　　为促进岩石动力学研究的进一步发展和深入，作者在原《岩石冲击动力学》的基础上，把近二十年来在岩石动力学基础研究方面的工作进行了总结，形成该书第二版——《岩石动力学基础与应用》。　　《岩石动力学基础与应用》共分15章，其中第1～4章系统介绍岩石动态试验装置与试验技术、岩石冲击试验合理加载波形与试验方法、合理加载波形反演设计与试验系统数值模拟、动静组合加载与温压耦合试验技术；第5～8章主要论述冲击载荷作用下的岩石力学特性、动静组合加载下的岩石破坏特征、岩石在应力波作用下的能量耗散及动静载荷耦合作用下岩石破碎规律；第9～11章着重论述应力波在不同边界结构面、含空区岩体及含石英类压电岩体中的传播；第12～15章主要论述高应力岩体的破裂特征与有效利用、深部硬岩岩爆的动力学解释与工程防护、岩体工程微震监测及应力波在岩土工程中的应用。　　《岩石动力学基础与应用》可供矿业、土木、石油、水电、建筑、地球物理及安全等领域的生产、科研与教学人员参考。

内页插图

序第1章岩石动态试验装置与试验技术1.1 岩石准动态试验装置1.1.1 快速加载试验机原理1.1.2 国内外研制的几种快速加载试验机1.1.3 中应变率段(10s-1)的岩石试验方法1.2 岩石动态压缩试验装置与试验技术1.2.1 霍普金森实验的沿革与发展1.2.2 霍普金森压杆装置试验原理1.2.3 岩样应力均匀化的简化分析1.2.4 电脑化数据采集处理系统原理与方法1.3 自行研制的岩石冲击加载试验系统1.3.1 压气驱动的水平冲击试验机1.3.2 氮气驱动的大直径冲击试验机1.3.3 动态试验测试系统1.3.4 信号与数据处理软件1.4 霍普金森压杆的变形装置1.4.1 三轴霍普金森压杆1.4.2 霍普金森拉杆1.4.3 霍普金森扭杆1.4.4 其他变形装置1.5 岩石类材料动态拉伸试验方法1.5.1 动态直接拉伸试验1.5.2 动态间接拉伸试验1.5.3 动态层裂试验1.6 岩石超动态试验装置简述1.6.1 几种不同类型的试验装置1.6.2 气体炮的工作原理1.6.3 平板撞击试验试件布置参考文献
第2章岩石冲击试验合理加载波形与试验方法2.1 冲头撞击杆件产生的应力波形2.1.1 简单结构冲头产生的应力波形2.1.2 复杂冲头撞击杆件的电算方法2.2 矩形波波形弥散与岩石动态应力一应变曲线2.2.1 不同形状应力波在杆中传播的弥散效应2.2.2 矩形波加载的应力应变曲线2.2.3 不同加载波形下应力应变应变率关系2.3 岩石类材料动态试验的合理加载形式2.3.1 锥形冲头加载2.3.2 纺锤形冲头加载2.3.3 试样的恒应变率变形条件与试验验证2.4 岩石恒应变率动态本构关系获得的新方法2.4.1 SHPB试验数据的三维散点处理方法2.4.2 试验数据的三维散点结果的解释2.5 岩石动态测试的建议方法2.5.1 试验系统与参数2.5.2 岩石动态抗压强度测试2.5.3 动态巴西试验测试岩石抗拉强度2.5.4 T型动态断裂韧度测试参考文献
第3章合理加载波形反演设计与试验系统数值模拟3.1 已知波形的冲头形状反演理论3.1.1 等截面圆柱冲头撞击弹性长杆产生的应力波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3.1.3 连续变截面冲头撞击时所产生的应力波3.1.4 基于一维应力波理论的冲头形状反演设计3.2 半正弦波对应的冲头结构反演3.2.1 不同杆件尺寸的半正弦波冲头反演设计3.2.2 半正弦波加载下的岩石动态试验3.3 纺锤形冲头SHPB系统的应力波特性3.3.1 不同接触情况下杆中应力不均匀性分析3.3.2 纺锤形冲头偏心撞击下sHPB杆的动态响应3.4 纺锤形冲头岩石SHPB试验的校验3.4.1 纺锤形冲头冲击速率和入射应力的关系3.4.2 纺锤形冲头SHPB系统校正步骤3.5 半正弦波加载SHPB系统数值模拟3.5.1 纺锤形冲头sHPB数值模拟系统3.5.2 颗粒流SHPB动态数值模拟3.5.3 应变率效应的影响参考文献……第4章动静组合加载与温压耦合试验技术第5章冲击载荷作用下的岩石力学特性第6章动静组合加载下的岩石破坏特征第7章岩石在应力波作用下的能量耗散第8章动静载荷耦合作用下岩石破碎特征第9章应力波在不同边界结构面的传播第10章应力波在含空区岩体中的传播第11章应力波在含石英类压电岩体中的传播第12章高应力岩体的扰动破裂特征与有效利用第13章深部硬岩岩爆的动力学解释与工程防护第14章矿山岩体工程微震监测第15章应力波理论在岩土工程中的应用索引彩图

精彩书摘

　　4．2．2试验方法与操作过程　　该试验系统的工作过程为：岩石高温冲击实验开始之前，将本系统试样加热装置放于SHPB试验台上，将可调保温仓门沿调节滑道向上提起，用定位螺柱暂时固定；将试样放入加热腔中部，调节入射杆和透射杆的位置，使其与试样端部初步对齐；通过调节加热装置下部支架上的四个找平螺栓，达到试样与入射杆、透射杆的精确对齐和完好接触；松开定位螺柱，放下可调保温仓门，使其口部尽可能接近入射杆、透射杆顶部，但又不影响两个杆的来回自由移动，标记出此时可调保温仓门的高度；退出入射杆和透射杆，关闭可调保温仓门，通过热电耦出入孔插入热电耦，同时打开SHPB装置数据采集处理系统，设置好采集参数；接通电源，启动加热腔温度监测与控制仪(图4—16)，通过调节温度指示与控制盘、电压控制旋钮和电流控制旋钮，使加热温度达到预定值，恒温保持30min，使试样均匀受热；取出热电耦，迅速提起可调保温仓门到已有标记高度，快速滑动说射杆和透射杆，使其与试样紧密接触，移动吸收杆，使其与透射杆紧密对心接触；发射冲头，冲头撞击入射杆产生应力波，应力波传人试样，并通过透射杆传人吸收杆；数据采集处理系统通过应变片捕获入射杆和透射杆上的应力波信号，完成数据采集。　　该试验系统的主要优点在于：针对岩石冲击破裂过程中高速碎块的剧烈崩射特点，采用碳纤维增强合金筒作为加热腔的内壁，有效地防止了加热腔的击坏与击穿；通过在试样加热装置的支架上安装找平螺栓，实现了试样与入射杆、透射杆的精确对齐和完好接触；通过在加热腔两端安装可调保温仓门，避免了入射杆、透射杆在出入加热腔时热量的大量散失，保证了试样的恒温状态。　　4．3动静载荷耦合破碎岩石试验系统　　目前广泛应用于矿山开采的钻、采机械有凿岩机、电煤钻、潜孔钻机、牙轮钻机、全断面天井钻机、竖井钻机和截煤机、联合掘进机等。这些破岩机械分别采用不同的外加载荷形式。其中，凿岩机为冲击载荷型；电煤钻、截煤机和软岩(煤)联合掘进机属于静态轴向力+切向力型；潜孔钻和具有外回转转钎机构的凿岩机属于静压+冲击型，其静压作用比较小，主要靠冲击载荷的作用；牙轮钻和部分硬岩全断面钻(掘)机则可列人静压、冲击+切削力型，其冲击力相对较小，且是由刀具被动产生的。进一步分析国内外所研制的模拟试验装置，不难看出，这些装置只能进行单一的静态或动态加载，不能实现动静组合加载。围绕上述机械所做的各种破岩试验，不外乎是单一静态试验或动态试验，并且主要是围绕在单一压入或冲击载荷下的岩石破裂特征及其相应的最优加载参数上展开的。为了进行变参数条件下的静压+冲击一切削组合的破岩试验，我们研制和开发了多功能的岩石破碎试验台。　　4．3．1动、静载荷耦合破碎岩石试验原理　　试验时将刀具置于岩石表面，通过三个不同的加载装置分别对刀具施加垂直静载荷、冲击载荷和水平切削力，岩石因受竖向压力Fs、冲击力Ft和水平切削力Fc的共同作用而破碎(图4一17)。若垂直静压很小，只能使刀尖贴近试样表面，则试样只受垂直方向的冲击载荷和水平切削力的作用，此时破岩模式属于冲击一切削破碎；若垂直静压可变且不能忽略，则其破岩模式属于冲击+静压一切削破碎。　　……

前言/序言

　　1993年，博士刚毕业时，结合博士学位论文所做工作和国内外相关领域的研究成果，出版了第一本《岩石冲击动力学》著作。该书系统地总结了自己和当时国内外在岩体动态力学特性、试验技术及其应力波在岩体中的传播特征方面的研究工作。该书虽然获得了第九届中国图书奖(1995年)，但由于当时条件和经费等的限制，该书发行量很有限，致使后来很多同行和学生索要此书时，都未能如愿。因此，很多年前就有扩版该书的意愿。　　事实上，从1983年攻读硕士研究生师从赖海辉教授开始，我就从事与岩石动力学有关的理论与应用研究。硕士论文题目为“冲击载荷下的岩石能耗及破碎力学性质的研究”。当时，在国内很少有人采用霍普金森压杆(SHPB)装置进行岩石类材料的试验。为了建立和改进SHPB装置，我几次上北京，求教中国科学院力学研究所的寇绍全教授和北京科技大学的于亚伦教授，于先生曾于20世纪80年代初在日本北海道大学进修时从事过SHPB岩石性质的试验。寇绍全教授当时在中国科学院力学研究所主要用SHPB从事金属等材料的研究。为了获得精确的瞬态应力信号，我们自行研制了“瞬态信号放大器”和测速装置。几上北京、贵州等地购置激光器和维修记忆示波器，建成了30inm杆径的气动水平冲击试验机及其测试系统，并顺利完成了以岩石动力学特征和能耗特征为主的硕士论文。同时，以硕士论文的研究工作为基础，在《矿冶工程》发表了自己的第一篇学术论文。　　为了能继续利用SHPB装置从事岩石动力学方面的研究，我和导师赖海辉教授一起尝试申请国家自然科学基金。1988年，我手写的国家自然科学基金“矿岩破碎中的耗能规律和节能的研究”获得批准，继而为我继续从事这方面研究创造了条件。1989年，我师从古德生院士，攻读脱产的全日制博士研究生。博士论文题目为“矿岩中应力波的传输特征与能量耗散规律的研究”，结合国家自然科学基金项目，试图就不同应力波加载条件下的岩石能耗规律及其应力波在岩体中的传输特性展开深入研究。为此自行设计了能获得钟形波、矩形波和指数衰减波的冲击加载装置，利用改进的SHPB装置完成了不同岩石、不同波形加载条件下的岩石动力学特征和耗能效果的试验研究。为了改进试验条件和提高试验精度，先后耗时近两年的时间，通过自身的多方努力，建立了数字化的SHPB试验系统。众所周知：传统的SHPB装置的加载波都是等径冲击产生的矩形波，我在硕士时期的研究也不例外。但在1989年，当我研究不同加载波下的岩石吸能效果时，需要利用SHPB通过不同加载波对岩石加载，以获取不同的能量效果，在这一过程中，我们发现岩石在不同加载波形加载下获得的应力一应变一应变率关系是不同的。在人们习惯于对试验曲线光滑化处理时，我们发现矩形波加载岩石获得的未经光滑化处理的试验曲线存在很大的振荡，而钟形波曲线光滑平整，同时应变率随时间变化也很稳定。　　……
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