考虑温度效应的岩石动态损伤机理及其多尺度模拟技术

During the blasting excavation in hydraulic and hydroelectric engineering, rock is subject to the combined action of temperature and dynamic loading in various degrees. Besides,in the exploitation of geothermal resources and in the deeply burying repository of nuclear waste, the thermo-dynamical coupling responses of rock should also be considered. Based on the apparatus like the split Hopkinson pressure bar(SHPB), this project will carry out the dynamic tests for rock taking the temperature effect into account, and observes the micro- and meso-scopic structures as well as the damage evolution process of rock by using the acoustic emission technology and the scanning electronic microscope. The purpose is to build the elastoplastic constitutive model for rock which can precisely characterize the rate-relevance,temperature-relevance,anisotropy and so on;to develop the damage evolution law along with the failure criterion considering the microstructure characteristics and the thermo-dynamical coupling effect; to construct the new type of calculation scheme and numerical software for the impact problem of anisotropic materials by combing the meshless method (smoothed particle hydrodynamics,SPH) and the molecular dynamics(MD);to explore the mechanical properties and failure law caused by temperature action and dynamic loading. Through this work, it can greatly enrich the damage constitutive knowledge for geomaterials in theory, obtain the damage evolution mechanism due to thermo-dynamical coupling action, and develop new numerical and analysis methods for the rock dynamics and stress-wave theory. In practice, it may promote the application level in the respects of damage evaluation and catastrophe control, provide the technical support for the rock blasting and the related fields. Therefore, it is of important theoretical significance and practical value.

在水利水电工程的爆破施工中，岩石不同程度地受到温度和动态载荷的共同作用。此外，地热资源的开发和核废料的深埋处置也需要考虑岩石的热动力学响应。本项目拟基于SHPB等设备，开展考虑温度效应的岩石动力学行为实验，采用声发射和扫描电镜等技术，对岩石微细观结构及加载过程中损伤演化进行观测，建立可精确反映其时率相关性、温度相关性、各向异性等特征的弹塑性本构，发展可反映材料微结构特征及热力耦合效应的损伤演化方程和破坏准则，并将无单元SPH法和分子动力学MD法相结合，研制适用于脆性材料冲击问题的新型计算方法和数值软件，探讨岩石在温度与动载耦合作用下力学性能与变形破坏规律。该项研究在理论上将大大丰富岩土介质含损伤本构知识，获取岩石热力复合损伤演化机理，为岩石动力学和应力波理论提供新的计算分析方法；在实践上，可提升我国在损伤评估与灾害控制方面的应用水平，为岩石爆破等领域提供技术支持，故具有重要研究意义和价值。

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，开展了热力损伤特性及其细观机理研究，对比分析了不同温度作用后的岩样纵波波速衰减规律，指出花岗岩的热损伤演化符合Logistic增长曲线模型；对温度作用后的花岗岩强度特性与破坏形式开展研究，并且借助于X射线衍射仪，从微观角度上分析了岩石强度劣化的相关机理，得出了岩样组分改变以及石英相变均能导致了高温处理后岩石强度的降低等结论；比较了花岗岩温度后（有冷却阶段）和温度下（无冷却阶段）声发射特性与损伤机理，发现单轴压缩过程中累计声发射撞击数与累积能量之比∑N/∑E曲线发生突变的时间较岩石破坏提前了约50s；开展了实时温度与冲击荷载耦合下花岗岩动力性质分析，发现高温下花岗岩的动态抗压强度、峰值应变仍具有应变率效应，并观察了不同温度下的破坏模式；利用Weibull分布函数建立起岩石统计损伤模型，其不仅可体现应变率效应和温度效应，还可反映出岩石破坏全过程应力-应变响应，模型预测结果与试验结果非常吻合；探究了温度后岩石动态压缩力学特性及其破坏模式，指出相同冲击速度下，应变率随着温度的增加先略微减小，而后增大；同一温度下应变率随着弹速的增加而线性增加；对温度后岩样进行动态劈裂试验，探讨了加载率和温度对花岗岩的动态抗拉强度的影响规律，同时对热处理后的花岗岩的冲击开裂形式进行了对比分析；开展了不同温度后的花岗岩循环冲击试验，发现每个试样均存在一个应力阈值，当首次冲击时的峰值应力小于该应力阈值时，循环冲击导致的岩石内部损伤很小；比较了热处理花岗岩动态与静态压缩中能量特性，指出应变率越大，试样的破碎程度越严重，花岗岩受到冲击过程中的能量耗散越多；对常温下花岗岩动态破坏过程开展近场动力学法模拟，计算得到的试样破坏模式与试验结果符合较好；采用著名的Holmquist-Johnson-Cook模型，对20℃、100℃和200℃温度下的岩样动态破坏过程进行了数值分析，发现模拟结果能较好表征不同温度下岩石的破坏过程。项目组迄今已发表带标注论文25篇（SCI收录7篇，EI收录11篇），另有8篇论文待刊中；获省部级自然科学一等奖1项，申请专利2项；培养博士、硕士研究生9名。通过积极参与主流国际会议、邀请国外专家访问等形式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。