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內容簡介

　　為促進岩石動力學研究的進一步發展和深入，作者在原《岩石衝擊動力學》的基礎上，把近二十年來在岩石動力學基礎研究方麵的工作進行瞭總結，形成該書第二版——《岩石動力學基礎與應用》。　　《岩石動力學基礎與應用》共分15章，其中第1～4章係統介紹岩石動態試驗裝置與試驗技術、岩石衝擊試驗閤理加載波形與試驗方法、閤理加載波形反演設計與試驗係統數值模擬、動靜組閤加載與溫壓耦閤試驗技術；第5～8章主要論述衝擊載荷作用下的岩石力學特性、動靜組閤加載下的岩石破壞特徵、岩石在應力波作用下的能量耗散及動靜載荷耦閤作用下岩石破碎規律；第9～11章著重論述應力波在不同邊界結構麵、含空區岩體及含石英類壓電岩體中的傳播；第12～15章主要論述高應力岩體的破裂特徵與有效利用、深部硬岩岩爆的動力學解釋與工程防護、岩體工程微震監測及應力波在岩土工程中的應用。　　《岩石動力學基礎與應用》可供礦業、土木、石油、水電、建築、地球物理及安全等領域的生産、科研與教學人員參考。

內頁插圖

目錄

序第1章 岩石動態試驗裝置與試驗技術1.1 岩石準動態試驗裝置1.1.1 快速加載試驗機原理1.1.2 國內外研製的幾種快速加載試驗機1.1.3 中應變率段(10s-1)的岩石試驗方法1.2 岩石動態壓縮試驗裝置與試驗技術1.2.1 霍普金森實驗的沿革與發展1.2.2 霍普金森壓杆裝置試驗原理1.2.3 岩樣應力均勻化的簡化分析1.2.4 電腦化數據采集處理係統原理與方法1.3 自行研製的岩石衝擊加載試驗係統1.3.1 壓氣驅動的水平衝擊試驗機1.3.2 氮氣驅動的大直徑衝擊試驗機1.3.3 動態試驗測試係統1.3.4 信號與數據處理軟件1.4 霍普金森壓杆的變形裝置1.4.1 三軸霍普金森壓杆1.4.2 霍普金森拉杆1.4.3 霍普金森扭杆1.4.4 其他變形裝置1.5 岩石類材料動態拉伸試驗方法1.5.1 動態直接拉伸試驗1.5.2 動態間接拉伸試驗1.5.3 動態層裂試驗1.6 岩石超動態試驗裝置簡述1.6.1 幾種不同類型的試驗裝置1.6.2 氣體炮的工作原理1.6.3 平闆撞擊試驗試件布置參考文獻
第2章 岩石衝擊試驗閤理加載波形與試驗方法2.1 衝頭撞擊杆件産生的應力波形2.1.1 簡單結構衝頭産生的應力波形2.1.2 復雜衝頭撞擊杆件的電算方法2.2 矩形波波形彌散與岩石動態應力一應變麯綫2.2.1 不同形狀應力波在杆中傳播的彌散效應2.2.2 矩形波加載的應力應變麯綫2.2.3 不同加載波形下應力應變應變率關係2.3 岩石類材料動態試驗的閤理加載形式2.3.1 錐形衝頭加載2.3.2 紡錘形衝頭加載2.3.3 試樣的恒應變率變形條件與試驗驗證2.4 岩石恒應變率動態本構關係獲得的新方法2.4.1 SHPB試驗數據的三維散點處理方法2.4.2 試驗數據的三維散點結果的解釋2.5 岩石動態測試的建議方法2.5.1 試驗係統與參數2.5.2 岩石動態抗壓強度測試2.5.3 動態巴西試驗測試岩石抗拉強度2.5.4 T型動態斷裂韌度測試參考文獻
第3章 閤理加載波形反演設計與試驗係統數值模擬3.1 已知波形的衝頭形狀反演理論3.1.1 等截麵圓柱衝頭撞擊彈性長杆産生的應力波3.1.2 階梯狀變截麵衝頭撞擊彈性長杆時所産生的應力波3.1.3 連續變截麵衝頭撞擊時所産生的應力波3.1.4 基於一維應力波理論的衝頭形狀反演設計3.2 半正弦波對應的衝頭結構反演3.2.1 不同杆件尺寸的半正弦波衝頭反演設計3.2.2 半正弦波加載下的岩石動態試驗3.3 紡錘形衝頭SHPB係統的應力波特性3.3.1 不同接觸情況下杆中應力不均勻性分析3.3.2 紡錘形衝頭偏心撞擊下sHPB杆的動態響應3.4 紡錘形衝頭岩石SHPB試驗的校驗3.4.1 紡錘形衝頭衝擊速率和入射應力的關係3.4.2 紡錘形衝頭SHPB係統校正步驟3.5 半正弦波加載SHPB係統數值模擬3.5.1 紡錘形衝頭sHPB數值模擬係統3.5.2 顆粒流SHPB動態數值模擬3.5.3 應變率效應的影響參考文獻……第4章 動靜組閤加載與溫壓耦閤試驗技術第5章 衝擊載荷作用下的岩石力學特性第6章 動靜組閤加載下的岩石破壞特徵第7章 岩石在應力波作用下的能量耗散第8章 動靜載荷耦閤作用下岩石破碎特徵第9章 應力波在不同邊界結構麵的傳播第10章 應力波在含空區岩體中的傳播第11章 應力波在含石英類壓電岩體中的傳播第12章 高應力岩體的擾動破裂特徵與有效利用第13章 深部硬岩岩爆的動力學解釋與工程防護第14章 礦山岩體工程微震監測第15章 應力波理論在岩土工程中的應用索引彩圖

精彩書摘

　　4．2．2試驗方法與操作過程　　該試驗係統的工作過程為：岩石高溫衝擊實驗開始之前，將本係統試樣加熱裝置放於SHPB試驗颱上，將可調保溫倉門沿調節滑道嚮上提起，用定位螺柱暫時固定；將試樣放入加熱腔中部，調節入射杆和透射杆的位置，使其與試樣端部初步對齊；通過調節加熱裝置下部支架上的四個找平螺栓，達到試樣與入射杆、透射杆的精確對齊和完好接觸；鬆開定位螺柱，放下可調保溫倉門，使其口部盡可能接近入射杆、透射杆頂部，但又不影響兩個杆的來迴自由移動，標記齣此時可調保溫倉門的高度；退齣入射杆和透射杆，關閉可調保溫倉門，通過熱電耦齣入孔插入熱電耦，同時打開SHPB裝置數據采集處理係統，設置好采集參數；接通電源，啓動加熱腔溫度監測與控製儀(圖4—16)，通過調節溫度指示與控製盤、電壓控製鏇鈕和電流控製鏇鈕，使加熱溫度達到預定值，恒溫保持30min，使試樣均勻受熱；取齣熱電耦，迅速提起可調保溫倉門到已有標記高度，快速滑動說射杆和透射杆，使其與試樣緊密接觸，移動吸收杆，使其與透射杆緊密對心接觸；發射衝頭，衝頭撞擊入射杆産生應力波，應力波傳人試樣，並通過透射杆傳人吸收杆；數據采集處理係統通過應變片捕獲入射杆和透射杆上的應力波信號，完成數據采集。　　該試驗係統的主要優點在於：針對岩石衝擊破裂過程中高速碎塊的劇烈崩射特點，采用碳縴維增強閤金筒作為加熱腔的內壁，有效地防止瞭加熱腔的擊壞與擊穿；通過在試樣加熱裝置的支架上安裝找平螺栓，實現瞭試樣與入射杆、透射杆的精確對齊和完好接觸；通過在加熱腔兩端安裝可調保溫倉門，避免瞭入射杆、透射杆在齣入加熱腔時熱量的大量散失，保證瞭試樣的恒溫狀態。　　4．3動靜載荷耦閤破碎岩石試驗係統　　目前廣泛應用於礦山開采的鑽、采機械有鑿岩機、電煤鑽、潛孔鑽機、牙輪鑽機、全斷麵天井鑽機、竪井鑽機和截煤機、聯閤掘進機等。這些破岩機械分彆采用不同的外加載荷形式。其中，鑿岩機為衝擊載荷型；電煤鑽、截煤機和軟岩(煤)聯閤掘進機屬於靜態軸嚮力+切嚮力型；潛孔鑽和具有外迴轉轉釺機構的鑿岩機屬於靜壓+衝擊型，其靜壓作用比較小，主要靠衝擊載荷的作用；牙輪鑽和部分硬岩全斷麵鑽(掘)機則可列人靜壓、衝擊+切削力型，其衝擊力相對較小，且是由刀具被動産生的。進一步分析國內外所研製的模擬試驗裝置，不難看齣，這些裝置隻能進行單一的靜態或動態加載，不能實現動靜組閤加載。圍繞上述機械所做的各種破岩試驗，不外乎是單一靜態試驗或動態試驗，並且主要是圍繞在單一壓入或衝擊載荷下的岩石破裂特徵及其相應的最優加載參數上展開的。為瞭進行變參數條件下的靜壓+衝擊一切削組閤的破岩試驗，我們研製和開發瞭多功能的岩石破碎試驗颱。　　4．3．1動、靜載荷耦閤破碎岩石試驗原理　　試驗時將刀具置於岩石錶麵，通過三個不同的加載裝置分彆對刀具施加垂直靜載荷、衝擊載荷和水平切削力，岩石因受竪嚮壓力Fs、衝擊力Ft和水平切削力Fc的共同作用而破碎(圖4一17)。若垂直靜壓很小，隻能使刀尖貼近試樣錶麵，則試樣隻受垂直方嚮的衝擊載荷和水平切削力的作用，此時破岩模式屬於衝擊一切削破碎；若垂直靜壓可變且不能忽略，則其破岩模式屬於衝擊+靜壓一切削破碎。　　……

前言/序言

　　1993年，博士剛畢業時，結閤博士學位論文所做工作和國內外相關領域的研究成果，齣版瞭第一本《岩石衝擊動力學》著作。該書係統地總結瞭自己和當時國內外在岩體動態力學特性、試驗技術及其應力波在岩體中的傳播特徵方麵的研究工作。該書雖然獲得瞭第九屆中國圖書奬(1995年)，但由於當時條件和經費等的限製，該書發行量很有限，緻使後來很多同行和學生索要此書時，都未能如願。因此，很多年前就有擴版該書的意願。　　事實上，從1983年攻讀碩士研究生師從賴海輝教授開始，我就從事與岩石動力學有關的理論與應用研究。碩士論文題目為“衝擊載荷下的岩石能耗及破碎力學性質的研究”。當時，在國內很少有人采用霍普金森壓杆(SHPB)裝置進行岩石類材料的試驗。為瞭建立和改進SHPB裝置，我幾次上北京，求教中國科學院力學研究所的寇紹全教授和北京科技大學的於亞倫教授，於先生曾於20世紀80年代初在日本北海道大學進修時從事過SHPB岩石性質的試驗。寇紹全教授當時在中國科學院力學研究所主要用SHPB從事金屬等材料的研究。為瞭獲得精確的瞬態應力信號，我們自行研製瞭“瞬態信號放大器”和測速裝置。幾上北京、貴州等地購置激光器和維修記憶示波器，建成瞭30inm杆徑的氣動水平衝擊試驗機及其測試係統，並順利完成瞭以岩石動力學特徵和能耗特徵為主的碩士論文。同時，以碩士論文的研究工作為基礎，在《礦冶工程》發錶瞭自己的第一篇學術論文。　　為瞭能繼續利用SHPB裝置從事岩石動力學方麵的研究，我和導師賴海輝教授一起嘗試申請國傢自然科學基金。1988年，我手寫的國傢自然科學基金“礦岩破碎中的耗能規律和節能的研究”獲得批準，繼而為我繼續從事這方麵研究創造瞭條件。1989年，我師從古德生院士，攻讀脫産的全日製博士研究生。博士論文題目為“礦岩中應力波的傳輸特徵與能量耗散規律的研究”，結閤國傢自然科學基金項目，試圖就不同應力波加載條件下的岩石能耗規律及其應力波在岩體中的傳輸特性展開深入研究。為此自行設計瞭能獲得鍾形波、矩形波和指數衰減波的衝擊加載裝置，利用改進的SHPB裝置完成瞭不同岩石、不同波形加載條件下的岩石動力學特徵和耗能效果的試驗研究。為瞭改進試驗條件和提高試驗精度，先後耗時近兩年的時間，通過自身的多方努力，建立瞭數字化的SHPB試驗係統。眾所周知：傳統的SHPB裝置的加載波都是等徑衝擊産生的矩形波，我在碩士時期的研究也不例外。但在1989年，當我研究不同加載波下的岩石吸能效果時，需要利用SHPB通過不同加載波對岩石加載，以獲取不同的能量效果，在這一過程中，我們發現岩石在不同加載波形加載下獲得的應力一應變一應變率關係是不同的。在人們習慣於對試驗麯綫光滑化處理時，我們發現矩形波加載岩石獲得的未經光滑化處理的試驗麯綫存在很大的振蕩，而鍾形波麯綫光滑平整，同時應變率隨時間變化也很穩定。　　……
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