岩石動態強度應變率效應的物理機制宏細觀研究

《岩石動態強度應變率效應的物理機制宏細觀研究》是依託南京大學，由趙曉豹擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：岩石動態強度應變率效應的物理機制宏細觀研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙曉豹
• 依託單位：南京大學

項目摘要

諸多實驗表明岩石動態強度具有應變率效應，但該種率相關特性的物理機制研究至今還很不完善。因此本課題將考慮岩石的非均勻性（結構特性）和動態效應，採用宏細觀研究相結合的方法，系統的研究岩石動態強度應變率效應的物理機制。首先，以室內實驗（透明、非均勻類岩石材料的製備，結合光彈儀和高速攝像機的動靜態實驗）為基礎開展初步研究。通過與實驗結果對比，比選確定數值模擬程式並進行相關標定，獲得合適的計算參數和誤差範圍。然後，以數值模擬作為主要手段研究不同非均勻性，不同載入條件，不同實驗設定等因素對試樣內部缺陷與應力波的相互作用、試樣內應力集中與重分布情況、破裂過程、巨觀破壞模式及強度的影響。基於大量的實驗和數值模擬數據，分析不同條件下動態效應和材料非均勻性在應變率效應中的作用，並最終揭示岩石強度應變率效應的物理機制。該項研究不僅具有重要的學術價值，而且對於建立合理動態模型，並運用於實際工程具有指導作用。

結題摘要

本項目從室內實驗、數值模擬和理論分析三方面研究並揭示了岩石強度應變率效應的物理機制。由於岩石結構對應變率效應具有較大影響，研究組首先針對如何獲取含固定結構樣品開展了多方面嘗試性研究，包括澆築含固定結構透明類岩石材料樣品用於實驗研究、3D列印含固定結構類岩石材料樣品用於實驗研究和CT掃描獲取岩樣細觀結構及重構數字模型用於數值模擬計算。通過上述工作，研究組掌握了多種含固定結構樣品的製作方法及其在岩石力學研究方面的優缺點和適用性。而後基於室內實驗，研究組獲得了各類岩石指標隨應變率的變化趨勢、範圍和相互關係，同時也掌握了岩石不同應變率範圍內的抗拉和抗壓尺寸效應特性，並分析了其形成機制。鑒於外力作用下的裂紋擴展和破裂模式對於解釋岩石破壞機制具有重要的意義，研究組開展了滾刀線性切割實驗，獲得了岩樣破裂區的細部特徵和裂紋圖像；而後依據破裂情況、裂紋密度和超音波波速對正滾刀和傾斜滾刀破岩樣品進行了分區，並分析了其形成機制。考慮到岩石動態破壞特徵及流行元計算特點，研究組開展了對靜態流行元程式的改造，使之適合岩石動力破裂計算。針對CT掃描建立的數字岩樣模型、理想均勻岩樣模型和隨機建立的孔隙岩樣模型，研究組開展了數值模擬研究並與實驗數據對比，探討了岩石結構對強度應變率效應及破裂模式的影響。此外，研究組還開展了非線性波在岩體中傳播規律的理論研究，討論非線性波和岩體參數對應力波透射特性的影響。最終研究認為，岩石強度應變率效應是由具有非均勻結構的岩塊在動力作用下的不同裂紋擴展及破壞模式引起的，其中岩塊的非均勻結構是該效應的物質基礎，而動態作用造成的不同裂紋擴展及破壞模式是強度應變率效應的重要影響因素，此外實驗設定（包括不同指標實驗，不同試驗系統和樣品尺寸）也會對該效應產生影響。本課題的研究（特別是室內實驗和數值分析部分），獲得了一些有益的結果，可為今後岩體動力學的實驗和數值模擬研究提供參考和對比驗證。