岩石热弛豫尺度效应的微力学机制研究

Effects of rock relaxation, which related to these behaviors of nonlinear elastic hysteresis, wave attenuation, and wave dispersion, is one of the most siginificant fundamental problems in rock physics and wave propagation theory in rock. The present study focus on the investigation of the macroscopic and phenomenological behaviors of rock relaxation. The project application attempts to establish the characterization techniques of relaxation scale and thermal relaxation scale of rocks under dynamic loading, that is, we will form a micro mechanics technique to investigate the rate and temperature dependences of relaxation scale both in theory and in experiments. The experimenal technique combining the macro scale responses with the micro/messo scale behaviors will be formed on SHPB bundle bars testing system, and digital image correlation (DIC) method by high-speed photography and X-ray. The theoretical investigation will conducted on these two scales and the dimensional theory to simplify and decouple the coupled process of wave equation and heat conduction / heat radiation. Taking the rate and temperature related characteristic scale as the bridge, such mechanical mechanisms as thermal activation, free volume and time- temperature equilence in rock are discussed in detail. This study is of great practical significance for the understanding of the solid earth physics and earthquake mechanism, and for the study of rock wave effect, as well as in the fields of engineering geophysical exploration and nondestructive testing.

与非线性弹性滞后和衰减、弥散等现象有关的岩石弛豫效应是岩石物理和岩石波动理论研究中极大关注的基础性问题之一，目前研究主要集中于岩石弛豫现象的宏观唯象表现方面。本项目申请试图建立动荷载作用下岩石弛豫尺度和热弛豫尺度的表征技术，即从理论和实验技术方面形成研究岩石弛豫尺度的温度和应变率依赖性的微力学方法。实验方面主要基于Hopkinson压杆杆束实验系统，以及基于高速摄影和X射线的两类数值散斑相关技术,形成宏观和细微观结合的分析方法；理论方面基于上述两种尺度应用量纲分析方法，对波动方程和热传导/热辐射耦合过程进行合理简化、解耦。由此，以率和温度相关的特征尺度为桥梁，探索岩石中热激活、自由体积、时温等效等相关机制的微力学基础。此研究对于固体地球物理、地震机制的认识，对于岩石波动效应的研究，以及工程物探、无损检测等领域都有十分重要的实用意义。

岩石具有多组元非均质的跨尺度复杂结构，其动力学性能反映出多尺度、多重物理机制属性，相关研究具有重要的理论意义和实用价值。. 理论上，建立了新型压剪耦合波动方程、无量纲的热力耦合波动方程、剪切驱动的弛豫扩散方程。结合颗粒介质多尺度分析模型，研究了压剪耦合作用下纵波和横波的传播规律，揭示出耦合横波的极限波速；结合孔隙岩石进行热力耦合波动过程的分析，得到了热弛豫机制P波和S波的缺陷依赖性；引入弛豫时间，基于剪切驱动扩散机制，得到了短程的波动效应与长程的扩散效应的过渡，对热力耦合方程进行初步解耦。特别地，对花岗岩、碳化硼粉末、碳化硼块体等三类材料进行破裂发展的弛豫-扩散特性研究，发现了临界扩散阻力；建立变密度波动方程，得到了界面对粘弹性性质的影响规律。为研究弛豫尺度和热弛豫尺度，提出了量纲动力学的概念和基本原理，初步实现了动力学过程中多机制的动态演化。. 实验上，建立了霍普金森杆束实验技术、基于小波分析的多点声发射实验技术、多点红外测温技术、基于两点VISAR的激光辐照技术等4类实验技术。为配合上述技术探索岩石局部变形特性，同时发展了数值散斑技术，形成了系统的从细微观到宏观的实验方法。由此，基于数值散斑技术提供的局部信息，杆束技术和DMA实验揭示了岩石内界面和外界面的动态产热特性；多点声发射技术对岩石内局部热源进行定位；多点红外测温技术揭示了脆性材料局部细微观缺陷的破碎和宏观破碎不同的发展历程；低强度激光辐照技术揭示了具丰富细微观结构的脆性材料的热粘弹性效应。进一步，建立了岩石真三轴动态实验系统、微型霍普金森实验系统等新型设备，深入揭示了岩石动态力学性能的尺寸效应和率效应。. 数值分析上，建立了岩石多尺度离散元模型，进行复杂节理界面动摩擦性能的研究，探讨了节理细微观形态对动摩擦性能的影响，形成考虑颗粒破碎演化的较可靠的数值分析方法；揭示了岩石冲击破碎过程中的拉破坏与剪破坏的转换机制。