《硬岩動態斷裂裂紋速度效應研究》是依託北京科技大學，由劉彩平擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：硬岩動態斷裂裂紋速度效應研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：劉彩平
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本課題以3-5類非均質脆性堅硬岩石的室內衝擊載入動態斷裂試驗為基礎，載入、斷裂過程中綜合運用高速攝像、動光彈、導電塗層裂紋測速等技術和高速數據採集系統等手段，研究岩石材料的非均質性組織結構特徵與高速裂紋擴展規律的關係以及裂紋速度與應力波速關係，從而為進行裂紋極限速度的理論預測提供依據。載入試驗結束後採用掃描電鏡、雷射表面儀等設備，採用現象學方法，通過斷口形貌和裂紋形態的細觀分析，考察裂紋高速擴展過程中留下的動態效應現象；藉助分形幾何學、動態斷裂力學等相關理論和方法，描述硬岩動態不穩定性。由此揭示動態斷裂裂紋速度效應的不穩定性機制以及耗能機制；並在此基礎上考慮岩石介質組織結構特徵，結合離散元法（3DEC等）研究岩石動態斷裂參數的確定問題，進而研究動態斷裂韌性與裂紋擴展速度效應關係。
結題摘要
為研究硬岩動態斷裂過程中的裂紋擴展速度效應，本研究主要藉助高速攝影、電阻測速、光彈貼片等技術進行了PMMA、三類硬岩和三類混凝土的斷裂實驗，並結合雷射表面儀和掃描電鏡等，採用現象學、分形幾何法和ARAMIS軟體對斷口形貌和斷裂表面進行全面分析，詳細考察了材料非均質性對動態斷裂機制的影響，提出了岩石動態極限斷裂速度受內部特徵尺度的控制；分析了裂紋高速擴展引起的裂紋速度效應對岩石動態斷裂耗能斷裂機制的影響。考慮材料內部結構特徵尺度和速度效應，進行了裂紋擴展速度的初步理論探討。本項目主要研究內容與成果如下： （1）進行了三類硬岩的動態斷裂試驗，考察了該類材料I型裂紋動態斷裂裂紋擴展的一般規律和裂紋速度效應。三類硬岩包括灰岩、大理岩和花崗岩。通過高速攝影、電阻測量法分析獲得了幾類材料中的裂擴展速度與時間關係。從而將裂紋的速度規律結合試樣的斷口，分析了裂紋速度效應，具體包括裂紋的起裂、加速擴展、臨界、波動的具體情況。作為對照，進行了PMMA這類材性均勻的較理想的脆性材料的I型斷裂的拉伸斷裂相關問題研究，包括載入速率與裂紋起裂、擴展和斷口形貌規律，以及裂紋速度與連線埠形貌規律。 （2）結合試樣的斷口形貌學分析，研究了動態斷裂速度效應在岩石破壞耗能機制方面的體現，給出了初步的能量消耗與裂紋速度關係。對照靜態情形，採用分形幾何學方法，將斷口三位數字形貌的不規則結構特徵合理描述，建立了形貌特徵與裂紋速度、斷裂能的定性關係。 （3）考慮岩石材料的內部結構特徵以及波動耗能特徵，對先前引入局部場論的裂紋速度理論預測中具體參數的選取範圍進行了討論。試驗中藉助偏光鏡下岩石材料結構組成分析，採用機率統計思想，確定了非均質度和代表性尺度。對照幾類岩石中達到的當前條件下的最大速度，發現裂紋擴展速度與特定波速的比值與內部結構的特徵尺度有關係。由此，在前期考慮材料內部結構特徵的非局部場論中的裂紋速度理論預測基礎上，對照試驗結果，對具體參數的選取範圍進行了討論。 （4）將試驗與PFC顆粒流這一離散單元法相結合來進行三類岩石材料的建模分析，初步探索了動態斷裂參數的確定問題。為較準確地控制同批次試件的材料均質程度，設計了三種特殊配比骨料混凝土來模擬岩石，進行了斷裂參數與均質度之間關係的對照考察。
