多视场高速DSCM用于岩石粘滑动态测量的研究

本研究将高速数字散斑相关方法（DSCM，又称为数字图像相关，简称DIC）引入岩石介质粘滑的动态测量实验中：为使DSCM可测量界面处强非连续、非均匀变形场，在DSCM中引入无网格位移表征，发展专门用于界面变形场测量的interface-DSCM；为使高速DSCM在大试件测量中获得高分辨率和高精度，建立基于高精度观测数据的多视场融合和计算参数"事先"校准的统一DSCM分析框架。基于新建立的实验方法，用多台高速相机对粘滑试件进行统一观测，可获得界面附近高速、高分辨率、高精度的变形场观测数据。用发展的多视场高速DSCM观测系统对岩石介质粘滑进行系统深入实验研究，建立基于统计细观损伤力学的分析模型，对不同条件下粘滑过程中界面损伤局部化、破坏的启动和传播、以及界面动态滑动过程等规律进行总结和分析。

为了深入认识岩石介质粘滑的失稳过程及其机理，本研究首先发展了针对性的实验方法，建立了实验系统，然后系统开展了实验观测，并基于实验结果建立的数值分析模型对粘滑发生过程和发生机理进行了深入研究。. 首先，采用非均匀位移表征模型，结合mesh-DIC的思路，发展了基于节点插值位移表征的NIDR-DIC（也称为interface-DIC）。利用该方法分析含界面、裂纹等结构的强非均匀变形场时，相对于普通DIC能够大幅度提高位移测量精度和空间分辨率。其次，在分析和解决多台高速相机启动时差问题的基础上搭建了用于岩石介质粘滑实验的观测系统。基于变形场统计分析思路发展了动态裂纹尖端精确识别的数据处理方法。再次，对岩石介质粘滑进行了实验研究，发现粘滑孕育过程中存在着多点成核且互相竞争的现象；断层的失稳从某一点开始并向断层其他点高速传播，速度可达6000 m/s；断层失稳滑动的过程非常复杂，一次大的滑动过程包括许多小的滑动过程，第一次小滑动幅度最大，其余小滑动幅度减小。最后，基于实验观测结果改进了用于研究粘滑的弹簧滑块模型，并用模型对粘滑发生过程进行了模拟。研究发现了断层失稳的原因，即断层面的局部破坏由加载端向末端传播过程中，末端界面的剪切应力逐渐增大，临近滑动时刻，末端界面剪应力几乎同时处于临界状态。同时，研究还发现了局部滑块失稳后会导致其他滑块依次滑动，说明粘滑滑动过程是滑块对“波”的响应过程。. 本研究发展的NIDR-DIC是对光测力学中数字图像相关方法的一种促进；高速相机时差的深入研究对多台高速相机联合测量具有重要的指导意义；关于岩石介质粘滑过程和机理的实验和理论分析得到了一些新的认识，对于这个复杂问题的研究是一种推进。.本项目研究共发表学术论文11篇，其中SCI收录论文7篇，申请和授权专利2项。研究期间，项目组成员承办2次学术会议，11人次参加国内外的学术交流。培养博士研究生2名，硕士研究生4名。