岩石动态冲击作用下断裂特性的尺寸效应研究

As the structure size of rock material is changed, the dynamic mechanical response also is changed.The research on the dynamic size effect of the material structure would help us understand how to apply the dynamic fracture mechanics parameters tested from the small size specimen in the lab to the big rock mass structure, and reveal the behavior of the rock dynamic damage. Lots of disc rock specimens with prefabricated crack will be impacted radially under the condition of different loading rate in the large diameter separation pressure bar system, which diameter size ratio are greater than 1:4. By the dynamic finite element analysis technology, dynamic numerical models are established including the pressure bar and disc specimens, and dynamic fracture characters will be researched considering different dynamic loading rate and size of the specimens. Based on rock mechanics, impact dynamics and linear elastic dynamics and fracture mechanics, a method to determine the rock dynamic fracture toughness and size effect law will be proposed in consideration of the fracture process area and incubation time. In additions, the crack fracture and expansion rules of the different size specimen are researched, and the load rate effect and the fracture and damage behavior are revealed by the detection means including the strain gauge and crack propagation gauge technology, dynamic camera apparatus, electronic speckle pattern interferometry and scanning electron microscopy (SEM) etc.

当岩石材料结构尺寸发生改变时，其力学响应随之改变，研究岩石动态断裂特性的尺寸效应，对于准确把握实验室小尺寸试件测得的动态断裂力学参数推广到现场大结构岩体动态受载破坏的应用，及揭示岩石动态破坏规律具有重要的意义。申请项目拟采用含有预制裂缝的圆盘试件，在大直径分离霍普金森压杆上，对不同加载速率条件下圆盘直径相似比大于1:4的大量岩石试件进行径向冲击试验，借助动态有限元分析技术，建立包括压杆和试件在内的动态数值模型，考察圆盘试件在不同加载速率和不同尺寸条件下的的断裂特性。基于岩体力学、冲击动力学和线弹性断裂力学理论，提出一种能够考虑断裂过程区和孕育时间的岩石动态断裂韧度确定方法和尺寸效应理论。同时，结合应变片技术、裂纹扩展计、动态摄像仪、电子散斑干涉技术以及扫描电镜等手段，研究动态冲击作用下不同尺寸试件裂纹的起裂和扩展现象，揭示岩石材料冲击作用下的动态破坏规律。

尺寸效应严重妨碍人们用实验室的结果去判断实际大尺寸工程结构的强度和稳定性，随着岩石的动态断裂问题突出，研究岩石冲击作用下断裂特性的尺寸效应很有必要。在GCTS 岩石力学测试系统、SHPB冲击系统上对不同尺寸的含裂缝的圆盘试件进行了静态、动态冲击试验。借助岩石弹塑性断裂力学相关理论、数字图像相关方法（DICM）、声发射技术（AE）、CPG技术、Ansys有限元，多角度研究了试样的起裂、扩展、破坏过程，获得了断裂过程区、裂纹孕育时间的确定方法，分析了断裂过程区、裂纹孕育时间随试样尺寸的变化规律，揭示了断裂过程区、裂纹孕育时间对动态断裂韧度尺寸效应的影响，提出了一种考虑断裂过程区和孕育时间的岩石动态断裂韧度确定方法和尺寸效应理论。结果表明，大尺寸试样在动态试验中不满足应力平衡条件，动态起裂韧度、扩展韧度的确定需采用试验―数值―解析法，动态起裂韧度随加载率的增大而增大，动态扩展韧度略低于动态起裂韧度。多次应力波作用下，入射能、反射能和耗散能均随着作用次数的增加而逐渐减小，但是试样的总耗散能却随作用次数的增加而增大。基于DICM技术，提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性确定断裂过程区临界尺寸及裂纹孕育时间的方法，得出断裂过程区长度、裂纹孕育时间随试样尺寸的增大而增大。断裂过程区长度、裂纹孕育时间随尺寸增加是动态断裂韧度尺寸效应的重要原因。考虑空间（断裂过程区）-时间域（裂纹孕育时间）影响可在一定程度上减弱动态断裂韧度的尺寸效应，在此基础上结合Bazant尺度律理论，建立了考虑空间-时间域影响的动态断裂韧度尺度律模型。研究成果可为动态断裂韧度测试值的有效测定及尺寸效应原因的揭示提供一定的参考。