岩石动力学基础与应用PDF电子书下载

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