测试岩石动态断裂韧度的新实验-数值法

关于岩石动态断裂韧度测试方法的研究工作很少，一些重要的问题急待解决，课题与国际岩石力学学会（ISRM）当前关注的热点一致。基于1995年ISRM发布的测试岩石静态断裂韧度的建议方法，将该建议方法提出的人字型切槽巴西圆盘（CCNBD）试样推广到测试岩石的动态断裂韧度，综合采用实验室测试、解析和数值计算三个研究手段解决这一困难问题。主要工作有：1.利用霍普金森压杆装置进行动态断裂实验，径向撞击CCNBD岩样测试岩石的动态断裂韧度，提出更新的实验-数值法； 2.将断裂量子概念用于研究岩石动态断裂问题，探讨断裂长度量子和断裂时间量子的确定方法，对应力强度因子分别在空间和时间坐标上积分后再取平均，获得更合理更可靠并减少尺寸效应的岩石动态断裂韧度值；3. 测试原理和方法的对比分析, 包括CCNBD试样与其它试样的对比，实验-数值法与准静态法的对比，尽力解决长期悬而未决的有关测试方法合理性的争议问题。

1. 本课题与国际岩石力学学会(ISRM)当前关注的热点一致。指出ISRM1995年提出的岩石断裂韧度测试建议方法中的关键计算公式存在有严重缺陷。我们分别用解析和数值分析，从上下限的角度和3维有限元数值标定的结果，找到问题的根源。尤其值得特别指出的是：我们得到ISRM方法（1995）关键计算公式中的系数，即无量纲应力强度因子，有一个不应该逾越的上限，即不能超过它的容许范围，这个上限是通向正确方向的第一步。我们在2012 年和2013年，分别用解析和数值的方法，彻底地，宽范围地解决了CCNBD试样的标定问题。.2．基于1995年ISRM发布的测试岩石静态断裂韧度的建议方法，将该建议方法提出的人字型切槽巴西圆盘（CCNBD）试样推广到测试岩石的动态断裂韧度。提出新构型的试样。预裂的人字形切槽巴西圆盘(P-CCNBD)是将CCNBD的切槽尖端改制成直裂纹前沿的试样。利用大直径霍普金森压杆对P-CCNBD砂岩试样进行径向冲击，完成I型动态断裂实验后再做数值分析得到动态断裂韧度。比较我们的实验-数值法和他人的准静态法得到的砂岩动态起裂韧度，两种方法得到的结果有一定的差异。分析了准静态方法测试动态断裂韧度的缺陷，我们认为实验-数值法得到的结果更为可靠。另外还把比较成熟的直裂纹巴西圆盘(CSTBD)和P-CCNBD两种试样采用实验-数值法测得的结果做了对比，两者吻合较好。得到的动态起裂韧度都有随着加载率的增加而增大的加载率效应。.3.提出的动态扩展韧度测试方法，即实验-数值-解析法，该方法综合采用实验室测试、解析和数值计算三个研究手段。利用大直径分离式霍普金森压杆径向冲击大尺寸的砂岩试样，采用裂纹扩展计测定试样起裂时刻和裂纹扩展速度。实验-数值-解析法考虑了材料的惯性效应，不但可以确定不同动态加载率下岩石的动态起裂韧度，而且用普适函数描述裂纹扩展速度对动态应力强度因子的影响，还可以确定不同裂速下的动态扩展韧度。.4．结题科学基金项目已取得相关学术成果: 学术论文14篇论文(其中4篇论文被SCI收录，12篇论文被EI收录）；奖项一个（获2015年国家教育部自然科学二等奖），获奖项目名称：“岩石类材料动态拉伸强度和动态断裂韧度测试方法的基础研究”。