动态压缩下花岗岩微损伤演化及其强度的微力学模型研究

In rock engineering problems such as blasting, earthquakes and rockbursts, it is common that rocks may be subjected to dynamic loads and fail dynamically. It is thus critical to understand the dynamic response of rocks for the purpose of ensuring safety and maximzing profit in engineering projects. In dynamic respose of rocks, one of the most important research direction in rock dynamics, a far from being resolved important question is the rate dependence of dynamic rock properties. Focused on the rate dependence of dynamic compressive strength, the proposal utilzes an innovative approach that combines macroscopic and microscopic, experimental and theoretical methods. Rock samples are first dynamically tested in compression with controlled deformation and the recovered samples are then scanned by X-ray micro CT to quantify their damage. The theoretical evolution of the damage deduced from a growth model of microcracks and the further the theoretical rock strength can be obtained using micromechanics theory. These model predictions are then compared with experimental resutls to determine models and model parameters. The objective of this project is to reveal physical mechanism of the rate dependence of dynamic rock compressive strength and thus to provide theoretical guidance to rock engineering practices.

在工程爆破、自然地震及岩爆等实际工程问题中，岩石遭受动力载荷并发生动态破坏的情况比较普遍；因此岩石动态力学响应的研究对提升工程安全与提高工程效益有重要意义。岩石动态力学响应是岩石动力学中的一个重要研究方向，而其中一个辄待解决的重要科学问题是岩石动态力学参数的率相关性。本课题针对岩石动态压缩强度的率相关性开展研究，采取宏观与微观相结合、实验与理论相结合的方法；首先进行高度可控的压缩动态实验，然后通过微米X射线CT对回收的样品进行定量损伤测量。进一步通过建立微裂纹扩展模型，在微力学损伤模型的理论框架下从理论上推导出岩石动态损伤的演化及其宏观动态压缩强度的加载率依赖关系。最后通过对比实测数据，确定微裂纹扩展模型和微力学损伤模型及模型参数。这一研究可望从机理上解释岩石动态压缩强度的率相关性，为我国岩石工程实践提供理论支撑。

在工程爆破、自然地震及岩爆等实际工程问题中，岩石遭受动力载荷并发生破坏的情况比较普遍。岩石力学特性的动态响应是研究上述工程问题的关键，对提升工程安全与提高工程效益具有重要意义。本项目针对岩石工程中的动态损伤及破坏问题，采用宏观与微观相结合、实验及理论相结合的方法，对岩石动态力学特性的率相关性展开研究。.项目的主要研究成果如下：.1.进行了一系列花岗岩的动态压缩、拉伸和I型断裂实验，获得了岩石各种力学强度的率相关性，实验结果表明花岗岩的动态压缩、拉伸和I型断裂韧度都具有明显的率相关性；.2.进行了预加载条件下的岩石的动态拉伸实验，获得了在预加轴压和预加围压条件下的花岗岩的动态拉伸强度的率相关性以及岩石破坏形式与加载率的关系；.3.进行了系列高度可控的动态压缩实验，实现了岩石动态损伤的累积，并通过微米CT扫描得到了损伤随应变的累积关系以及损伤与应变率的关系；.4.基于翼裂纹模型建立了DCA（主导裂纹算法）微裂纹扩展模型，该模型考虑了加载率、微裂纹长度和单个模型大小等因素，更有效的反应微观裂纹结构与宏观强度关系；.5.采用粒子群算法对建立的DCA模型参数进行优选，并与实验结果进行对比，结果显示在优选的模型参数下，由DCA模型预测的动态力学强度与试验结果吻合较好，验证了该模型的可靠性，从而揭示岩石动态压缩强度率相关性的物理和力学机理；.6.在NMM算法的基础上，对比了宏观裂纹扩展规律，提出了一个在满足平衡方程的同时能近似满足断裂韧度的多裂纹扩展算法；.研究岩石动态压缩强度率相关性的物理和力学机理岩石动力学的基础问题。本项目的研究为我国岩石工程乃至深部岩石工程设计施工以及防灾减灾提供依据。