[00111715]复杂加载下的岩石脆断理论与实验方法

　　采矿与地下空间安全性的准确评估离不开矿岩脆断本构特征参量的获得。岩石工程的重大灾害性事故其诱因也与岩石的脆性破坏密切相关。遗憾的是：长期以来,矿岩本构特征参量的获得大都沿用金属的方法，因而带来了测试方法不适应岩石而导致的精度低、标准不规范等一系列问题。岩石断裂韧度的测试，由于岩石的脆性与非均匀性，常常导致同一岩石试样会有不同的断裂韧度测试结果。岩石的动力测试及其动力本构全图的获得也因为沿用矩形波加载方法，使得所得本构关系曲线振荡大、应变率随时间变化大、精度低。如何突破传统的加载与试样模式而建立适应岩石脆断特点的新的加载模式与测试方法，并开展复杂加载下的岩石脆断研究，正是我们多年致力的一个研究内容。为此，课题组在7项国家自然科学基金的资助下，取得了一些原创性研究成果： 　　1．提出了岩石动态本构特征测试试验的合理加载波形—半周期正弦波加载，得到了精确的近定常应变率下的岩石动态本构全图，解决了困绕矿岩等脆性材料动态测试的世界性难题。通过分析和实验不同应力波在大直径杆中传播的弥散现象，及其波形参数、试样特征与试样加载均匀性问题，得出了岩石动力测试合理加载应力波波形应为半正弦波的结论，突破了国际通用的沿用金属的矩形波加载模式。为了实现半周期正弦波加载，提出并设计了能产生不同延续时间的半正弦波冲锤，并装配到岩石动力试验机中。通过对不同岩石的试验研究，证实了新的加载方法的正确性。这一技术已被国内外同行引用和使用。 　　2．提出了新的岩石断裂试样，制订出被国际岩石力学协会确认为岩石断裂韧度测试的实验标准。在对国际上常规断裂试样分析的基础上，提出了新的岩石断裂试样，如适用脆性岩石特征的用于测量Ⅰ型断裂韧度的“V”型短棒与弯曲试样、Ⅱ型加载直剪试样、双边裂纹巴西圆盘试样。在此基础上，与国际同行一起制订了岩石断裂韧度测试规范，这一规范已被国际岩石力学协会确定为测试标准，并被国内外同行引用和接受。 　　3．提出了测量岩石破裂能耗与动静态耦合加载的实验方法。探讨岩石破裂能耗规律与岩石最优致裂方式，必须测量不同加载条件岩石破裂净能耗。为此，我们提出了运用霍布金逊杆通过不同波形加载，测量和计算岩石净能耗的新方法。运用这一方法，使我们获得了不同加载条件下矿岩介质能量耗散的物理图象，为最优致裂方式与方法的实现奠定了试验基础。另一方面，为模拟复杂加载下的岩石结构失效，特别是深部开采条件下高应力与爆炸动载荷的耦合，提出了采用试样同一方向施加静动组合载荷的方法。 　　4．通过大量实验研究，获得了不同加载条件下矿岩介质能耗规律的物理图象，建立了以无用耗散小、能量利用率最大为目标的岩石致裂合理加载体系和岩体动力失稳准则。 　　该研究成果累计出版专著2本，论文90多篇，发表论文中SCI收录29篇，EI收录50篇，其中被国内外他引100多次，国外他引39次。