中文摘要：

采用SHPB脉冲加载装置对旋转钻进过程中界面处产生的冲击响应进行实验模拟。运用正交设计、实验、理论分析和对比验证等手段，设定加载脉冲对不同尺度试件进行冲击，通过反射应力波响应特性与试件尺度的关系分析，确定试件零尺度效应的临界尺度。改变加载脉冲的大小，对完整岩体、开裂体、散软材料及夹心等多元地层结构的界面进行冲击响应实验，通过反射应力波各参量与冲击能之间的相关性分析，确定反射应力波中的敏感性参量。根据敏感性参量随冲击能变化的关系曲线确定各种地层界面可响应的冲击能门槛值。将敏感性参量变换为单位冲击能下的特征参量，以冲击破坏下的特征参量作为界面的分级指标，建立多元地层界面的识别标准。通过力学建模、数值模拟和理论推演，揭示界面处冲击效应的发生机理，从理论上建立特征参量与多元界面动态压缩强度之间的关系模型，揭示不同结构的地层界面在加载脉冲下的响应规律，形成基于冲击响应的地层界面识别理论与方法。

结论摘要：

对地层进行辨识及力学分层是工程建设中一项非常重要的工作。通常，采用钻孔、取样、土工、岩土力学及可钻性试验等方法来确定。但这项工作耗资大、费时长、效率低。而且，所获岩芯样本受软土、断层破碎带及节理裂隙等软弱结构限制，难以获得钻孔全断面连续图像及所穿透地层的结构特性。地球物理方法作为辅助手段已用于地层的粗略判层。但由于信息解译的不确定性、多解性及精度难以满足工程要求而受到限制。钻进是勘探和生产中必不可少的工作，是钻具与地层相互作用的力学过程。不同地质材料对钻进冲击荷载的响应有何特点或规律？为了回答这一科学问题，揭示其响应机理和特性，开展了本项研究。本项目采用钻孔动力学加载系统平台对钻进过程中界面处产生的冲击响应进行实验模拟。通过反射应力波响应特性与试件材料及尺度等的关系分析，确定不同岩性、不同组合结构的响应特性及临界参数。分别对完整大理岩、辉长岩、石灰岩、砂岩、花岗岩及其开裂与孔洞结构岩体、陶土及砂散软材料及其与岩石构成的夹心多元结构进行冲击响应实验，通过反射应力波、应变能各参量与冲击能之间的响应特征分析，揭示了各种岩石及其组合结构随冲击能变化的关系，确定了各种地层界面可响应的冲击能门槛值及其分异特征。通过研究，取得以下结论（1）反射应力波响应存在冲击能门槛值，当冲击能超过门槛值后，峰值反射应力波随冲击能的增大而增大，与冲击能成近似线性关系，但达到阈值后增长平缓。（2）峰值反射应力与峰值入射应力之比与冲击能大小无关，与岩石的波阻抗有关。随着波阻抗的增大，峰值比下降；波阻抗越大，反射-入射波的应变能之比越低。不同波阻抗的岩石之间，类间距显著。（3）当冲击能大于门槛值后，岩石的吸能率基本保持不变；但各种岩石及其组合结构间的吸能率具有显著差异。（4）在散软材料中冲击时，主要是杆的动能作用下克服材料摩擦剪切做功，使散体产生挤压和局部破坏，而非应力波诱导。（5）散软材料对冲击吸能的响应与颗粒当量直径/冲头直径之比有关，吸能率随粒度的减小而降低。（6）软弱夹层及其数量对吸能具有显著的弱化效应。砂土夹层对吸能的弱化效应高于泥土；夹层越多，弱化效果越强；软弱夹层结构对冲击荷载的响应不仅与夹心材料的物理性质有关，还与受荷面岩性有关。研究成果对建立基于冲击响应的地层界面识别理论与方法，具有重要的科学意义，为仪器钻进系统研发及其对复杂地层进行实时识别奠定了理论基础，应用前景广阔。