Confining pressure effects on stress intensity factors: A 3D finite element analysis

Abstract

At great depths of earth, fracture in rock masses occurs under the influence of confining pressure. However, most of the previous rock fracture studies deal only with ambient conditions and ignore the effects of multiaxial stresses induced because of applying the confining pressure. In this paper, the influence of confining pressure on the mixed mode stress intensity factors (KI and KII) is investigated for a test specimen. A large number of 3D finite element models were analyzed for investigating the effect of various confining pressure levels on the fracture behaviour of brazilian disc specimen. In the finite element models a uniformly distributed confining pressure in the range of 0 MPa to 20 MPa is applied to all sides of the test specimen. It is shown that the confining pressure has a significant effect on the mode I stress intensity factor, but the mode II stress intensity factor is completely independent of the applied confining pressure. A comparison between the confined and unconfined conditions shows that the effective mixed mode stress intensity factor increases by increasing the value of confining pressure for all mode mixities.

Keywords: confining pressure; mixed mode; stress intensity factors; brazilian disc; numerical method.

A des profondeurs importantes de la terre, la rupture dans les masses de roches se produit sous l'influence de la pression de confinement. Cependant, la plupart des études précédentes de rupture de roche traitent seulement dans des conditions ambiantes et ignorent les effets des efforts multiaxiaux induits en raison de l'application de la pression de confinement. Dans cette étude, l'influence de la pression sur les facteurs d'intensité de contrainte en modes mixtes (KI et KII) est étudiée pour un spécimen d'essai. Un grand nombre de modèles finis de l'élément 3D ont été analysés pour étudier l'effet de divers niveaux de confinement de pression sur le comportement de rupture du spécimen brésilien sous la forme de disque. Pour les modèles d'éléments finis, une pression uniformément distribuée dans l'intervalle de 0 à 20 MPa est appliquée sur tous les côtés du spécimen d'essai. Il est montré que la pression de confinement a un effet significatif sur le facteur d'intensité de contrainte en mode I, mais celui de mode II est complètement indépendant de la pression de confinement appliquée. Une comparaison entre les conditions de confiné et non confiné indique que le facteur d'intensité de contrainte en mode mixte augmente avec la valeur de la pression de confinement quelque soit le mode mixte considéré.

Mots clés: pression de confinement; mode de rupture mixte; facteurs d'intensité de contraintes; Disque brésilien ; méthode numérique.