硬岩动态断裂裂纹速度效应研究

本课题以3-5类非均质脆性坚硬岩石的室内冲击加载动态断裂试验为基础，加载、断裂过程中综合运用高速摄像、动光弹、导电涂层裂纹测速等技术和高速数据采集系统等手段，研究岩石材料的非均质性组织结构特征与高速裂纹扩展规律的关系以及裂纹速度与应力波速关系，从而为进行裂纹极限速度的理论预测提供依据。加载试验结束后采用扫描电镜、激光表面仪等设备，采用现象学方法，通过断口形貌和裂纹形态的细观分析，考察裂纹高速扩展过程中留下的动态效应现象；借助分形几何学、动态断裂力学等相关理论和方法，描述硬岩动态不稳定性。由此揭示动态断裂裂纹速度效应的不稳定性机制以及耗能机制；并在此基础上考虑岩石介质组织结构特征，结合离散元法（3DEC等）研究岩石动态断裂参数的确定问题，进而研究动态断裂韧性与裂纹扩展速度效应关系。

为研究硬岩动态断裂过程中的裂纹扩展速度效应，本研究主要借助高速摄影、电阻测速、光弹贴片等技术进行了PMMA、三类硬岩和三类混凝土的断裂实验，并结合激光表面仪和扫描电镜等，采用现象学、分形几何法和ARAMIS软件对断口形貌和断裂表面进行全面分析，详细考察了材料非均质性对动态断裂机制的影响，提出了岩石动态极限断裂速度受内部特征尺度的控制；分析了裂纹高速扩展引起的裂纹速度效应对岩石动态断裂耗能断裂机制的影响。考虑材料内部结构特征尺度和速度效应，进行了裂纹扩展速度的初步理论探讨。本项目主要研究内容与成果如下：.（1）进行了三类硬岩的动态断裂试验，考察了该类材料I型裂纹动态断裂裂纹扩展的一般规律和裂纹速度效应。三类硬岩包括灰岩、大理岩和花岗岩。通过高速摄影、电阻测量法分析获得了几类材料中的裂扩展速度与时间关系。从而将裂纹的速度规律结合试样的断口，分析了裂纹速度效应，具体包括裂纹的起裂、加速扩展、临界、波动的具体情况。作为对照，进行了PMMA这类材性均匀的较理想的脆性材料的I型断裂的拉伸断裂相关问题研究，包括加载速率与裂纹起裂、扩展和断口形貌规律，以及裂纹速度与端口形貌规律。.（2）结合试样的断口形貌学分析，研究了动态断裂速度效应在岩石破坏耗能机制方面的体现，给出了初步的能量消耗与裂纹速度关系。对照静态情形，采用分形几何学方法，将断口三位数字形貌的不规则结构特征合理描述，建立了形貌特征与裂纹速度、断裂能的定性关系。.（3）考虑岩石材料的内部结构特征以及波动耗能特征，对先前引入局部场论的裂纹速度理论预测中具体参数的选取范围进行了讨论。试验中借助偏光镜下岩石材料结构组成分析，采用概率统计思想，确定了非均质度和代表性尺度。对照几类岩石中达到的当前条件下的最大速度，发现裂纹扩展速度与特定波速的比值与内部结构的特征尺度有关系。由此，在前期考虑材料内部结构特征的非局部场论中的裂纹速度理论预测基础上，对照试验结果，对具体参数的选取范围进行了讨论。.（4）将试验与PFC颗粒流这一离散单元法相结合来进行三类岩石材料的建模分析，初步探索了动态断裂参数的确定问题。为较准确地控制同批次试件的材料均质程度，设计了三种特殊配比骨料混凝土来模拟岩石，进行了断裂参数与均质度之间关系的对照考察。