III模式混合在控制台阶形成中的非线性相互作用。最后，我们表明，表面台阶是从小尺度的背景表面粗糙度中生长出来的，由两个重叠的裂纹段组成，由桥接裂纹连接，这与实验结果一致。
图：长杆中裂纹产生的断裂面（绿色）。
文三：
非线性断裂力学模型：从极限全寿命模型到循环载荷下基于亥姆霍兹自由能分离的石灰岩断裂演化
关键词：
岩石结构和荷载条件在岩石的变形和破坏过程中起着相当大的作用。为了探索脆性岩石的非线性力学机制，本研究提出了不等幅循环载荷下石灰岩试样的极限全寿命本构方程、断裂方程和岩石阻力断裂能（RBE）方程。该理论模型基于微积分方法和热力学原理，对复合系统作用后岩石系统的亥姆霍兹自由能进行非线性分离。基于非线性分离参数和断裂演化的解析解，推导出了石灰岩的极端全寿命本构方程，而基于残余断裂能和热力学原理推导出了断裂方程。我们给出了材料RBE的解析解，它反映了岩石在负载下抵抗断裂的能力。通过在不等幅循环荷载下具有不同预制裂缝的石灰岩样品验证了模型性能。本研究可为不同条件下非线性断裂模型的研究奠定基础。
图：复合热力学系统中的脆性岩石破裂：（a）复合热力学系统：该系统包括储热器、加载装置和材料体；（b） 实验曲线和本构目标曲线；以及（c）石灰石样品渐进破碎过程中的能量演化。
图：加载下的客观理论曲线和实验数据：（a）石灰石在循环加载下的实验数据；（b）循环加载应力极限状态下的实验数据和理论曲线。
图：不同试样的实验数据：（a）弹性能与应变之间的关系；（b）断裂与应变之间的关系。
图：石灰岩样品的微观结构分析：（a）石灰岩样品的扫描电镜（SEM）图像；（b、c和f）局部放大图像；（g） 矿物成分分析结果；以及（h）不同数量和位置的预制裂缝样品及其相应的破坏状态。
图：大理石试样的理论模型验证：（a和c）大理石试样D和白色大理石试样在循环载荷下的实验应力-应变曲线；以及（b和d）理论曲线。
文四：
低温气冰压力下非饱和岩石裂纹的弹塑性裂纹萌生机理
摘要：
在分析寒冷地区岩体的冻胀和开裂时，通常假设裂缝完全饱和。然而，在实际工程实践中，岩体裂缝往往处于非饱和状态。在水分冻结时，冰的体积增加，气体的体积减少，气体压力增加，而裂纹壁受到气体压力、冻结压力和冰的摩擦力的影响，导致复杂的应力条件。本文研究了气体-冰压力影响下非饱和岩石裂纹萌生的机理。假设屈服范围较小，根据复变函数和弹塑性裂纹力学理论，推导出了冻结后气体压力、塑性区、应力强度因子、裂纹萌生角和裂纹萌生应力的计算公式。对冻结温度Ti、充水体积比sw和裂纹形状等关键参数进行了分析和讨论。结果表明，只有当sw>0.7时，冷冻后才会产生有效气压（>1atm）；Ti越低，冷冻后的气体压力越小。此外，裂纹形状越倾向于圆形，冷冻后就越容易产生有效的气体压力，而Ti越低，裂纹形状就越倾向于椭圆形。此外，Ti越小，裂纹起始角越大，而sw和裂纹形状的变化对裂纹起始角几乎没有影响。
图：非饱和裂缝的应力模型。
图：不同冷冻温度下冷冻压力的变化。
图：计算模型：（a）模型几何；以及（b）断裂起始的描述。
图：交替迭代过程。
文五：
埋地爆炸引起的土壤破碎和坑化的耦合并行近场动力学-SPH建模与模拟
摘要：
在这项工作中，我们开发了一个耦合的近场动力学（PD）和平滑粒子流体动力学（SPH）模型，用于模拟地下爆炸下的土壤破碎、喷射和火山口形成。具体来说，基于非寻常状态的PD理论描述了土壤的动态响应，而SPH方法则控制着爆炸性气体产物的运动。采用了一种稳定高效的耦合算法，用于PD和SPH之间的数据传输。为了准确捕捉爆炸荷载下的土壤行为，我们提出了一种改进的Drucker-Prager塑性模型，其中加入了额外的高压压实状态方程（EoS）。此外，还为耦合的PD-SPH模型开发了一个使用OpenMP算法的并行代码，以处理大规模、长时间的土壤爆炸。PD-SPH预测与两组精心设计的离心模型试验进行了比较。模拟中考虑了重力效应，以复 制土壤中埋藏爆炸的真实物理过程。研究发现，耦合的PD-SPH模型成功地捕捉到了埋藏爆炸引起的土壤破碎、喷射和火山口形成的整个物理过程。预测的土壤喷射和火山口形态，以及喷射速度、喷射高度和火山口直径等定量结果与试验结果一致。此外，研究结果表明，重力效应对土壤喷射和坑化过程有显著影响。随着重力加速度的增加，土壤喷射高度和火山口尺寸显著减小。
图：PD和SPH的直接耦合方案。
图：NNPS中条带PIB算法的模式化。
