频繁冲击扰动下深部岩石动力学特性及应用

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本书主要研究内容

2 深部岩石物理性质及静态力学特性

2．1 引言

2．2 岩石的基本物理性质

2．3 深部岩石的静态力学特性

2．4 本章小结

3 一维高静载受频繁动态扰动时深部岩石动力学特性

3．1 引言

3．2 一维高静载频繁动态扰动试验

3．3 一维高静载受频繁动态扰动试验结果

3．4 一维高静载受频繁动态扰动时岩石动态变形特征

3．5 本章小结

4 三维高静载下受频繁动态扰动时深部岩石动力学特性

4．1 引言

4．2 三维高静载频繁动态扰动试验

4．3 三维高静载频繁动态扰动试验结果

4．4 三维高静载下受频繁动态扰动时深部岩石动态变形特征

4．5 本章小结

5 卸载过程中受频繁动态扰动时深部岩石动力学特性

5．1 引言

5．2 高静载卸载频繁动态扰动试验

5．3 卸载过程中受频繁动态扰动试验结果

5．4 卸载过程中受频繁动态扰动时深部岩石动态变形特征

5．5 卸载过程中受频繁动态扰动时深部岩石的破坏模式

5．6 本章小结

6 高静载及动态扰动下深部岩石损伤破坏机理

6．1 引言

6．2 一维高静载频繁动态扰动下岩石损伤演化模型

6．3 一维高静载频繁动态扰动时岩石破坏过程及模式

6．4 三维高静载频繁动态扰动下岩石损伤演化模型

6．5 三维高静载频繁动态扰动时岩石破坏过程及模式

6．6 本章小结

7 高静载频繁动态扰动下深部岩石的本构模型

7．1 引言

7．2 高静载频繁动态扰动下岩石的本构模型

7．3 试验验证

7．4 本章小结

8 深部出矿巷道支护方案优化

8．1 引言

8．2 深部出矿巷道围岩破坏特征

8．3 深部出矿巷道围岩稳定性数值模拟分析

8．4 深部出矿巷道支护方案探讨

8．5 本章小结

参考文献2100433B

《频繁冲击扰动下深部岩石动力学特性及应用》基于深部岩石工程施工时面临“高静应力、频繁爆破扰动”的力学环境，以深部矽卡岩、蛇纹岩为研究对象，开展频繁冲击扰动下岩石的动力学特性试验研究。首先系统分析了一维或三维高静载、一维高轴压卸载、三维高静载围压卸载时深部岩石受频繁扰动冲击时的动力学特性；然后分析了一维、三维条件下深部岩石的损伤破坏机理，并建立相应条件下深部岩石的损伤本构模型；后结合研究成果。采用数值模拟的方法研究了冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩的变形特征，并提出优化方案。

《频繁冲击扰动下深部岩石动力学特性及应用》研究成果可为从事深部采矿破岩、巷道围岩支护、采场稳定性分析、岩爆事件预测等相关工作的科研人员提供理论参考，也可供相关工程技术人员参考使用。

随着海下矿产及空间资源的开发利用，海底下的岩石工程越来越多，在海下采矿或海底隧道开挖中的频繁爆破等动力扰动，相当于一种针对岩石饱水腐蚀作用后的动力冲击加载过程。依据这一特点，首先通过宏观物理参数与细观特征参量之间的关系，确定饱水腐蚀后岩石的损伤变量定义和定量表征方法，研究不同腐蚀程度对岩石初始损伤程度的内在影响机制；在此基础上，系统进行饱水腐蚀岩石的冲击动力学试验，研究海下饱水腐蚀岩石的动态破裂行为、强度规律和动力学特性；然后进一步开展循环冲击试验，结合损伤力学理论和岩石细观损伤结构分析，获得饱水腐蚀岩石的动态损伤演化规律；最后建立适用于饱水腐蚀岩石在动力扰动下的本构关系和破坏准则，进一步开展数值模拟研究，揭示饱水腐蚀岩石的动态损伤破坏机理，从而为海下岩石工程的灾害控制和安全开挖提供理论依据。

本项目为了解并掌握海底饱水条件下不同腐蚀程度的花岗岩的力学响应特性以及在动荷载扰动下的损伤特性。通过现场取样，并制备干燥、半饱和、饱和三种不同含水状态的岩石芯样并进行常规物理特性测试，首先对不同含水状态岩芯进行CT微观分析，建立微观损伤关系，并从常规力学实验试验中得出岩石强度与饱和系数之间的关系，得出不同含水量岩石的物理力学参数。随后，采用SHPB装置对三种不同含水状态岩石芯样进行单轴压缩实验，得到岩石芯样在4种较低冲击能量和4种较高冲击能量的单次作用下以及在单一较低能量不同冲击次数下的动力学响应特性，对比不同饱和系数岩石芯样的实验数据，得到相关规律。实验完成后，采用CT机对受到冲击并发生损伤的岩石芯样进行测试，得到不同含水岩石的损伤特性以及相关规律。最后，从理论分析以及数值模拟的角度对饱水岩石的破坏进行研究，得出不同含水岩石发生破坏的规律。主要结论如下：芯样在不同含水量情况下的岩石密度、波速随着饱和系数的增加而增加，岩石强度则随着饱和系数的增加而减小。采用SHPB装置研究不同饱和系数岩石芯样的动力学特性可知，含水量越大，岩石的动态响应越强烈，但动态强度越低。而由循环冲击试验可知冲击次数的增加导致岩石平均应变率的增加，而强度则有着不同程度的减小，随着冲击能量越大，冲击次数越高，岩石孔隙度增加值越大。但在大的冲击能量及较多冲击次数作用下，除了破坏处，岩石内部出现了明显的斑纹，说明出现了裂隙或孔隙度集中增加的现象。通过模拟得出，在相同冲击能量作用下，岩石层裂厚度及破坏程度随岩石含水量的增加而增加。通过上述研究，揭示饱水腐蚀岩石的动态损伤破坏机理，从而为海下岩石工程的灾害控制和安全开挖提供理论依据。 2100433B

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》。

全书共分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。