Three-dimensional fracture modeling in quasi-brittle materials with hydraulic fracturing applications using finite elements

Tese (Doutorado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Faculdade de Tecnologia, 2021.Este trabalho apresenta uma abordagem tridimensional discreta baseada na utilização de elementos de interface coesivos com espessura zero para modelar a formação e propagação de fraturas em material quase frágil no modo I e modo misto. O modelo constitutivo para esses elementos é baseado na teoria da plasticidade e apresenta uma função de plastificação baseada em Coulomb, regra de fluxo não associada e um esquema de integração de tensões implícito. Este modelo também incorpora conceitos da mecânica da fratura não linear para modelar o comportamento de amolecimento causado pelo fraturamento do material. Duas leis de amolecimento são investigadas, uma lei bilinear e uma lei exponencial. O modelo de fratura foi verificado por meio de testes de extensão e cisalhamento. Em seguida, é aplicado à simulação de ensaios experimentais em corpos de prova de concreto onde pode-se observar excelente concordância. Visando estender a modelagem para simular o problema da fratura hidráulica, as equações de elementos finitos correspondentes são derivadas das equações de equilíbrio mecânico e continuidade. Além disso, um elemento coesivo modificado com graus de liberdade de poropressão é considerado. Como parte da validação da implementação do elemento finito para a fase fluida, o modelo é testado em problemas de infiltração e drenagem com soluções analíticas conhecidas. Em seguida, a modelagem hidromecânica acoplada é aplicada a diversos casos, incluindo problemas de fratura hidráulica, também com soluções analíticas conhecidas. Em todos os casos, os resultados mostram uma concordância muito boa com as soluções analíticas. Por fim, é apresentada a simulação de um caso experimental de fratura hidráulica. Além disso, dois casos hipotéticos são simulados para estudar o desenvolvimento da abertura da trinca e os campos de tensão e pressão do fluido.This work presents a discrete three-dimensional approach based on the use of cohesive interface elements with zero thickness to model the formation and propagation of cracks in quasi-brittle material in mode I and mixed-mode. The constitutive model for these elements is based on the plasticity theory and presents a Coulomb-based yield function, non-associated flow rule, and na implicit stress integration scheme. This model also incorporates non-linear fracture mechanics concepts to model the softening behavior caused by the material fracturing. Two softening laws are investigated, a bilinear and an exponential law. The fracture model was verified using extension and shear patch tests. Next, it is applied to the simulation of experimental tests on concrete specimens where excellent agreement can be observed. To extend the modeling to simulate the hydraulic fracture problem, the corresponding finite element equations are derived from the mechanical equilibrium and continuity equations. Also, a modified cohesive elemento with pressure degrees of freedom is considered. As part of the validation of the finite elemento implementation for the fluid phase, the model is tested in seepage and drainage problems with known analytical solutions. Next, the coupled hydro-mechanical modeling is applied to several cases, including hydraulic fracture problems, also with known analytical solutions. In all cases, the results show very good agreement with the analytical solutions. Finally, the simulation of na experimental case of hydraulic fracture is presented. Also, two hypothetical cases are simulated to study the development of the crack opening and the stress and fluid pressure fields