高应变率下脆性岩石动态裂纹扩展特性及其破坏机理研究

本项目紧密围绕高应变率下岩石动态裂纹扩展特性开展冲击试验研究，旨在探讨岩石和含预制缺陷岩石在冲击压缩和层裂拉伸载荷作用下的裂纹扩展规律和破坏机理。项目基于75mm和50mm两种杆径的SHPB试验平台，开展不同长径比(高宽比)岩石试样及含预制缺陷岩石试样的冲击压缩和层裂拉伸试验，利用超动态应变仪、高速摄影仪、声发射探测仪实时观测记录岩石的动力响应特征、裂纹扩展特征和声发射信号特征；并对破坏后的试样进行断裂面三维形貌扫描和局部切片电镜扫描，从微观上得到高应变率下岩石裂纹扩展模式分类，揭示岩石动力破坏和动态裂纹扩展之间的关系，从裂纹扩展的角度解释岩石动态强度提高的内在机理。本项目的研究首次将含预制缺陷岩石类脆性材料的裂纹扩展特性从低应变率段扩展到高应变率段，将岩石的动态抗压、抗拉强度与裂纹扩展及应变率效应有机结合起来，为高应力强扰动(岩爆或爆破)条件下的岩石破坏特性研究提供了重要的理论依据。

本项目主要研究了高应变率下完整和含预制缺陷岩石动态裂纹扩展特性及其破坏机理。项目依托SHPB冲击试验平台和Instron液压伺服试验机，首先开展了不同长径比圆柱体试样、不同高宽比立方体试样的动静载力学特性试验，确定了立方体试样在SHPB压杆上进行动态冲击试验的有效性和可行性，为开展含预制缺陷立方体试样冲击压缩试验奠定了基础。在此基础上，项目开展了含不同预制孔洞直径、不同预制裂隙几何形状的大理岩动态冲击压缩试验、圆环劈裂试验和层裂拉伸试验，获得了孔洞及裂隙几何分布特性对岩石动态抗压、抗拉强度及动态裂纹扩展特性的影响效果。项目充分利用超动态应变仪、高速摄影仪、声发射探测仪等先进实验技术，实时观测并记录了岩石的动力响应特征、裂纹扩展特征和声发射信号特征，提出了一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置及测量方法。通过对破坏后的典型试样断裂面局部切片和微观电镜扫描，结合应力应变分析和裂纹扩展过程分析，得到了高应变率下岩石裂纹扩展模式分类，揭示了冲击压缩和冲击拉伸载荷作用下的岩石动态裂纹扩展机理。本项目还对巴西劈裂试验下岩石的裂纹起裂点位置进行了讨论，并通过动态巴西劈裂试验和动态圆环试验进行了验证。最后，项目针对几种含不同层理面倾角的沉积岩进行了三轴压缩和动态冲击试验，研究了层理面倾角和试样含水率对层状节理岩石的动静态力学特性及动态裂纹扩展特性的影响效果，进一步丰富了项目研究内容。本项目为含预制缺陷岩石动力学破坏特性和动力破岩机理分析提供了重要的实验参考和理论研究基础。本项目圆满完成了任务书的预期目标，期间发表标注本基金号论文10篇，SCI收录4篇、EI收录7篇，另还有4篇SCI收录论文未标注基金号以及4篇标注基金号的论文待发表。参与国内外学术会议6次，申请国家发明专利2项，依托项目毕业博士研究生2人，另有2名研究生分别赴香港和英国攻读博士学位，有1名硕士研究生将于2015年毕业，3名硕士生仍在围绕项目内容开展深入研究，项目负责人2013年入选教育部“新世纪优秀人才”支持计划和湖南省青年骨干教师，并受聘为中南大学“升华育英”学者计划。