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第1章 岩石动态试验装置与试验技术1

1.1 岩石准动态试验装置2

1.1.1 快速加载试验机原理2

1.1.2 国内外研制的几种快速加载试验机4

1.1.3 中应变率段（10s-1）的岩石试验方法9

1.2 岩石动态压缩试验装置与试验技术18

1.2.1 霍普金森实验的沿革与发展18

1.2.2 霍普金森压杆装置试验原理19

1.2.3 岩样应力均匀化的简化分析24

1.2.4 电脑化数据采集处理系统原理与方法28

1.3 自行研制的岩石冲击加载试验系统31

1.3.1 压气驱动的水平冲击试验机31

1.3.2 氮气驱动的大直径冲击试验机33

1.3.3 动态试验测试系统35

1.3.4 信号与数据处理软件37

1.4 霍普金森压杆的变形装置39

1.4.1 三轴霍普金森压杆39

1.4.2 霍普金森拉杆43

1.4.3 霍普金森扭杆45

1.4.4 其他变形装置47

1.5 岩石类材料动态拉伸试验方法49

1.5.1 动态直接拉伸试验49

1.5.2 动态间接拉伸试验50

1.5.3 动态层裂试验53

1.6 岩石超动态试验装置简述56

1.6.1 几种不同类型的试验装置56

1.6.2 气体炮的工作原理57

1.6.3 平板撞击试验试件布置60

参考文献62

第2章 岩石冲击试验合理加载波形与试验方法67

2.1 冲头撞击杆件产生的应力波形67

2.1.1 简单结构冲头产生的应力波形67

2.1.2 复杂冲头撞击杆件的电算方法72

2.2 矩形波波形弥散与岩石动态应力-应变曲线80

2.2.1 不同形状应力波在杆中传播的弥散效应80

2.2.2 矩形波加载的应力-应变曲线86

2.2.3 不同加载波形下应力-应变-应变率关系89

2.3 岩石类材料动态试验的合理加载形式91

2.3.1 锥形冲头加载91

2.3.2 纺锤形冲头加载94

2.3.3 试样的恒应变率变形条件与试验验证96

2.4 岩石恒应变率动态本构关系获得的新方法99

2.4.1 SHPB试验数据的三维散点处理方法99

2.4.2 试验数据的三维散点结果的解释103

2.5 岩石动态测试的建议方法104

2.5.1 试验系统与参数105

2.5.2 岩石动态抗压强度测试105

2.5.3 动态巴西试验测试岩石抗拉强度107

2.5.4 Ⅰ型动态断裂韧度测试108

参考文献110

第3章 合理加载波形反演设计与试验系统数值模拟113

3.1 已知波形的冲头形状反演理论113

3.1.1 等截面圆柱冲头撞击弹性长杆产生的应力波113

3.1.2 阶梯状变截面冲头撞击弹性长杆时所产生的应力波115

3.1.3 连续变截面冲头撞击时所产生的应力波116

3.1.4 基于一维应力波理论的冲头形状反演设计118

3.2 半正弦波对应的冲头结构反演119

3.2.1 不同杆件尺寸的半正弦波冲头反演设计120

3.2.2 半正弦波加载下的岩石动态试验122

3.3 纺锤形冲头SHPB系统的应力波特性123

3.3.1 不同接触情况下杆中应力不均匀性分析123

3.3.2 纺锤形冲头偏心撞击下SHPB杆的动态响应127

3.4 纺锤形冲头岩石SHPB试验的校验131

3.4.1 纺锤形冲头冲击速率和入射应力的关系131

3.4.2 纺锤形冲头SHPB系统校正步骤133

3.5 半正弦波加载SHPB系统数值模拟134

3.5.1 纺锤形冲头SHPB数值模拟系统135

3.5.2 颗粒流SHPB动态数值模拟139

3.5.3 应变率效应的影响147

参考文献152

第4章 动静组合加载与温压耦合试验技术155

4.1 岩石动静组合加载试验技术155

4.1.1 静载与微扰组合加载试验技术156

4.1.2 基于SHPB的动静组合加载试验系统158

4.2 温压耦合岩石动载试验装置与技术162

4.2.1 温压耦合作用下岩石动态试验装置163

4.2.2 试验方法与操作过程164

4.3 动静载荷耦合破碎岩石试验系统165

4.3.1 动、静载荷耦合破碎岩石试验原理165

4.3.2 动、静载荷耦合破碎岩石试验装置166

4.3.3 试验装置可行性验证169

4.4 岩石真三轴电液伺服诱变扰动试验系统170

4.4.1 试验系统概述170

4.4.2 试验技术参数174

参考文献175

第5章 冲击载荷作用下的岩石力学特性176

5.1 岩石的动态强度176

5.1.1 岩石的应力-应变关系177

5.1.2 岩石动态强度与应变率的关系177

5.1.3 加载波形和延续时间的影响185

5.1.4 岩石动态强度的尺寸效应186

5.2 岩石动态断裂破坏准则192

5.2.1 Grady-Kipp模型192

5.2.2 Stenerding-Lehnigk动态断裂准则197

5.3 岩石的动态损伤累积200

5.3.1 应力波作用下的岩石疲劳损伤201

5.3.2 循环冲击下岩石的损伤规律203

5.3.3 应力波在岩体中的衰减205

5.4 高温下的岩石动力学特性208

5.4.1 高温前后岩石密度及波速特性208

5.4.2 高温后岩石动态拉压力学特性209

5.4.3 高温后岩石动态断裂力学特性215

参考文献217

第6章 动静组合加载下的岩石破坏特征221

6.1 静载与低频扰动作用下的岩石力学特征221

6.1.1 一维动静组合加载221

6.1.2 二维动静组合加载224

6.1.3 动静组合加载中动载荷频率与强度的影响227

6.2 静压与强动载组合作用下的岩石力学特性231

6.2.1 相同动载不同静载下岩石的力学特性231

6.2.2 相同静载不同动载下岩石的力学特性234

6.2.3 围压对组合加载岩石力学特性的影响235

6.3 动静组合加载下的岩石本构模型239

6.3.1 基本假设239

6.3.2 一维动静组合加载下岩石的本构模型240

6.3.3 三维动静组合加载下岩石的本构模型241

6.3.4 岩石动静组合加载本构关系的试验验证245

6.4 温压耦合作用下的岩石动态力学特性250

6.4.1 不同静压下岩石动态力学性质随温度变化规律250

6.4.2 不同温度岩石动态力学性质随静压变化规律253

6.4.3 温压耦合作用下岩石动态本构模型与数值验证255

参考文献257

第7章 岩石在应力波作用下的能量耗散258

7.1 岩石冲击破碎时的能量分布258

7.2 岩石在不同加载波下的能量耗散260

7.2.1 矩形波加载261

7.2.2 指数衰减波加载264

7.2.3 钟形波加载265

7.2.4 以弹性波形式无用耗散的能量值267

7.2.5 延续时间和波形的影响268

7.3 应力波作用下岩石的吸能效果269

7.3.1 岩石吸能分析269

7.3.2 入射能、反射能、透射能与岩石吸能271

7.3.3 不同延续时间下的岩石吸能试验结果274

7.4 不同加载波形下岩石破碎的耗能规律276

7.4.1 岩石耗能与入射能的关系276

7.4.2 不同加载条件下的破碎程度278

7.4.3 实现合理破岩的应力波体系280

7.5 动静组合载荷下岩石破坏的耗能规律282

7.5.1 动静组合载荷下岩石能量计算与释能规律282

7.5.2 三维组合加卸载下的岩石能量吸收规律285

7.5.3 围压卸载对岩石吸收能量的影响286

参考文献287

第8章 动静载荷耦合作用下岩石破碎特征290

8.1 动静载荷耦合作用下破岩理论分析290

8.1.1 动静载荷耦合破岩特性曲线分析290

8.1.2 动、静载荷耦合作用的力学分析292

8.1.3 动、静载荷破岩的损伤断裂分析293

8.2 动静载荷耦合作用下岩石破碎数值分析299

8.2.1 静载荷作用下岩石破碎的数值分析300

8.2.2 冲击载荷作用下岩石破碎的数值分析301

8.2.3 动静组合载荷作用下岩石破碎的数值分析301

8.3 动静载荷耦合作用下的破岩试验303

8.3.1 静压与冲击耦合下的试验304

8.3.2 静压与冲击耦合下的切削试验307

8.3.3 水射流与静压冲击联合作用破岩试验311

参考文献313

第9章 应力波在不同边界结构面的传播315

9.1 一维纵波在杆性质突变处的反射与透射315

9.2 完全黏结条件下纵横波的折反射关系317

9.2.1 波在自由边界上的反射317

9.2.2 波在两种介质分界面上的反射和折射322

9.3 可滑移条件下的折反射关系与岩体动力滑移准则325

9.3.1 可滑移条件下的折反射关系325

9.3.2 结构面上的能流分布与岩体动力滑移准则331

9.3.3 爆破近区结构面的整体界面效应334

9.4 应力波在闭合节理处的传播336

9.4.1 纵波在线性法向变形节理处的传播336

9.4.2 垂直纵波在非线性法向变形节理处的传播341

9.4.3 初始刚度和频率对透反射系数的影响342

9.5 应力波在张开节理处的传播346

9.5.1 应力波在张开节理处传播的解析模型346

9.5.2 不同应力波在张开节理处的能量传递规律351

9.6 应力波在层状岩体中的传播357

9.6.1 等效波阻法357

9.6.2 应力波通过夹层后的透射应力波形360

9.6.3 应力波遇夹层后的能量传递效果365

9.7 爆轰波作用和岩石与炸药的合理耦合准则366

9.7.1 传统的匹配观点367

9.7.2 药卷爆轰与岩体的相互作用模型368

9.7.3 岩石与炸药的合理耦合准则370

9.7.4 常规炸药与不同岩体的合理匹配373

参考文献376

第10章 应力波在含空区岩体中的传播378

10.1 爆炸在岩体中产生的应变波378

10.1.1 线性炸药爆炸的波形合成378

10.1.2 测点位置与方向对波形的影响381

10.1.3 爆炸成坑的半径范围384

10.2 质点震动速率经验公式与评估标准385

10.2.1 不同岩石条件下的评估标准385

10.2.2 质点震动峰值速率经验公式387

10.2.3 含有采空区的露天台阶爆破实例389

10.3 应力波在含空区岩体中传播的数值模拟394

10.3.1 几何模型的建立394

10.3.2 爆破荷载输入方法396

10.3.3 数值计算模型的建立398

10.3.4 数值计算模型验证400

10.4 采空区动力稳定性分析401

10.4.1 岩体表面应力波传播401

10.4.2 台阶爆破下的采空区稳定性分析403

10.4.3 最小安全距离406

参考文献408

第11章 应力波在含石英类压电岩体中的传播410

11.1 应力波与电磁波耦合的基本模型410

11.1.1 力电耦合波动方程410

11.1.2 应力波与电磁波的耦合理论411

11.2 节理对岩体电磁辐射的影响417

11.2.1 线性节理对电磁辐射的影响417

11.2.2 非线性节理对电磁辐射的影响419

11.2.3 节理对电磁辐射影响的计算与讨论420

11.3 岩石电磁辐射与岩石属性参数的关系424

11.3.1 岩石破裂裂纹宽度424

11.3.2 电磁辐射频率与岩石参数的关系426

11.3.3 电磁辐射幅值与岩石参数的关系427

11.4 应力波传输效应430

11.4.1 耦合电磁波的频率和强度430

11.4.2 耦合电磁波的表面效应431

11.4.3 临强地震与岩石破裂时电磁异常现象的综合431

参考文献433

第12章 高应力岩体的扰动破裂特征与有效利用436

12.1 高应力硬岩的板裂破坏436

12.1.1 高应力硬岩板裂破坏的表现形式436

12.1.2 硬岩单轴压缩试验下的板裂破坏438

12.1.3 硬岩真三轴卸载试验下的板裂破坏446

12.2 冲击载荷作用下的岩体层裂破坏452

12.2.1 岩体层裂破坏的表现形式和发生条件452

12.2.2 一维冲击下的硬岩层裂破坏454

12.2.3 层裂破坏过程的损伤演化关系456

12.3 动力扰动下高应力矿柱的破坏特征458

12.3.1 深部矿柱动力扰动的力学模型458

12.3.2 深部矿柱动力扰动的三维数值分析461

12.3.3 深部矿柱应变能随扰动峰值的变化特征465

12.4 高应力岩体分区破裂特征与动力学解释466

12.4.1 高应力岩体分区破裂的研究现状467

12.4.2 高应力岩体强卸荷的非连续破坏特征471

12.4.3 高应力岩体加载的非连续破坏特征478

12.5 高应力岩体诱导致裂与非爆连续开采483

12.5.1 非爆连续开采理念与应用进展483

12.5.2 岩体卸荷诱导致裂理论与应用484

12.5.3 诱导致裂非爆连续开采可行性初探487

参考文献492

第13章 深部硬岩岩爆的动力学解释与工程防护495

13.1 岩爆产生条件与发生判据495

13.1.1 国内外岩爆研究述评495

13.1.2 岩爆诱因的静力学条件与判据497

13.1.3 硬岩深部开采动力扰动与诱发岩爆501

13.2 弹性储能释放的岩爆发生判据504

13.2.1 一维动静组合加载试验的岩石能量分析504

13.2.2 基于扰动载荷下动静能量指标的岩爆发生判据509

13.2.3 高应力岩体动力扰动下岩爆发生的试验室重现510

13.3 有岩爆倾向性高应力岩体的支护514

13.3.1 基于动力学的岩体支护系统514

13.3.2 基于自稳时变结构的岩爆动力源分析517

13.3.3 动静组合支护关键技术523

13.3.4 巷道动静组合支护实例527

参考文献529

第14章 矿山岩体工程微震监测532

14.1 微震监测原理532

14.1.1 震源定位532

14.1.2 主要微震参数533

14.1.3 微震源机制536

14.2 监测网的确定及优化538

14.2.1 重点监测区域确定538

14.2.2 矿区应力三维数值分析539

14.2.3 监测点位置分布及优化方案542

14.3 无需预先测速的微震震源定位理论552

14.3.1 传统定位方法数学拟合形式552

14.3.2 无需预先测速率的微震定位的数学形式554

14.3.3 误差分析及算例556

14.3.4 现场微震震源定位的爆破试验及分析561

14.4 大规模开采矿山区域性危险地震预测563

14.4.1 地震视应力和位移特性563

14.4.2 区域性地震成核预测模型566

14.4.3 应力状态和变形参数时间序列568

参考文献570

第15章 应力波理论在岩土工程中的应用574

15.1 冲击破岩574

15.1.1 冲击破岩机械的受力和效率分析575

15.1.2 入射应力波形对能量传递效率的影响587

15.1.3 冲击凿入系统的电算模拟589

15.1.4 冲击凿岩机具设计中的几个问题592

15.2 桩基工程594

15.2.1 应力波在桩基中的发展过程594

15.2.2 波动理论在桩基工程中的应用596

15.2.3 动测法存在的问题605

15.3 强夯606

15.3.1 强夯引起的波动与加固原理607

15.3.2 锤重、落距与加固深度的关系610

15.3.3 散体岩料的动压固效果612

15.4 岩土工程中的无损检测618

15.4.1 混凝土无损检测618

15.4.2 锚杆无损检测622

15.5 防护工程625

15.5.1 爆炸波对地下坑道的破坏机理625

15.5.2 坑道安全防护层厚度计算方法627

15.5.3 地下硐室抗爆设计629

参考文献634

索引636