强应力波载荷下岩石动态损伤演化规律与控制方法研究

强应力波（爆炸波、冲击波等）作用下岩石损伤破坏是矿山开采、安全防护领域中突出问题，处理不当会带来巨大经济损失，故揭示岩石在动态加载卸荷作用下微裂纹模型及其演化规律，发展预防和控制岩石损伤新方法，是当前民用和军事工程中急需开展的工作。本项目拟采用中-高应变率材料测试设备和微细观多尺度观测方法，基于现代损伤力学知识和本构理论，提出岩石动载下拉压损伤新定义，发展多因素耦合弹塑性本构，研制针对不连续性介质的有限元-离散元耦合数值算法和精确计算模块，对强应力波载荷下岩石损伤破裂效应及其预防和控制方法进行系统研究和科学探索。通过此项工作，可望在理论上丰富工程材料率相关本构知识，获取岩石宏观变形破坏的细观力学机制，建立有效的岩石损伤研究理论体系和数值方法；在应用上可为相关领域提供关键技术支撑，为预防和控制岩石动态损伤提供科学依据，同时为新型减震吸能材料的研发打下基础，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

项目组采用理论研究、实验测试和数值模拟相结合的方法，开展了多项科研工作，圆满完成了计划书中规定的各项指标，主要工作有：针对陕西华山黑云母花岗岩，开展了破裂过程声发射特征研究，给出了其破裂前兆的识别方法；开展了岩石动三轴实验，得出其动态参数取值范围及其变化规律，并对常用的破坏准则适用性进行了对比分析；基于分离式霍普金森压杆，开展了花岗岩冲击压缩实验，探讨了不同围压、不同应变率下花岗岩的动力学特性，分析其在中-高应变率载荷下的力学响应，指出围压较高时有明显的脆性-延性转化特征；开展了花岗岩动态劈裂和波动层裂实验，提出一种简单确定动态拉伸强度的方法，并获得了此类岩石中应力波传播规律及其破坏形式；开展了岩体品质因子（Q值）与动态黏弹性本构研究，发现朱-王-唐（ZWT）模型在一定频率范围内能得到稳定的Q值，比较适宜描述岩体的力学特性，并给出了ZWT模型参数的简单确定方法；提出了一种针对粘弹性岩体的位移不连续模型，根据一维粘弹性波的特征线法，推导了节理处质点速度、应力和应变递推公式，指出在模拟节理岩体中的应力波传播时，岩石自身的粘弹性是不可忽略的；对EPS泡沫进行了冲击压缩测试，探讨了EPS泡沫密度、加载应变率对其应力-应变行为和能量吸收特性的影响，并把其应用到岩石爆破损伤控制中，给出了EPS泡沫爆破最优不耦合系数的建议值；基于近场动力学（PD）方法，对冲击载荷下岩杆波动层裂问题开展了数值研究，探讨了其空间步长、影响域尺寸对计算结果的影响，得出了层裂时间、层裂位置及损伤分布情况，并与层裂实验进行了对比验证；运用岩石介质与结构相互作用原理，考虑应力波与介质的耦合效应，研究了地下岩石结构中界面的反射机理；开展了花岗岩中小当量炸药爆炸试验，获得了耦合与不耦合爆破中粒子速度波的传播规律及岩石破坏情况，并与数值结果进行了对比，从而验证了所发展或改进的材料本构与破坏准则的合理性。迄今，项目成员共发表了带基金标注论文19篇（SCI收录3篇，EI收录10篇），另录用待刊2篇；获批国家专利和软件著作权各1项；培养博士、硕士研究生6名。此项研究不但丰富工程材料率相关本构知识，获取岩石应力波传播规律与变形破坏机理，而且为预防和控制岩石动态损伤提供科学依据，具有重要科学意义与参考价值。