《動靜組合載荷下岩石斷裂表面形貌的多尺度分析》是依託江蘇大學，由馮志剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：動靜組合載荷下岩石斷裂表面形貌的多尺度分析
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馮志剛
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以爆破和地震等動態載荷引起的岩土工程安全施工和安全運營問題為背景，開展動靜組合載荷下岩石斷裂表面形貌分析研究。該項目藉助伺服材料試驗機、雷射表面掃瞄器和掃描電鏡等先進實驗手段，獲取不同角度和速率動靜組合載荷下岩石斷裂表面形貌；套用分形幾何和小波分析等數學工具對岩石斷裂表面幾何形態的細微觀特性實施定量分析；查明岩石斷裂表面形貌參數與載入方式之間的對應關係，從斷口形貌反推岩石損傷斷裂的力學機制。岩石斷裂表面形貌隱藏著岩石損傷斷裂機理的信息，通過研究岩石斷口的形貌可以追溯導致岩石損傷和斷裂、結構垮塌等災害性事件的起因。因此，該研究對於各種載入方式下岩石結構破壞具有重要學術價值，也可為水利工程建設、深部資源開採、核廢料地質處置等工程提供必要的理論基礎。
結題摘要
為了實現從岩石斷裂結構面的形貌特徵來反推岩石形變和斷裂的力學機理，本課題研究了岩石在不同載入方式下岩石斷裂結構面的形貌特徵差異。本課題均採用岩石力學試驗中的典型試驗—巴西劈裂試驗，分別對花崗岩圓盤、大理岩圓盤和砂岩圓盤進行巴西劈裂試驗。由MTS（Mechanics Testing Systems）機分別對巴西圓盤試件進行不同速率的載入至斷裂失穩，以及先由MTS機將圓盤載入至斷裂強度閾值的1/2、2/3、3/4大小，再將圓盤沿中心旋轉30°角和45°角（預載入轉角），最後載入至斷裂。這裡自定義了岩石斷裂面上中心剖線的法向量和偏態係數概念，利用幾種先進的數學模型，如數理統計、小波分析和分形理論，對所採集的數據進行分析和研究，得出如下結論：（1）花崗岩斷面中心剖線上法向量的角度數據分布具有明顯的尺度效應，即隨著測量尺度的增大，法向量角度樣本的分布越來越接近於常態分配；（2）花崗岩斷面中心剖線的偏態係數也具有明顯的尺度效應, 當測量尺度越小時，其偏態係數越大，說明中心剖線越粗糙；（3）通過靜載範圍內三種速率的花崗岩載入試驗比較發現，載入速率的變化不會引起偏態係數的明顯改變；（4）小波分析中的模極大法和分形變差法均能從岩石斷面上檢測出預載入轉角和載入速率的差異，轉角載入獲得的岩石斷面具有較大的極大模和分形變差，並且在判斷岩石斷裂面形貌特徵差異對載入速率的敏感性方面分形變差法比模極大法的效果更為明顯；（5）通過對比發現，預先在另一方向載入至接近斷裂閾值的1/2、2/3或3/4的載荷，已經對試件內部造成了一定的損傷，產生大量的微裂紋；（6）在同一載入方式下，大理岩的分形變差大於砂岩的分形變差，表明大理岩斷面的粗糙程度較砂岩的更大，並且大理岩斷面的粗糙度對預載入角度變化的敏感性比砂岩更為明顯；（7）為了更加逼真地擬合岩石斷面中心剖線和岩石斷裂曲面的形態，給出了基於函式縱向因子的分形插值方法，並估計了基於分形插值函式的分形插值曲面的變差，給出了分形插值曲面維數的計算方法。
