动态裂纹起裂、扩展及止裂全过程及其测试新技术研究

Rock is a kind of natural material which contains defects, such as cracks, joints, faults and pores. In the activity of rock excavation, blasting and piling, cracks will initiate and propagate. Under certain conditions, they will induce large geo-disasters, such as rock burst and coal and gas burst. Therefore, the study on crack propagation and mechanical behaviors under danymic loads are significant, and they need to be solved urgently for rock engineering. This study will focus on the full processes of crcak initiation, propagation and arrest so as to obain the properties of crack propagation and arrest under dynamic loads, and meanwhile, a new method for measuring rock initiation, propagation and arrest toughness will be proposed. Because the full processes of crack propagation will be studied, the experiment specimens must be large enough so the cracks have enough room to propagate. Therefore, new specimens and new measuring techniques will be proposed in this study.

岩石是一种天然材料，在岩石内部存在着大量的地质缺陷，如裂隙、节理、断层、孔洞等。在冲击凿岩、爆破、打桩等施工过程中，岩体内部裂隙会发生起裂和扩展，在一定条件下，这些裂隙会诱发大的地质灾害，如岩爆、煤与瓦斯突出等，因此，研究裂隙岩体在动载荷作用下的扩展规律及其力学行为特征具有非常重要意义，是当前岩土工程所急需解决的问题。该项目选择动态裂纹的起裂、扩展及止裂的全过程进行研究，进而发现岩石裂纹在动载荷作用下的扩展及止裂规律，同时提出测试岩石的起裂韧度，扩展韧度及止裂韧度的新方法。由于对裂纹扩展的全过程进行实验研究，实验试件必须满足一定的尺寸，使裂纹有足够的扩展空间，因此本项目研究将采用新的岩石试件，并采用新的测试方法及测试手段。

裂隙岩体在动载荷作用下的动态断裂过程是十分复杂多变的，它会经历动态起裂、动态扩展、动态止裂、再次起裂、再次扩展、再次止裂等多次循环的断裂过程。因此，在本项目的研究中，搭建了一套适合于中低速冲击实验的落锤冲击实验装置和爆破实验装置，实现了低、中、高速的全领域加载冲击实验，提出了多种适于研究裂隙岩体动态裂纹扩展的新构形试件（ISCSC、SCEVCB、TOVCB、SCT等），提出了一种适用于岩石全过程断裂韧度的测试方法。建立与优化了不同裂隙岩石构型对裂隙在爆炸与冲击不同频谱动载荷作用下的断裂过程进行模型试验、数值模拟与理论推导计算，得到了裂纹动态扩展过程中起裂、扩展与止裂机制，对动态断裂韧度值随动态断裂过程变化的演化规律进行了分析，尤其对裂纹止裂机制从能量的角度进行了深入讨论。经过对动态断裂过程的测试得到了研究动态断裂过程中应力波对裂纹起裂、扩展及止裂影响研究的最优构型与最优边界条件。研究成果在《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》、《International Journal of Impact Engineering》、《Construction and Building Materials》、《Tunnelling and Underground Space Technology》、《Engineering Fracture Mechanics》和《岩石力学与工程学报》等国内外相关领域发表论文66篇，其中SCI论文30篇，申请发明专利2项，培养博士研究生8名，硕士研究生12名，在读博士生4人，硕士生3人。本项目研究成果对于动载荷作用下裂隙岩体的破碎机制与失稳破坏机理认识提供了理论基础，为工程裂隙岩体的整体破碎提供了数值仿真评估的算法支撑。