This paper presents a framework for modeling failure in quasi-brittle geomaterials under different loading conditions. A micromechanics-based model is proposed in which the field variables are linked to physical mechanisms at the microcrack level: damage is related to the growth of microcracks, while plasticity is related to the frictional sliding of closed microcracks. Consequently, the hardening/softening functions and parameters entering the free energy follow from the definition of a single degradation function and the elastic material properties. The evolution of opening microcracks in tension leads to brittle behavior and mode I fracture, while the evolution of closed microcracks under frictional sliding in compression/shear leads to ductile behavior and mode II fracture. Frictional sliding is endowed with a non-associative law, a crucial aspect of the model that considers the effect of dilation and allows for realistic material responses with non-vanishing frictional energy dissipation. Despite the non-associative law, a variationally consistent formulation is presented using notions of energy balance and stability, following the energetic formulation for rate-independent systems. The material response of the model is first described, followed by several benchmark finite element simulations. The results highlight the ability of the model to describe tensile, shear, and mixed-mode fracture, as well as responses with brittle-to-ductile transition. A key result is that, by virtue of the micromechanical arguments, realistic failure modes can be captured, without resorting to the usual heuristic modifications considered in the phase-field literature. The numerical results are thoroughly discussed with reference to previous numerical studies, experimental evidence, and analytical fracture criteria.
翻译:本文提供了一个在不同装货条件下模拟准裂变地质材料失败的模型框架。 提出了一个基于微观机械的模型, 将现场变量与微裂缝的物理机制联系起来: 损害与微裂缝的生长有关, 而塑料则与闭合微裂缝的摩擦滑动有关。 因此, 进入自由能量的硬化/ 软化功能和参数是从单一降解功能和弹性物质特性的定义中定义的单一摩擦性能量消散而来的。 紧张状态中打开微裂缝的演变导致易碎行为和模式I断裂, 而压缩/ 听摩擦滑动下封闭的微裂缝的演变导致微裂缝行为和模式II断裂。 调色滑动与非联合性微裂裂裂裂有关, 因此, 变硬化/ 变硬化功能和参数进入自由能量序列, 尽管法律没有关联性, 变异的公式是能源平衡和稳定性概念, 精度的精确度 缩压/ 精度分析结果是 基调性数值 模型 模型 模型 模型 模型 模型 和 数值 模型 模型 模型 模型 模型 模型 显示 数值 模型 模型 数据 数据 显示 模型 模型 模型 数据 显示 数据 数据 显示 数据 数据 数据 数据 显示 数据 分析 显示 显示 度 度 度 度 度 数据 度 数据 数据 数据 数据 数据 数据 分析 分析 分析 分析 数据 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 数据 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析 分析