岩石动态强度应变率效应的物理机制宏细观研究

诸多实验表明岩石动态强度具有应变率效应，但该种率相关特性的物理机制研究至今还很不完善。因此本课题将考虑岩石的非均匀性（结构特性）和动态效应，采用宏细观研究相结合的方法，系统的研究岩石动态强度应变率效应的物理机制。首先，以室内实验（透明、非均匀类岩石材料的制备，结合光弹仪和高速摄像机的动静态实验）为基础开展初步研究。通过与实验结果对比，比选确定数值模拟程序并进行相关标定，获得合适的计算参数和误差范围。然后，以数值模拟作为主要手段研究不同非均匀性，不同加载条件，不同实验设置等因素对试样内部缺陷与应力波的相互作用、试样内应力集中与重分布情况、破裂过程、宏观破坏模式及强度的影响。基于大量的实验和数值模拟数据，分析不同条件下动态效应和材料非均匀性在应变率效应中的作用，并最终揭示岩石强度应变率效应的物理机制。该项研究不仅具有重要的学术价值，而且对于建立合理动态模型，并运用于实际工程具有指导作用。

本项目从室内实验、数值模拟和理论分析三方面研究并揭示了岩石强度应变率效应的物理机制。由于岩石结构对应变率效应具有较大影响，研究组首先针对如何获取含固定结构样品开展了多方面尝试性研究，包括浇筑含固定结构透明类岩石材料样品用于实验研究、3D打印含固定结构类岩石材料样品用于实验研究和CT扫描获取岩样细观结构及重构数字模型用于数值模拟计算。通过上述工作，研究组掌握了多种含固定结构样品的制作方法及其在岩石力学研究方面的优缺点和适用性。而后基于室内实验，研究组获得了各类岩石指标随应变率的变化趋势、范围和相互关系，同时也掌握了岩石不同应变率范围内的抗拉和抗压尺寸效应特性，并分析了其形成机制。鉴于外力作用下的裂纹扩展和破裂模式对于解释岩石破坏机制具有重要的意义，研究组开展了滚刀线性切割实验，获得了岩样破裂区的细部特征和裂纹图像；而后依据破裂情况、裂纹密度和超声波波速对正滚刀和倾斜滚刀破岩样品进行了分区，并分析了其形成机制。考虑到岩石动态破坏特征及流行元计算特点，研究组开展了对静态流行元程序的改造，使之适合岩石动力破裂计算。针对CT扫描建立的数字岩样模型、理想均匀岩样模型和随机建立的孔隙岩样模型，研究组开展了数值模拟研究并与实验数据对比，探讨了岩石结构对强度应变率效应及破裂模式的影响。此外，研究组还开展了非线性波在岩体中传播规律的理论研究，讨论非线性波和岩体参数对应力波透射特性的影响。最终研究认为，岩石强度应变率效应是由具有非均匀结构的岩块在动力作用下的不同裂纹扩展及破坏模式引起的，其中岩块的非均匀结构是该效应的物质基础，而动态作用造成的不同裂纹扩展及破坏模式是强度应变率效应的重要影响因素，此外实验设置（包括不同指标实验，不同试验系统和样品尺寸）也会对该效应产生影响。本课题的研究（特别是室内实验和数值分析部分），获得了一些有益的结果，可为今后岩体动力学的实验和数值模拟研究提供参考和对比验证。