负泊松比结构恒阻大变形锚杆（索）系统动力学行为研究

In comparison to the conventional positive Poisson’s ratio materials, the negative Poisson’s ratio (NPR) materials or structures are advantageous in capabilities involving withstanding the shear and impact, absorbing the energy, and many other aspects. Therefore, the NPR material or structures have been hot topics for the researches in the field of materials science. In the scope of rock mechanics for mining, a new concept of NPR support structure and materials were firstly proposed in recent years by Prof. Manchao He, Academician of the Chinese Academy of Sciences, who developed the new type of high constant-resistance and large-deformation bolt/cable with a NPR structure. This research investigates the energy-absorbing law and dynamic responses for the NPR bolt/cable and their supporting system under rock mass lager deformation and dynamic loads, using the laboratory experimental methods involving the static pull test, dynamic SHPB tension impact, large-scale physical modeling of the NPR bolt supported tunnel, based on quantitative characterization of energy transportation in the support system by thermal vision and rock dynamics theory. The objectives of this research include 1) establishment of dynamic constitutive equations, energy balance differential equation, transient working resistance model for NPR bolt/cable; 2) the experimentally obtained model for evaluation of the energy increment that needs to be absorbed by, and designing theoretical principles for NPR bolt/cable support system. Findings of this research will be of significance for establishment of the systematic theory and experimental method for the NPR support structure at an engineering rock mass scale and for the practical application of the NPR bolt/cable support system.

负泊松比（negative Poisson’s ratio, NPR）材料或结构在抗冲击、抗剪切及吸收能量等许多方面比传统正泊松比材料具有更优异的性能，近年来成为材料学科研究的热点。在矿山岩体力学领域，何满潮院士提出了负泊松比支护材料与结构的概念，研发了具有负泊松比结构效应的恒阻大变形锚杆/锚索。本项目采用静力拉伸、SHPB拉伸冲击、NPR锚杆支护岩体大尺寸物理模拟、基于红外热成像的支护系统能量输运定量测量、以及岩石动力学等实验与理论方法，研究动载荷、大变形条件下，NPR锚杆（索）及其支护系统的能量吸收规律和动力学响应特性。项目旨在建立NPR锚杆（索）的动力学本构关系、能量平衡微分方程、瞬态恒阻力模型，建立瞬时大变形条件下，NPR锚杆（索）支护系统吸收能量计算模型与设计准则。项目研究成果对完善工程岩体尺度负松比支护结构的理论与实验方法、促进NPR锚杆（索）的实际应用具有重要意义。

具有负泊松比（negative Poisson’s ratio, NPR）结构的恒阻大变形锚杆/索（NPR锚杆/索）具有抗冲击、高恒阻、让压大变形等超常特性；近年来在深部岩体大变形、岩爆与冲击地压等灾害的支护与控制，以及切顶卸压沿空留巷围岩支护中得到广泛应用。然而，有关NPR锚杆/索的本构关系，与围岩相互作用的关系，动力学本构关系与动力学响应特性，一直缺少系统的实验室实验与基础理论方面的研究。. 本项目开展了NPR锚杆/索静力学本构关系、基于热力学第一定律的能量平衡方程、基于弹塑性力学的NPR锚杆/索恒阻力建模、NPR锚杆/索动力学本构关系与响应特性、NPR锚固岩体力学行为，以及静力拉伸试验、动力学拉伸（SHTB）冲击试验、岩土力学大尺度物理模拟试验等理论与实验研究，以及有关研究成果应用的工程实践应用性研究。. 项目的研究取得了以下重要成果：. 1）解析证明了NPR锚杆/索具有近似“理想弹塑性”本构关系，将多年来的实验结果，上升为普遍的原理，为NPR岩体支护设计提供了理论基础。. 2）大型NPR锚索是滑坡控制的关键技术，其恒阻锥体表面开槽对工作阻力的影响不能忽略。建立了考虑锥体开槽的恒阻力理论模型，进行了实验验证。对NPR锚索滑坡监测与预报具有重要意义。. 3）建立了NPR锚索弹塑性恒阻力理论模型，对于应用NPR锚索监测的地质灾害预报具有重要的理论意义。. 4）建立了基于热力学第一定律的NPR锚杆能量平衡方程，进行了实验验证；为基于能量方法支护优化设计提供了重要理论基础。. 5）基于弹塑性力学、流变力学、应力波理论，建立了NPR锚杆索的动力学本构方程，结合动力学拉伸（SHTB）冲击试验、落锤试验，得到了NPR锚杆/索的动力学响应特性；为深部开采岩爆等动力灾害的NPR支护优化设计提供了重要理论基础。. 6）建立了NPR锚固岩体的本构方程，得到了NPR锚固岩体的在静载与冲击载荷下的动力学响应特性。研究成果推动了基于恒阻让压岩体支护的基础理论进展。. 7）开展了课题基础理论研究成果在现场工程实践中的应用，推动了基于NPR岩体支护应用技术的发展。