基于晶粒的不连续变形分析方法研究矿物尺度非均匀性对岩石动态压缩失效行为的影响

《Scientific Reports》：Investigation of mineral-scale heterogeneity effects on dynamic compression failure behavior of rocks using grain-based discontinuous deformation analysis

　　

摘要

工程项目规模和复杂度的不断提升，使得在爆破、冲击等场景下理解岩石的动态力学行为变得至关重要。为探究矿物尺度不均匀性在动态压缩破坏中的作用，本研究利用Voronoi镶嵌技术开发了一种晶粒基离散变形分析（GB-DDA）模型，并将其与Barre花岗岩的实验数据进行标定。通过采用改进的加载方案，该模型将晶粒尺度的不均匀性纳入DDA框架中，从而能够在动态载荷下逼真地模拟多矿物岩石的力学行为，同时缓解高应变率单轴压缩试验中应力不均匀和边界过早失效的问题。通过对具有不同平均晶粒尺寸、晶粒圆度和矿物含量的模型施加不同的加载速率，研究揭示了应变率的增加会加剧碎裂、促进剪切裂纹和晶内（TG）裂纹的产生，并同时提高动态单轴抗压强度（DUCS）和动态强度增强因子（DIF）。此外，在恒定的应变率下，较大的晶粒尺寸、较高的晶粒圆度和较高的黑云母含量有利于剪切裂纹的萌生，而较大的晶粒尺寸、较高的圆度和较高的石英含量则促进晶内裂纹的形成并进一步提高DUCS。较大的晶粒尺寸和较低的圆度会提高DIF，而矿物成分对DIF的影响较为有限。双因素方差分析（ANOVA）进一步表明，在测试范围内，介观结构与应变率的交互作用因参数类型而异，协同效应主要控制剪切主导型破坏和强度，而非晶内裂纹。