冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应

（1973– ），男，博士，副教授，现任湖南城市学院教师。长期从事岩土力学的 教学与研究工作。主持或参与了国家自然科学基金项目 5 项，省自然科学基金项目 2 项， 省厅级项目 3 项；负责勘察设计、桩基监测和隧道检测等实践项目 100 余项。近年来在《岩 石力学与工程学报》、《Journal of Central South University of Technology》、《Transactions of Tianj in University》、《爆炸与冲击》、《International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences》等国内外期刊发表研究论文 20 余篇。

陈见波

（1974– ），男，高级工程师、注册一级建造师，现任湖南省城市地质调查监 测所城乡资源勘测设计院董事长兼湖南省隧道工程有限公司董事长。长期从事地灾治理与 生态修复、水利水电工程和市政工程的设计、施工和管理工作。近年来先后参与多项国家 和省市重大工程建设项目，项目获得“2021-2022 年度中国水利工程大禹奖”、“2021 年度 浙江省生态修复科学技术一等奖”和“2022-2023 年度中国建设工程鲁班奖”等多项荣誉。 参与湖南省自然科学基金区域联合项目 1 项，发表期刊论文多篇、获多项国家专利。

隆燕青

（1988– ），男，高级工程师、注册一级建造师，现任湖南省城市地质调查监 测所湖南省城乡资源勘测设计院副总经理兼湖南省隧道工程有限公司总经理。长期从事地 灾治理与生态修复、水利水电工程和市政工程的设计、施工和管理工作。近年来先后参与多项国家和省市重大工程建设项目，项目获得“2021-2022 年度中国水利工程大禹奖”、 “2022-2023 年度中国建设工程鲁班奖、”、“2023 年度湖南省优秀工程勘察设计二等奖” 等多项荣誉。参与湖南省自然科学基金区域联合项目 1 项，发表期刊论文多篇、获多项国 家专利。

本书聚焦材料动态力学特性尺寸效应这一学科前沿课题，填补相关研究空白。当前静载下材料强度尺寸效应研究成果丰硕，但矿岩破碎、地质灾害防治等领域涉及的岩石类准脆性材料动态特性尺寸效应研究刚起步。本书依托国家自然科学基金项目，以冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应为核心，为工程实践与灾害防治提供关键理论支撑。

全书以 SHPB 试验技术为核心展开系统研究。首先改造完善四种杆径的 SHPB 试验装置，设计异形冲头系列，改进数据分析软件并优化信号去噪技术；进而论证半正弦入射波加载对低强度弹脆性材料测试的优势，明确杆径与最低加载应变率的关系，验证增大杆径实现岩石中等应变率加载的有效性。同时通过三种典型岩石的冲击试验，结合 FLAC3D 软件分析，揭示岩石动态强度、应变率敏感性及破碎块度、耗能的尺寸效应规律。本书兼具高理论深度与应用价值，不仅完善了 SHPB 试验技术体系，还通过滑移型裂纹模型与动态断裂准则，深入剖析岩石动态断裂韧度与能量耗散特征。研究成果为矿岩工程、灾害防治等领域的材料动态特性研究提供新方法，对推动岩石力学学科发展、指导工程实践中材料选型与结构设计具有重要意义，是相关科研人员与工程技术人员的重要参考。

尺寸效应是一切物理理论中最重要的方面。目前，有关静载作用下材料强度的尺寸效应研究已取得了丰硕的成果。然而，在矿岩破碎、油井致裂、高速冲击、打桩、弹丸撞靶、常规爆炸及核爆炸下的防护等工程领域和诸如地震、滑坡、崩塌等地质灾害防治领域都涉及到材料特别是岩石类准脆性材料的动力特性问题，可以说材料的动态力学特性和静态力学特性同等重要。但关于材料动态力学特性的尺寸效应的研究极少，可以说刚刚起步。为此，本文作者在国家自然科学基金的资助下，以冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应为研究课题，对SHPB试验技术及岩石试样的加载应变率、强度、破碎块度、能量的构成与耗散特征的尺寸效应等问题进行了系统的研究。

首先，本文作者改造完善了22mm、36mm、50mm和75mm等四种杆径系列的SHPB 试验装置。对应于不同杆径的SHPB试验装置，设计并加工了能实现半正弦应力波加载的异形冲头系列。基于VisualC++平台，改进了原有用于50mm和75mm杆径SHPB冲击试验的数据分析处理软件，增加了主体界面功能，添加数据分析处理软件对测试信号任意采样间隔的识别能力。针对SHPB测试信号存在噪声污染的情况，考虑SHPB信号非平稳、延时短、突变快等特性，确定Symlets小波系中Sym5为适合SHPB测试信号分析的最佳小波基，利用小波变换技术的阈值去噪法有效地过滤了SHPB信号中的高斯白噪。

其次，根据一维应力波理论，进一步对比分析了SHPB试验中半正弦入射波和传统的矩形入射波加载条件下试样应力均匀化过程。从试样达到应力平衡所需时间的快慢及达到平衡状态所对应的无量纲应力值的大小两方面考虑，论证了半正弦入射波加载方式对于低强度弹脆性材料动态特性的测试具有显著优势。

在加载应变率方面，基于Steverding-Lehnigk脆性断裂准则，分析得出了半正弦波加载条件下SHPB杆径与导致试样单次冲击破坏的最低加载应变率之间的关系，并通过不同尺寸的花岗岩、砂岩和石灰岩试样的冲击试验对此进行了验证，得出增大Hopkinson杆径到合适尺寸是实现岩石中等应变率加载的有效途径。

在强度方面，通过采用波长与试样长度呈定比例的半正弦应力波形，对不同尺寸规格的花岗岩、砂岩和石灰岩等三种典型岩石试件进行SHPB冲击试验，分析了岩石动态强度与其应变率依赖灵敏性的尺寸效应。并在计及介质微元体惯性效应的基础上，采用FLAC3D 软件对不同尺寸的试样在不同应变率条件下的动态强度进行了分析计算。

在破碎块度及耗能方面，通过对不同尺寸的花岗岩、砂岩和石灰岩在不同冲击能量下的SHPB冲击破碎试验，揭示了不同尺寸的岩石试样在入射能、岩石的破碎吸能、破碎的耗能密度及碎块分布特征间的关系，及其受尺寸影响的变化规律。

最后，通过简化SHPB单轴冲击试验中试样的受力特征，采用滑移型裂纹模型，结合裂纹的动态断裂准则，对比分析了不同尺寸试样的动态断裂韧度与应变率的关系，以及岩石冲击破碎过程中的能量构成和耗散特征。

本文所做研究工作，立足于学科前沿，对SHPB冲击加载试验技术及岩石动态特性的尺寸效应问题进行了研究，具有较高的理论和应用价值。