非均质岩石渐进性破坏过程的细观特征研究

The rock failure process is generally progressive, mostly dependent on their meso features. In this issue, the granite and limestone will be taken as the examples to sufficiently consider the impacts of the heterogeneous compositions and progressive failures. The changes in the time and spatial domains, heterogeneous distributions of the compositions, initiation and width changes of the cracks, and evolutions of the crack system are synthetically combined into one research framework. The micro structure of the grains are determined from the scan electronic microscopy tests, powder X-ray diffraction tests, and X-ray diffraction energy spectrum analysis. The micro structure and molecular dynamics simulation are integrated to explore the physical and mechanical parameters in a meso scale. The geometry model in particle flow simulation is directly established using the results from the image processing of the test videos recorded during conventional laboratory tests. The feature matching technique is proposed to compute the movements of the grains in the specimens. The results from the video image processings and particle flow simulations are used to investigate the evolutions of grains and contacts, cracks and contacts, and deformation distributions in the specimens. The load transfer mechanism and quantitve relations between the parameters in the meso and micro scales are also examined. The meso features of progressive failures in heterogeneous rocks will be investigated systematically. The achievements of the issue may provide the references both in exploring the absorptions and migarations of the nuclides and in quantitively evaluating the failure process of a rock.

岩石破坏通常是一种渐进性过程、主要取决于岩石的细观结构特征。本项目研究以花岗岩和石灰岩为例，充分考虑岩石组成的非均质和破坏过程的渐进性，将时域变化和空域变化、非均质成分分布变化、岩石起裂点、裂隙宽度变化、裂隙系统演变放在统一框架内研究，使用扫描电镜试验、X射线衍射试验和X射线衍射电子能谱试验确定矿物颗粒的微观结构，使用微观结构特征与分子动力学模拟方法确定岩石细观物理力学性质参数，使用试验视频中颗粒真实分布与团颗粒构建方法来建立颗粒流模拟中的几何模型，使用特征最大相关方法来确定试样中矿物颗粒的移动过程，使用试验视频和颗粒流模拟结果分析矿物颗粒形态和接触关系、裂隙系统和变形场的演变过程，探讨岩石破坏过程的荷载传递机理与宏细观定量关系，系统研究非均质岩石渐进性破坏过程的细观特征。项目研究成果在分析岩石中不同成分的吸附和迁移、定量分析岩石破坏过程等方面都具有重要的理论参考价值与工程应用前景。

非均质岩石渐进性破坏过程的细观特征研究，是分析不同岩石变形破坏机理的重要基础。本项目以非均质岩石（主要是花岗岩）为例，使用微观试验探讨了岩石中不同组分的分布特征，使用公开数据库获得矿物的初始晶体结构、初始晶胞参数、单晶胞模型和超晶胞模型，由几何优化方法得到了矿物晶胞的稳定构象，使用分子力学模拟得到了稳定构象的微观物理力学性质参数，分析了温度和压强对微观物理力学性质参数的影响；将不同成分变化与变形破坏过程放在同一框架内研究，使用试验视频和灰度分界阈值分割法确定了不同成分的分布、分析了试样表面的纹理特征，使用常规形状参数与傅里叶变换指数描述了不同成分的形状特征及其随时间的变化过程，探讨了不同成分区域形状变化与裂隙扩展过程的关系，采用盒维数法计算简单分形维数、采用广义分形和多重分形谱分别表征广义和多重分形维数、研究了不同细观组分分形维数的变化情况；使用多目标跟踪技术检测出任意时刻单个裂隙的位置，根据裂隙限位框出现时刻确定裂隙的起裂时刻，通过编制多目标跟踪函数对试样中的裂隙对象进行跟踪，分析了不同裂隙的变化过程、进而探讨了裂隙扩展过程与不同位置组分数字特征的关系；使用粒子图像测速技术得到不同时刻、不同细观组分的位移、应变和速度，研究了细观组分的运动方向、破坏顺序及其与岩石变形破坏过程的关系；将矿物识别传统方法与图像灰度阈值分割技术相结合、使用二维颗粒流代码生成了细观颗粒的初始分布，用可变形颗粒、不可变形颗粒、平行连接来表征岩石中的不同组分，建立了基于组分实际分布的颗粒流模型，进行了基于正交设计的数值模拟试验与宏细观参数之间的敏感性分析、提出了宏细观参数关系的确定方法；系统研究了非均质岩石渐进性破坏过程的细观特征。项目研究成果对定量分析岩石破坏过程具有重要的参考价值。