測試岩石動態斷裂韌度的新實驗-數值法

《測試岩石動態斷裂韌度的新實驗-數值法》是依託四川大學，由王啟智擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：測試岩石動態斷裂韌度的新實驗-數值法
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王啟智
• 依託單位：四川大學

項目摘要

關於岩石動態斷裂韌度測試方法的研究工作很少，一些重要的問題急待解決，課題與國際岩石力學學會（ISRM）當前關注的熱點一致。基於1995年ISRM發布的測試岩石靜態斷裂韌度的建議方法，將該建議方法提出的人字型切槽巴西圓盤（CCNBD）試樣推廣到測試岩石的動態斷裂韌度，綜合採用實驗室測試、解析和數值計算三個研究手段解決這一困難問題。主要工作有：1.利用霍普金森壓桿裝置進行動態斷裂實驗，徑向撞擊CCNBD岩樣測試岩石的動態斷裂韌度，提出更新的實驗-數值法； 2.將斷裂量子概念用於研究岩石動態斷裂問題，探討斷裂長度量子和斷裂時間量子的確定方法，對應力強度因子分別在空間和時間坐標上積分後再取平均，獲得更合理更可靠並減少尺寸效應的岩石動態斷裂韌度值；3. 測試原理和方法的對比分析, 包括CCNBD試樣與其它試樣的對比，實驗-數值法與準靜態法的對比，盡力解決長期懸而未決的有關測試方法合理性的爭議問題。

結題摘要

1. 本課題與國際岩石力學學會(ISRM)當前關注的熱點一致。指出ISRM1995年提出的岩石斷裂韌度測試建議方法中的關鍵計算公式存在有嚴重缺陷。我們分別用解析和數值分析，從上下限的角度和3維有限元數值標定的結果，找到問題的根源。尤其值得特別指出的是：我們得到ISRM方法（1995）關鍵計算公式中的係數，即無量綱應力強度因子，有一個不應該逾越的上限，即不能超過它的容許範圍，這個上限是通向正確方向的第一步。我們在2012 年和2013年，分別用解析和數值的方法，徹底地，寬範圍地解決了CCNBD試樣的標定問題。 2．基於1995年ISRM發布的測試岩石靜態斷裂韌度的建議方法，將該建議方法提出的人字型切槽巴西圓盤（CCNBD）試樣推廣到測試岩石的動態斷裂韌度。提出新構型的試樣。預裂的人字形切槽巴西圓盤(P-CCNBD)是將CCNBD的切槽尖端改制成直裂紋前沿的試樣。利用大直徑霍普金森壓桿對P-CCNBD砂岩試樣進行徑向衝擊，完成I型動態斷裂實驗後再做數值分析得到動態斷裂韌度。比較我們的實驗-數值法和他人的準靜態法得到的砂岩動態起裂韌度，兩種方法得到的結果有一定的差異。分析了準靜態方法測試動態斷裂韌度的缺陷，我們認為實驗-數值法得到的結果更為可靠。另外還把比較成熟的直裂紋巴西圓盤(CSTBD)和P-CCNBD兩種試樣採用實驗-數值法測得的結果做了對比，兩者吻合較好。得到的動態起裂韌度都有隨著載入率的增加而增大的載入率效應。 3.提出的動態擴展韌度測試方法，即實驗-數值-解析法，該方法綜合採用實驗室測試、解析和數值計算三個研究手段。利用大直徑分離式霍普金森壓桿徑向衝擊大尺寸的砂岩試樣，採用裂紋擴展計測定試樣起裂時刻和裂紋擴展速度。實驗-數值-解析法考慮了材料的慣性效應，不但可以確定不同動態載入率下岩石的動態起裂韌度，而且用普適函式描述裂紋擴展速度對動態應力強度因子的影響，還可以確定不同裂速下的動態擴展韌度。 4．結題科學基金項目已取得相關學術成果: 學術論文14篇論文（其中4篇論文被SCI收錄，12篇論文被EI收錄）；獎項一個（獲2015年國家教育部自然科學二等獎），獲獎項目名稱：“岩石類材料動態拉伸強度和動態斷裂韌度測試方法的基礎研究”。