冲击载荷作用下岩石动态断裂试验研究

以自行研制的可调速落锤冲击试验机进行加载,通过高速相机搭建数据采集系统,采用数字散斑相关方法作为试验的观测方法,开展5组不同预制裂纹长度的花岗岩试件在冲击载荷作用下的动态断裂试验。并对岩石I型裂纹在冲击载荷作用下的位移场演化、裂纹动态断裂的裂尖张开位移、裂纹尖端的扩展历史、动态断裂的应力强度因子进行了定量研究。试验结果表明：对于单一试件而言,在落锤开始与岩石试件的边界接触到试件的预制裂纹开始扩展整个过程中,裂纹尖端的应力强度因子KI呈递增趋势,KII与KI相比,相差1～2个数量级。对于不同预制裂纹试件,在落锤冲击加载作用下,总体表现为一定的预制裂纹长度范围内,随着预制裂纹的长度增加,裂纹尖端应力强度因子呈增加的趋势。     

岩石变形破坏全过程的变形场和能量演化研究

以白光数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过单轴压缩试验对一种红砂岩变形破坏全过程的变形场和能量演化特征进行研究。利用CCD(charge-coupled device)相机记录试验加载全过程的试件表面散斑场图像,采用数字散斑相关方法对试验图像进行分析,计算得到了岩石变形破坏过程中试件表面变形场、变形局部化区域的位移错动量值和试件表面变形能密度量值,并对变形局部化带的位移演化和变形能量演化特征进行分析。从试验结果分析得出：岩石试件变形局部化带的位移演化在加载峰值前基本上保持线性演化规律,而其位移错动加速与加载峰值点相对应,岩石试件加载峰值后阶段的承载力变化主要受变形局部化带的位移演化影响;岩石试件在加载过程中的能量释放和能量积累规律与局部化带的演化有关,体现出局部能量释放和整体能量释放两种形式。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

不同加载速率Ⅰ型预制裂纹花岗岩断裂特征研究

以CCD相机配合高速相机搭建试验变形观测系统,开展不同加载速率下含Ⅰ型预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验。利用数字散斑相关方法对试验过程采集的数字散斑图像进行分析,对不同加载速率作用下含Ⅰ型预制裂纹花岗岩试件裂纹扩展过程中的变形演化特征、裂纹扩展速率、裂纹尖端张开位移、裂纹张开角以及初始断裂应力强度因子进行研究,研究结果表明：（1）花岗岩试件初始裂纹扩展速率随着加载速率的增加总体呈线性增加趋势;最大扩展速率随着加载速率增加呈现先较快增加后缓慢增加的变化趋势。（2）不同加载速率作用下,花岗岩试件预制裂纹尖端张开位移均呈现非线性缓慢增长-迅速增长-线性增长的变形趋势,且线性增长阶段曲线斜率随着加载速率的增加而增大。（3）随着加载速率的增加,花岗岩试件初始裂纹张开角先逐渐减小后稳定在0.1o～0.13o。（4）随着加载速率的增加,花岗岩试件初始断裂应力强度因子呈指数增长。     

断层黏滑动态变形过程的实验研究

实验研究断层黏滑过程的变形演化,尤其是失稳黏滑瞬间的断层位移演化特征,对于了解地震从孕育到发生的全过程具有重要意义.本文基于数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM),用三套图像采集系统(两套低速和一套高速图像采集系统)搭建了断层黏滑过程的多观测区域、多时间尺度的变形场测量系统,并用此系统对一种花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程进行了实验研究.对间黏滑期和黏滑期断层位移演化特征进行深入分析的结果表明:间黏滑期断层位移演化体现出空间上的非均匀性和时间上的"趋同化"特征,断层滑动趋同化也许是断层错动匀阻化的一种宏观表现形式;断层黏滑动态过程持续时间非常短(本文300 mm断层黏滑过程持续时间约在1 ms量级),黏滑失稳前会出现预滑,预滑出现到黏滑失稳发生所经历的时间与黏滑失稳过程所用时间相差一个量级;断层的一次黏滑由若干个滑动速度不同的、小的失稳滑动组成,黏滑失稳过程中断层的滑动速度呈现出波动性,整个滑动过程中断层经历了多个高速滑动和低速滑动的交错.     

基于非均匀特征的岩石蠕滑与黏滑变形演化研究

基于岩石摩擦滑动变形场的非均匀特征,开展了岩石蠕滑和黏滑两种形式的摩擦滑动规律研究。采用双面摩擦模型试验方法,以数字散斑相关方法作为观测手段,分别研究了岩石蠕滑和黏滑变形过程中围岩位移场等值线、变形场非均匀统计指标、变形能密度与滑动面滑动速度演化及规律。结果表明：围岩位移场等值线分布能较好地反映滑动面阻滑特征,其中强阻滑区域的位移等值线呈弧状且分布较稀疏,弱阻滑区域的位移场等值线呈平行状且分布较密集;岩石蠕滑过程中,非均匀统计指标呈现波动增长特征,岩石黏滑过程中,非均匀统计指标呈现出突变跳跃特征。岩石蠕滑过程中不同区域的滑动速度均呈加速与减速滑动的交替状态,滑动面上各点滑动趋势不同;岩石黏滑过程中不同区域的滑动速度均出现突变。岩石蠕滑过程中不同区域上的变形能密度均处于积累与释放的波动状态,岩石黏滑过程中不同区域变形能密度产生突变。     

层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征研究

通过三点弯曲试验，利用CCD相机作为观测手段，采用数字散斑相关方法，对一种细砂岩组成的层状复合岩石试件进行试验研究，分析层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征。结果表明：(1)随着荷载的施加，上下层试件表面的水平应变场呈现竖向分布的拉压应变区交替出现的现象，这种现象在层间接触面附近尤为明显；(2)层间滑动位移整体呈波动状态分布，随着荷载的增加，层间滑动位移值逐步增大，最大滑移值为0.174mm;(3)接触面水平应力值受层间接触条件影响呈波动变化状态，层间竖向应力曲线呈V形分布；(4)加载过程中层间摩擦系数不断变化，在滑动初期阶段，摩擦系数从3.5降低至0.2，在稳定滑动阶段，摩擦系数则保持为0.15;(5)上下层面变形能密度曲线变化趋势基本相同，在荷载峰值时刻，接触面变形能密度达到最大值4.2 J/m³。上述研究成果可为远程岩层界面DIC监测和岩层滑动研究取值提供有益的参考。