測(cè)試巖石動(dòng)態(tài)斷裂韌度的新實(shí)驗(yàn)-數(shù)值法

1. 本課題與國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)一致。指出ISRM1995年提出的巖石斷裂韌度測(cè)試建議方法中的關(guān)鍵計(jì)算公式存在有嚴(yán)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(biāo)定的結(jié)果，找到問(wèn)題的根源。尤其值得特別指出的是：我們得到ISRM方法（1995）關(guān)鍵計(jì)算公式中的系數(shù)，即無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子，有一個(gè)不應(yīng)該逾越的上限，即不能超過(guò)它的容許范圍，這個(gè)上限是通向正確方向的第一步。我們?cè)?012 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(biāo)定問(wèn)題。 2．基于1995年ISRM發(fā)布的測(cè)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(cè)試巖石的動(dòng)態(tài)斷裂韌度。提出新構(gòu)型的試樣。預(yù)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(duì)P-CCNBD砂巖試樣進(jìn)行徑向沖擊，完成I型動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)后再做數(shù)值分析得到動(dòng)態(tài)斷裂韌度。比較我們的實(shí)驗(yàn)-數(shù)值法和他人的準(zhǔn)靜態(tài)法得到的砂巖動(dòng)態(tài)起裂韌度，兩種方法得到的結(jié)果有一定的差異。分析了準(zhǔn)靜態(tài)方法測(cè)試動(dòng)態(tài)斷裂韌度的缺陷，我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)-數(shù)值法得到的結(jié)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(shí)驗(yàn)-數(shù)值法測(cè)得的結(jié)果做了對(duì)比，兩者吻合較好。得到的動(dòng)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(yīng)。 3.提出的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度測(cè)試方法，即實(shí)驗(yàn)-數(shù)值-解析法，該方法綜合采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、解析和數(shù)值計(jì)算三個(gè)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(kuò)展計(jì)測(cè)定試樣起裂時(shí)刻和裂紋擴(kuò)展速度。實(shí)驗(yàn)-數(shù)值-解析法考慮了材料的慣性效應(yīng)，不但可以確定不同動(dòng)態(tài)加載率下巖石的動(dòng)態(tài)起裂韌度，而且用普適函數(shù)描述裂紋擴(kuò)展速度對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，還可以確定不同裂速下的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度。 4．結(jié)題科學(xué)基金項(xiàng)目已取得相關(guān)學(xué)術(shù)成果: 學(xué)術(shù)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(jiǎng)項(xiàng)一個(gè)（獲2015年國(guó)家教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)），獲獎(jiǎng)項(xiàng)目名稱：“巖石類材料動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法的基礎(chǔ)研究”。 2100433B

關(guān)于巖石動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法的研究工作很少，一些重要的問(wèn)題急待解決，課題與國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)一致?；?995年ISRM發(fā)布的測(cè)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(cè)試巖石的動(dòng)態(tài)斷裂韌度，綜合采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、解析和數(shù)值計(jì)算三個(gè)研究手段解決這一困難問(wèn)題。主要工作有：1.利用霍普金森壓桿裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)，徑向撞擊CCNBD巖樣測(cè)試巖石的動(dòng)態(tài)斷裂韌度，提出更新的實(shí)驗(yàn)-數(shù)值法； 2.將斷裂量子概念用于研究巖石動(dòng)態(tài)斷裂問(wèn)題，探討斷裂長(zhǎng)度量子和斷裂時(shí)間量子的確定方法，對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子分別在空間和時(shí)間坐標(biāo)上積分后再取平均，獲得更合理更可靠并減少尺寸效應(yīng)的巖石動(dòng)態(tài)斷裂韌度值；3. 測(cè)試原理和方法的對(duì)比分析, 包括CCNBD試樣與其它試樣的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)-數(shù)值法與準(zhǔn)靜態(tài)法的對(duì)比，盡力解決長(zhǎng)期懸而未決的有關(guān)測(cè)試方法合理性的爭(zhēng)議問(wèn)題。

巖石斷裂理論是指研究裂紋在巖石中擴(kuò)展所需的條件及巖石斷裂機(jī)理的理論。

《混凝土斷裂試驗(yàn)與斷裂韌度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法》為配合國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)2005年11月頒布的我國(guó)第一部混凝土斷裂試驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL/T5332-2005）《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》的實(shí)施，從規(guī)程編制的角度，簡(jiǎn)要地介紹了混凝土斷裂力學(xué)的基本概念、原理和雙K斷裂準(zhǔn)則，并詳細(xì)介紹了該規(guī)程規(guī)定的測(cè)定混凝土斷裂韌度的楔入劈拉試驗(yàn)方法和三點(diǎn)彎曲切口梁試驗(yàn)方法，以及依據(jù)所測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算混凝土的起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度的計(jì)算方法和基本公式，還對(duì)規(guī)程相關(guān)條文進(jìn)行了解釋和說(shuō)明。為方便規(guī)程實(shí)施，還介紹了應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元計(jì)算方法和水工混凝土裂縫類型和實(shí)例。

巖石強(qiáng)度測(cè)試方法是指測(cè)定巖石物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)方法 。通常在現(xiàn)場(chǎng)取回巖芯或巖塊，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在室內(nèi)加工成規(guī)則試件，借助適當(dāng)?shù)募虞d設(shè)備在規(guī)定的加載速率下測(cè)定試件破壞時(shí)某截面上的極限應(yīng)力。以同種巖石的一組試件的平均強(qiáng)度作為該種巖石的強(qiáng)度。為獲得準(zhǔn)確的巖石強(qiáng)度指標(biāo)和便于資料交流，對(duì)各種強(qiáng)度測(cè)試都有統(tǒng)一的要求，如對(duì)試件、加載、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理或計(jì)算都有一定的規(guī)定。2100433B