綜合前人對於岩石材料在擬靜態及中應變率條件下的試驗，發現擬靜態條件下岩材破裂面多呈現傾斜的剪力破壞且破壞產狀為大塊狀，而中應變率加載下岩材則呈現粉碎性的破壞，兩者破壞模式有明顯的差異。而岩石的力學特性具應變率效應，主要反映在強度隨應變率的增加而有提升的趨勢，且增加的幅度又與岩性有關；目前已有研究透過SHPB單軸壓縮試驗前後的薄片觀察指出了不同應變率條件下，岩石存在沿晶與穿晶兩種微觀力學機制，但與宏觀力學特性的關係仍有待進一步的探討；為瞭解不同應變率下的破壞模式是否與岩石微組構有關，本研究嘗試以人造類岩，針對基質與顆粒不同含量(顆粒含量40%與60%)的組構型態，探討其在不同的應變率條件下，宏觀力學特性的變化與微觀破壞機制的差異。
本研究分別以石膏及人造岩石球作為基質與顆粒模擬材料，製作二種不同顆粒體積含量的人造岩材，進行不同應變率範圍的探討，單軸壓縮試驗分別採用MTS 810材料試驗機及SHPB試驗裝置；中應變率條件下的試體破裂面發展，將透過高速攝影機觀察；而為能釐清人造岩材經單軸壓縮試驗後發生穿晶破壞的顆粒含量，透過蒐集已破壞的試體進行篩分析篩出破壞的顆粒，計算穿晶破壞百分比。
結合以上試驗分析結果顯示：(1)相同顆粒體積含量下的試體其單壓強度會直接受到基質強弱的影響。(2)顆粒體積含量40%試體力學行為會受到基質材料特性的影響較大。(3)在中應變率加載條件下穿晶破壞會明顯對材料強度有影響，但基質含量少其穿晶破壞帶來的效應則相對較小。(4)當應變率超過102sec-1時開始產生穿晶破壞，且單壓強度此時會有劇烈的變化。

The influence of strain rate on mechanical behavior of rock is significant. The strain rate affects not only the strength of rock but also the failure modes. To understand the relationship of failure modes under different strain rates and micro-structure of rock, this study adopted rock-like material with different grain contents and performed a series of compression tests at different strain rates (static tests and spilt-Hopkinson pressure bar tests). The experimental results indicate that (1) The strength of matrix plays an important role on the strength of specimens with the same grain content. (2) For the specimens of 40% grain content, most failure modes are split failure, but for the specimens of 60% grain content, the shear failure occurs at low strain rate and the split failure could be observed at high strain rate. (3) When the trans-granular fracture percentage at high strain rate increases, the strength of specimen would increase.

摘要 I
Abstract II
符號對照表 III
中英文縮寫對照表 IV
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XV
第一章、 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 研究範圍及方法 2
1.2.1 試驗材料 2
1.2.2 擬靜態試驗 2
1.2.3 中應變率試驗 2
1.3 研究流程及架構 3
第二章、 文獻回顧 5
2.1 岩石在單軸壓縮加載歷程與微巨觀破壞演化 5
2.1.1 單軸壓縮試驗完整應力應變曲線 5
2.1.2 強度與變形關係 8
2.1.3 巨觀破壞演化特徵 9
2.2 分離式霍普金森壓桿基本假設及分析原理 9
2.2.1 SHPB基本假設 10
2.2.2 SHPB分析原理 10
2.2.3 SHPB試驗前校正 13
2.3 岩石力學特性之應變率效應 15
2.3.1 國外相關研究 15
2.3.2 國內相關研究 18
2.4 岩石微組構研究 20
2.4.1 沉積岩內部組成研究 20
2.4.2 岩石力學特性與微組構之關聯 23
2.4.3 岩石破壞微觀觀察 25
2.5 綜合討論 30
第三章、 試驗規劃及方法 31
3.1 試驗材料 31
3.1.1 人造岩材組成材料選用 31
3.1.2 人造岩材製作 33
3.1.3 材料基本物理性質試驗 36
3.2 試驗儀器及設備 38
3.2.1 MTS 810伺服系統 38
3.2.2 SHPB試驗儀器 39
3.2.3 高速攝影機 43
3.3 試驗方法及流程 45
3.3.1 試驗儀器之校正 45
3.3.2 MTS單壓試驗方法 46
3.3.3 SHPB單壓試驗方法 47
3.3.4 篩分析 48
3.4 力學參數定義 50
第四章、 試驗結果與分析 51
4.1 材料基本物理性質試驗 51
4.2 MTS 810單軸壓縮試驗結果 (應變率: 10-4~100 sec-1) 52
4.2.1 基質及顆粒模擬材料基本力學試驗 52
4.2.2 顆粒體積含量40 % 54
4.2.3 顆粒體積含量60 % 57
4.3 SHPB單軸壓縮試驗結果 (應變率: 8.2×101~6.5×102 sec-1) 62
4.3.1 單波法與三波法比較 62
4.3.2 顆粒體積含量0 % (基質模擬材料) 62
4.3.3 顆粒體積含量40 % 65
4.3.4 顆粒體積含量60 % 70
4.4 綜合討論 74
4.4.1 動態增量因子與應變率關係 74
4.4.2 與真實岩石之比較 76
4.4.3 不同顆粒體積含量條件下之單壓強度比較 77
4.4.4 穿晶破壞百分比分析及討論 78
4.4.5 破壞形態與應變率關係 82
4.5 小結 85
第五章、 結論及建議 86
5.1 結論 86
5.1.1 巨觀分析參數 86
5.1.2 微觀觀察參數 87
5.1.3 微-巨觀參數整合 88
5.2 建議 89
參考文獻 90
附錄A 基質模擬材料 93
附錄B 顆粒體積含量40%試體 98
附錄C 顆粒體積含量60%試體 108
附錄D 中應變率加載條件下破裂面發展 120
附錄E 委員意見回覆表 134

[1]李宏輝，「應變率對麓山帶砂岩力學行為之影響」，岩盤工程研討會論文集，第11-20頁，台南，2006。
[2]李宏輝，「一維彈性桿波傳試驗數值分析-以個別元素法探討」，力學學會第三十六屆力學會議，桃園，2012。
[3]李啟光，「應變率對岩石材料力學行為影響之研究」，碩士論文，國防大學理工學院環境資訊及工程學系軍事工程碩士班，桃園，2012。
[4]林坤霖，「應變速率及圍壓對砂岩強度的影響」，碩士論文，國立中央大學土木工程系，桃園，1989。
[5]林維仁，「分離式霍普金森壓桿試驗之應變量測及其應用於脆性材料適用性探討」，碩士論文，國防大學理工學院環境資訊及工程學系軍事工程碩士班，桃園，2014。
[6]林錫宏，「砂岩破裂過程參數之影響因素初探」，碩士論文，國立中央大學應用地質研究所，桃園，1999。
[7]洪健博，「圍束應力對活性粉混凝土在高應變率下動態力學行為之分析」，碩士論文，國立成功大學土木工程學系，台南，2008。
[8]陳建仁，「泥岩高速應變下之力學行為」，碩士論文，國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所，高雄，2008。
[9]郭士銘，「岩石材料動態力學性質與微觀組構關係之研究」，碩士論文，國防大學理工學院環境資訊及工程學系軍事工程碩士班，桃園，2013。
[10]許琦、朱鴻昇、廖羚慧，「岩石三軸SHPB試驗儀之研發」，岩盤工程研討會論文集，第777-784頁，台北，2008。
[11]黃亦敏，「受應變率影響之極軟弱砂岩力學行為及其模式」，碩士論文，國立交通大學土木工程系，新竹，1997。
[12]黃燦輝、李宏輝，「麓山帶砂岩動態力學行為及其與微組構關係之研究」，行政院國家科學委員會專題研究計畫，台北，2007。
[13]翁孟嘉，「麓山帶砂岩之力學特性及其微組構關係研究」，博士論文，國立台灣大學土木工程系，台北，2002。
[14]劉佳濠，「同步聲-光非破壞檢測於應變率對岩材動-靜力學之研探」，碩士論文，國立台灣大學，台北，2013。
[15]李夕兵、古德生，「岩石動態試驗裝置與試驗技術」，岩石衝擊動力學，第2-43頁，湖南，1994。
[16]李海波、王建偉、李俊如、周青春、劉業群，「單軸壓縮下軟岩的動態力學特性試驗研究」，岩土力學，第25卷第1期，湖北，2004。
[17]Chen, G., Tao, J. L., Chen, Z. F., Huang, X. C., Xu, W. F., "Correction of lateral inertia effect in shpb.", International Journal of Modern Physics B, Vol. 22, Nos. 9, 10, 11, pp.1045-1049, 2008.
[18]Grady, D. E., Kipp, M. E., "Dynamic rock fragmentation.", Fracture Mechanics of Rock(ed. B. K. Atkinson), Academic Press, London, pp.429-475, 1987.
[19]Hao, Y., Hao, H., ”Numerical investigation of the dynamic compressive behaviour of rock materials at high strain rate”, Rock Mechanics and Rock Engineering, v 46, n 2, p 373-388, 2012.
[20]Hopkinson, B., "A method of measuring the pressure in the deformation of high explosives by the impact of bullets.", Phil. Trans. Roy. Soc. A213, pp.437-452, 1914.
[21]ISRM, "Rock characterization testing and monitoring.", (ed. E. T. Brown), Pergamon Press, Oxford, 1981.
[22]Kumar, A., "The effect of stress rate and temperature on the strength of basalt and granite.", Geophysis, Vol. 33, No.3, pp.501-510, 1968.
[23]Lindholm, "High strain-rate tests, Measurement of Mechanical Properties."(ed. R.F. Bunshah), Vol. 5, pp. 199-271, USA , 1971.
[24]Lajtai, E. Z., Scott, E. J., Duncan, Carter, B. J., "The effect of strain rate on rock strength.", Rock mechanics and rock engineering, Vol. 24, pp.99-109, 1991.
[25]Olsson, W. A., "The compressive strength of Tuff as a function of strain rate from 10-6 to 103 sec-1.", Int. J. Rock Mech. Min. Sci, Vol. 28, No.1 , pp.115-118, 1991.
[26]Zhang, Q.B., Zhao, J.,” Determination of mechanical properties and full-field strain measurements of rock material under dynamic loads ”, International Journal of Rock Mechanics &; Mining Sciences 60,p 423-439, 2013.
[27]Swan, G., Cook, J., Bruce, S., et al., "Strain rate effect in Kimmeridge Bay Shale.", Int. J. Rock Mech. Min. Sci, Vol. 26, No.2 , pp.135-149, 1989.
[28]Li, X., Zou, Y., Zhou, Z.,” Numerical Simulation of the Rock SHPB Test with a Special Shape Striker Based on the Discrete Element Method”, Rock Mechanics and Rock Engineering, 2013.
[29]Zhang, Z. X., Kou, S. Q., Yu, J., Yu, Y., Jiang, L. G. and Lindqvist, P. A., " Effects of loading rate on rock fracture. ", Int. J. Rock Mech. Min. Sci, Vol. 36, No.5 , pp.597-611, 1999.