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1静载下岩石变形与强度1

1.1岩石中的应力1

1.1.1应力的定义1

1.1.2主应力及其主方向2

1.1.3应力不变量与应力偏量5

1.1.4应力分量应满足的平衡方程与相容方程6

1.2岩石中的位移与应变7

1.2.1位移与应变的关系7

1.2.2岩石中任一点的应变状态与主应变7

1.2.3主应变与应变不变量8

1.2.4应变偏量及其不变量9

1.3岩石的本构关系10

1.3.1单轴应力条件下岩石的应力应变关系及其特点10

1.3.2岩石变形特性的表示指标13

1.3.3三轴应力下岩石的变形特征14

1.3.4岩石的本构模型15

1.4弹性应力下岩石本构方程及流变特性17

1.4.1弹性应力下的应力应变关系17

1.4.2岩石流变的本构方程及特性19

1.5岩石的强度与强度准则25

1.5.1岩石的强度25

1.5.2加载条件对岩石强度的影响29

1.5.3强度准则31

1.6岩石力学中的断裂力学方法39

1.6.1岩石断裂力学方法的引入39

1.6.2裂纹尖端的应力场及应力强度因子41

1.6.3裂纹扩展中的能量平衡45

1.6.4裂纹的扩展判据48

1.6.5裂纹的动态扩展52

1.7岩石力学中的损伤理论与分形方法56

1.7.1损伤及其表示56

1.7.2损伤的演化方程及损伤材料的本构方程57

1.7.3岩石中损伤的测量方法58

1.7.4岩石力学中的分形几何方法60

2岩石中的应力波64

2.1应力波的基本概念64

2.1.1应力波的产生64

2.1.2应力波分类65

2.1.3应力波方程的求解方法66

2.1.4应力波理论的应用67

2.2无限介质中的弹性应力波方程68

2.3一维长杆中的应力波70

2.3.1描述运动的坐标系70

2.3.2一维应力波的基本假定72

2.3.3一维杆中纵波的控制方程72

2.4一维杆中应力波方程的特征线求解74

2.4.1特征线及特征线上的相容关系75

2.4.2半无限长杆中一维弹性应力波的特征线解78

2.4.3线弹性应力波79

2.4.4一维杆中弹性应力波的作图法求解81

2.5一维杆中线弹性应力波方程有效性的讨论82

2.6一维弹性应力波的反射与透射84

2.6.1两弹性波的相互作用84

2.6.2弹性波在固定端和自由端的反射86

2.6.3不同介质界面上弹性波的反射与透射87

2.7弹性波斜入射时的反射与透射91

2.7.1弹性纵波在自由面上斜入射时的反射91

2.7.2弹性纵波在介质分界面斜入射时的反射与透射93

2.8应力波反射引起的破坏94

2.9一维杆中的弹塑性应力波100

2.9.1材料的弹塑性应力-应变模型100

2.9.2一维杆中的塑性加载波102

2.9.3弹塑性波的相互作用103

2.9.4塑性波的卸载107

2.10一维应变波115

2.10.1一维应变状态115

2.10.2一维应变弹塑性波118

3岩石中的爆炸应力波120

3.1炸药的爆轰理论基础120

3.1.1爆轰波基本方程121

3.1.2爆轰稳定传播的条件125

3.1.3爆轰的参数计算129

3.2炸药爆炸传入岩石中的载荷133

3.2.1耦合装药时传入岩石中的爆炸载荷133

3.2.2不耦合装药时传入岩石中的爆炸载荷136

3.3岩石中的应力波速度137

3.3.1应力波速度与岩石力学性质参数的关系137

3.3.2影响应力波速度的岩石性质参数139

3.4岩石中爆炸应力波的特征与衰减规律143

3.4.1冲击载荷作用下岩石变形规律与特征144

3.4.2岩石中爆炸应力波的衰减145

3.4.3岩石中平面应力波的衰减147

3.5应力波通过结构面的透射与反射148

3.5.1应力波向结构面斜入射时的一般解149

3.5.2结构面两侧为相同岩石的应力波反射与透射151

3.5.3结构面两侧岩石可自由滑动时的应力波透射与反射153

3.5.4弹塑性波通过界面的透射与反射153

3.6层状岩石中的应力波158

3.6.1等效波阻抗法158

3.6.2单频应力波通过岩石夹层的透射161

3.6.3三角形应力波通过夹层的透射162

3.6.4不同应力波形通过夹层的透射应力特征163

3.7顺岩石表面的应力波164

3.7.1瑞利表面波165

3.7.2勒夫表面波167

3.7.3沿边界的纵波（膨胀波）168

3.7.4平板中的波169

4岩石动力学实验技术172

4.1霍布金森压杆技术原理172

4.2霍布金森压杆测试系统176

4.2.1动力源177

4.2.2弹性压力杆179

4.2.3支撑架179

4.2.4测试分析仪表179

4.3霍布金森压杆技术在岩石动力学性质研究中的应用183

4.3.1花岗岩与大理岩的动态本构关系184

4.3.2大理岩与砂岩的本构关系185

4.3.3不同围压下岩石的动态本构关系188

4.3.4岩石的动态断裂强度与应变率的关系192

4.3.5岩石动态破坏形态与应变率关系195

4.3.6其他岩石类材料的动态性质196

4.4霍布金森压杆技术的改进198

4.4.1直锥变截面霍布金森压杆199

4.4.2分离式霍布金森压杆（SHPB）中的预留间隙法200

4.4.3不同撞击杆形状的SHPB测试系统201

4.4.4用于研究硬脆材料的SHPB202

4.4.5用于软材料的SHPB204

4.5霍布金森拉杆、扭杆及三轴应力霍布金森压杆207

4.5.1霍布金森拉杆207

4.5.2霍布金森扭杆209

4.5.3三轴应力霍布金森压杆210

4.5.4岩石动态拉伸特性的霍布金森间接法测量系统211

4.5.5岩石动态断裂韧度霍布金森实验系统213

4.5.6一种用于软材料动力学性质测量的三轴霍布金森压杆系统217

4.6泰勒圆柱测试技术与膨胀环测试技术221

4.6.1泰勒圆柱测试技术221

4.6.2膨胀环测试技术223

4.7动力学试验中的加载装置224

4.7.1炸药爆炸加载装置225

4.7.2轻气炮加载装置227

4.7.3电磁轨道炮229

5岩石爆破理论及其数值计算模型231

5.1无限岩石中炸药的爆炸作用231

5.1.1岩石中柱状药包爆破产生的爆炸载荷234

5.1.2爆炸载荷作用下岩石的破坏准则235

5.1.3压碎圈与裂隙圈半径计算236

5.2岩石爆破的破碎块体大小控制238

5.2.1岩石爆破破碎的物理本质239

5.2.2炸药爆速对破碎块度的影响240

5.2.3单位体积炸药消耗量与破碎块度的关系241

5.2.4爆破装药与爆破损伤区大小的关系242

5.2.5要点归纳243

5.3临近自由面条件下炸药的爆炸作用244

5.3.1爆破漏斗的几何参数245

5.3.2形成标准抛掷爆破漏斗的条件247

5.3.3 C.W.Livingston的爆破漏斗理论248

5.4考虑地应力效应的巷道崩落爆破参数250

5.4.1问题的提出250

5.4.2高地应力条件下崩落爆破漏斗的形成251

5.4.3高地应力条件下的崩落爆破参数253

5.4.4工程应用要点257

5.5岩石爆破的弹性理论模型258

5.5.1 G.Harries模型259

5.5.2 R.R.Favreau模型260

5.5.3台阶爆破的三维模型261

5.6岩石爆破的断裂理论模型263

5.6.1 BCM模型264

5.6.2 NAG-FRAG模型266

5.7岩石爆破的损伤理论模型268

5.7.1 K-G损伤模型269

5.7.2 KUS损伤模型271

5.7.3 Yang等人的模型273

5.8岩石爆破的分形损伤模型275

5.8.1损伤因子的分形表示275

5.8.2岩石爆破中裂纹分形的演化规律276

5.8.3岩石的动态本构关系276

6岩石周边控制爆破新技术278

6.1影响井巷周边爆破效果的因素与控制278

6.1.1影响井巷周边爆破效果的因素及分析278

6.1.2减少井巷超挖、提高爆破效果的措施280

6.2周边爆破参数设计的断裂力学方法283

6.2.1周边炮孔间贯通裂纹的形成机理283

6.2.2爆破参数的计算286

6.2.3工程应用288

6.2.4技术要点289

6.3光面爆破相邻炮孔存在起爆时差的炮孔间距计算289

6.3.1概述289

6.3.2光面爆破在岩石中引起的爆炸应力场290

6.3.3相邻炮孔间形成贯通裂纹的条件292

6.3.4炮孔间距的计算293

6.3.5分析与讨论295

6.3.6本节要点297

6.4软弱岩石中的周边爆破理论298

6.4.1崩落眼爆破对光爆层岩石的损伤299

6.4.2损伤岩石的光爆参数及分析301

6.4.3定向断裂爆破技术302

6.4.4技术总结303

6.5岩石定向断裂控制爆破的参数设计304

6.5.1切缝药包岩石定向断裂爆破炮孔间贯通裂纹的形成机理305

6.5.2切缝药包岩石定向断裂爆破参数的计算308

6.5.3与光面（预裂）爆破的对比分析和讨论310

6.5.4基本结论311

6.6切缝药包定向断裂爆破切缝管的切缝宽度确定311

6.6.1问题背景311

6.6.2切缝药包定向断裂爆破的炮孔间贯通裂纹形成机理312

6.6.3切缝管的切缝宽度计算316

6.6.4切缝药包爆破中的预裂纹长度318

6.6.5本节要点归纳318

6.7深埋岩石隧硐的周边控制爆破方法319

6.7.1引言319

6.7.2原岩应力对光面爆破炮孔间贯通裂纹的影响320

6.7.3原岩应力对预裂爆破炮孔间贯通裂纹的影响324

6.7.4考虑原岩应力影响下的光面爆破参数325

6.7.5进一步的讨论326

6.7.6方法小结327

6.8周边控制爆破引起围岩的损伤328

6.8.1光面（预裂）爆破在围岩中造成的损伤场328

6.8.2岩石定向断裂爆破技术在降低围岩损伤方面的作用331

6.8.3周边爆破的技术设计332

6.9岩石周边爆破理论的分形分析333

6.9.1爆破形成围岩壁面分形及其分形维334

6.9.2周边眼之间爆破裂纹的形成特征335

6.9.3周边控制爆破在围岩中引起的损伤337

6.9.4周边定向断裂控制爆破技术在保护围岩方面的分形分析337

6.9.5本节小结339

6.10基于最有效保护围岩的定向断裂爆破参数339

6.10.1引子339

6.10.2定向断裂爆破的破岩过程341

6.10.3定向断裂爆破的参数设计342

6.10.4算例与分析345

6.10.5本节要点归纳347

参考文献348