測試巖石動態(tài)斷裂韌度的新實驗-數(shù)值法

1. 本課題與國際巖石力學學會(ISRM)當前關注的熱點一致。指出ISRM1995年提出的巖石斷裂韌度測試建議方法中的關鍵計算公式存在有嚴重缺陷。我們分別用解析和數(shù)值分析，從上下限的角度和3維有限元數(shù)值標定的結果，找到問題的根源。尤其值得特別指出的是：我們得到ISRM方法（1995）關鍵計算公式中的系數(shù)，即無量綱應力強度因子，有一個不應該逾越的上限，即不能超過它的容許范圍，這個上限是通向正確方向的第一步。我們在2012 年和2013年，分別用解析和數(shù)值的方法，徹底地，寬范圍地解決了CCNBD試樣的標定問題。 2．基于1995年ISRM發(fā)布的測試巖石靜態(tài)斷裂韌度的建議方法，將該建議方法提出的人字型切槽巴西圓盤（CCNBD）試樣推廣到測試巖石的動態(tài)斷裂韌度。提出新構型的試樣。預裂的人字形切槽巴西圓盤(P-CCNBD)是將CCNBD的切槽尖端改制成直裂紋前沿的試樣。利用大直徑霍普金森壓桿對P-CCNBD砂巖試樣進行徑向沖擊，完成I型動態(tài)斷裂實驗后再做數(shù)值分析得到動態(tài)斷裂韌度。比較我們的實驗-數(shù)值法和他人的準靜態(tài)法得到的砂巖動態(tài)起裂韌度，兩種方法得到的結果有一定的差異。分析了準靜態(tài)方法測試動態(tài)斷裂韌度的缺陷，我們認為實驗-數(shù)值法得到的結果更為可靠。另外還把比較成熟的直裂紋巴西圓盤(CSTBD)和P-CCNBD兩種試樣采用實驗-數(shù)值法測得的結果做了對比，兩者吻合較好。得到的動態(tài)起裂韌度都有隨著加載率的增加而增大的加載率效應。 3.提出的動態(tài)擴展韌度測試方法，即實驗-數(shù)值-解析法，該方法綜合采用實驗室測試、解析和數(shù)值計算三個研究手段。利用大直徑分離式霍普金森壓桿徑向沖擊大尺寸的砂巖試樣，采用裂紋擴展計測定試樣起裂時刻和裂紋擴展速度。實驗-數(shù)值-解析法考慮了材料的慣性效應，不但可以確定不同動態(tài)加載率下巖石的動態(tài)起裂韌度，而且用普適函數(shù)描述裂紋擴展速度對動態(tài)應力強度因子的影響，還可以確定不同裂速下的動態(tài)擴展韌度。 4．結題科學基金項目已取得相關學術成果: 學術論文14篇論文(其中4篇論文被SCI收錄，12篇論文被EI收錄）；獎項一個（獲2015年國家教育部自然科學二等獎），獲獎項目名稱：“巖石類材料動態(tài)拉伸強度和動態(tài)斷裂韌度測試方法的基礎研究”。 2100433B

關于巖石動態(tài)斷裂韌度測試方法的研究工作很少，一些重要的問題急待解決，課題與國際巖石力學學會（ISRM）當前關注的熱點一致?；?995年ISRM發(fā)布的測試巖石靜態(tài)斷裂韌度的建議方法，將該建議方法提出的人字型切槽巴西圓盤（CCNBD）試樣推廣到測試巖石的動態(tài)斷裂韌度，綜合采用實驗室測試、解析和數(shù)值計算三個研究手段解決這一困難問題。主要工作有：1.利用霍普金森壓桿裝置進行動態(tài)斷裂實驗，徑向撞擊CCNBD巖樣測試巖石的動態(tài)斷裂韌度，提出更新的實驗-數(shù)值法； 2.將斷裂量子概念用于研究巖石動態(tài)斷裂問題，探討斷裂長度量子和斷裂時間量子的確定方法，對應力強度因子分別在空間和時間坐標上積分后再取平均，獲得更合理更可靠并減少尺寸效應的巖石動態(tài)斷裂韌度值；3. 測試原理和方法的對比分析, 包括CCNBD試樣與其它試樣的對比，實驗-數(shù)值法與準靜態(tài)法的對比，盡力解決長期懸而未決的有關測試方法合理性的爭議問題。

巖石斷裂理論是指研究裂紋在巖石中擴展所需的條件及巖石斷裂機理的理論。

《混凝土斷裂試驗與斷裂韌度測定標準方法》為配合國家發(fā)展和改革委員會2005年11月頒布的我國第一部混凝土斷裂試驗行業(yè)標準——中華人民共和國電力行業(yè)標準（DL/T5332-2005）《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》的實施，從規(guī)程編制的角度，簡要地介紹了混凝土斷裂力學的基本概念、原理和雙K斷裂準則，并詳細介紹了該規(guī)程規(guī)定的測定混凝土斷裂韌度的楔入劈拉試驗方法和三點彎曲切口梁試驗方法，以及依據(jù)所測定的試驗數(shù)據(jù)計算混凝土的起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度的計算方法和基本公式，還對規(guī)程相關條文進行了解釋和說明。為方便規(guī)程實施，還介紹了應力強度因子的有限元計算方法和水工混凝土裂縫類型和實例。

巖石強度測試方法是指測定巖石物理力學性質的試驗方法 。通常在現(xiàn)場取回巖芯或巖塊，按照有關標準，在室內加工成規(guī)則試件，借助適當?shù)募虞d設備在規(guī)定的加載速率下測定試件破壞時某截面上的極限應力。以同種巖石的一組試件的平均強度作為該種巖石的強度。為獲得準確的巖石強度指標和便于資料交流，對各種強度測試都有統(tǒng)一的要求，如對試件、加載、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理或計算都有一定的規(guī)定。2100433B