准脆材料强度尺寸效应和应变率效应的内在关系研究

This program has fundamental, practical and frontier characteristic, because the intrinsic relation between size effect and strain rate effect of quasi-brittle materials (concrete, rock etc) has not been studied so far, there is a lack of unified model for this two effects. The preliminary investigation of the applicant shows that the type I deterministic size effect and strain rate effect of brittle materials has close intrinsic relation. The problems to be solved are: 1) whether the type II deterministic size effect has relationship with strain rate effect; 2) what is the theoretical basis for the relation between them; 3) whether the temporal-structural failure criterion under loading can be developed; 4) whether the equation for prediction of lifetime of materials with the consideration of internal structure and thermal fluctuation can be developed; 5) whether quantum thermal activational-structural-statistical failure model can be developed. This program will use solid mechanics and physics theories with combination of experimental studies and numerical modeling to study these problems. The study will be helpful for the undestanding of these 2 effects and their nature, and has important theoretical meaning for the prediction of the strength and lifetime of structures of different sizes under different loading rates, and has imporatnt practical meaning for improving the calculation accuracy and the safety and reliability of large scale engineering projects.

本项目具有基础性、实用性和前沿性，因为准脆材料（混凝土、岩石等）尺寸效应和应变率效应的关联性目前还无人研究，还缺乏考虑上述两种效应的统一材料模型。申请者的初步研究表明，准脆性材料I型确定性尺寸效应和应变率效应具有紧密的内在联系。现在需要解决的问题是：1）II型确定性尺寸效应与应变率效应是否具有关联；2）两种效应关联性的理论基础是什么；3）能否建立外载作用下准脆材料破坏的时间-构造准则；4）能否建立考虑材料内部构造和热涨落的材料寿命预测公式；5）能否建立准脆材料的热活化-构造-统计变形破坏模型。将考虑材料的结构层次，利用固体力学、固体物理学等学科的基础理论，结合试验研究和数值模拟等方法进行研究。这些问题的研究与解决对于理解两种效应及其联系，对于受不同加载速度的不同尺度的岩体和结构的强度计算和寿命预测具有重大的理论意义，同时对于提高设计精度，提高大型工程的安全性和可靠性具有重大的现实意义。

准脆材料（混凝土、岩石等）尺寸效应和应变率效应的关联性目前还无人研究，还缺乏考虑上述两种效应的统一材料模型。本项目需要解决的问题是：1）II型确定性尺寸效应与应变率效应是否具有关联；2）两种效应关联性的理论基础是什么；3）能否建立外载作用下准脆材料破坏的时间-构造准则；4）能否建立考虑材料内部构造和热涨落的材料寿命预测公式；5）能否建立准脆材料的热活化-构造-统计变形破坏模型。这些问题的研究与解决对于理解两种效应及其联系，对于受不同加载速度的不同尺度的岩体和结构的强度计算和寿命预测具有重大的理论意义，同时对于提高设计精度，提高大型工程的安全性和可靠性具有重大的现实意义。.通过研究，取得了了如下成果：.1.利用霍普金森压杆系统（SHPB）对带预制裂纹的半巴西圆盘岩石试件进行加载。研究表明：断裂韧度、试件的吸收能具有明显的应变率效应，且在相同的加载速度情况下，岩石的断裂韧度、试件的吸收能随着试件的尺寸增大而增加，且岩石断裂韧度、试件的吸收能的尺寸效应会随着应变率的增加而增强。.2.基于岩石类准脆性材料的力学特性和动态裂纹尖端的应力场解析解，利用摩尔强度准则，确定了动态裂纹尖端的断裂过程区面积随着裂纹扩展速度而增大。进而利用尺寸效应公式，推导出了岩石的断裂韧度和加载率之间的关系。确定了II型确定性尺寸效应与应变率效应具有本质性的关联。.3.对于岩体变形破坏的尺寸效应与应变率效应的关系研究表明，岩体变形破坏的尺寸效应与应变率效应之间的密切关系的实质在于裂纹扩展速度的有限性，和不同构造层次上材料强度的不同.应变率的增加激活了小的尺度的单元，动力强度实质上是小的单元层次上强度尺寸效应的实现。.4.分析了材料的构造特点、各种破坏准则的实质.考虑了材料的内部构造，确立了在变形破坏的各个应变率大小区域的破坏准则的选取。.5.研究了材料变形损伤的热活化本质，研究了翻越障碍链的热涨落统计动理学，尺寸效应的热涨落-构造-统计模型。