岩石动力特性的SHPB实验方法探究

王志亮, 卢志堂

(同济大学 a.地下建筑与工程系； b.岩土与地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

0 引 言

了解和认识岩石在中、高应变率下的动力特性，对于防护工程、爆破开挖、矿产开采、隧道施工等具有重要意义[1-9]。目前，进行有效而又准确的中、高应变率材料实验时经常会遇到各种挑战，而分离式霍普金森压杆(SHPB)就是相对成熟的动态实验装置，它可以研究材料应变率在10～104s-1下的动态力学性能[10]。SHPB设计思想巧妙，装置结构简单，操作使用方便，经Kolsky的改进，可用于测量材料在高应变率下的应力-应变关系[11]。此外利用应变片技术即可间接确定试件材料的动态应力-应变曲线，加载信号易测易控制。

当前，对岩石静力学和准静态力学性质，高校的实验教学相对成熟，开展较广。但是，对岩石动态力学实验教学则开展较少，主要集中于研究生和博士生的课题研究。在新形势下，随着SHPB设备与相关测试技术的不断成熟，在本科教学中开展岩石动力学实验已经成为可能。为了适应新形势下卓越人才的培养，同济大学地下建筑与工程系在岩石力学教学中加强了岩石动力学方面的教学，建设了冲击动力学实验室，并购进了SHPB装置(见图1)，开展了在岩石力学本科教学中引入动力学实验的改革。

图1 SHPB实验装置照片

本文通过着重介绍SHPB装置与原理，以及在岩石动态压缩与动态拉伸实验中的应用，阐述了SHPB在卓越人才培养中面临的问题及应对措施。

1 SHPB装置原理

SHPB装置的原型是由Hopkinson(1914年)提出的，当时仅能测量冲击载荷的脉冲波形。其后，Kolsky(1949年)将压杆分为两截，试件放置其中，从而使这一装置可用来测量材料在冲击载荷作用下的应力-应变关系[12]。SHPB实验装置，包括驱动部分、支撑部分、压杆部分、信号测量部分及阻尼吸收部分。如图2所示。SHPB装置按杆径和杆长大小可分为大、中、小三种，用于岩石实验的装置一般为大杆，冲击动力学实验室配备了直径为50与76 mm的钢杆。该装置还必须配备测速装置、超动态应变仪和高速采集装置等测量设备。

图2 分离式霍普金森压杆装置简图

SHPB设备测试原理[13]是：当枪膛内的打击杆撞击入射杆时，在入射杆内会产生一个入射脉冲，试样在该脉冲作用下发生高速变形，同时在杆中产生往回的反射脉冲和向前的透射脉冲。见图2，当打击杆撞击入射杆时，在入射杆中产生入射波εi通过应变片1时就被记录下来。当传播到试件位置时，它推动试件开始变形。部分波形沿入射杆向回反射，形成反射波εr也被应变片1记录下来；透射波εt被应变片2记录下来，见图3所示。从图3中可以看出，对应的入射波、反射波和透射波波形。

图3 实验中应变片测试信号

确定入射波、反射波和透射波之后，基于一维应力波假设和均匀性假设，试样的应力、应变及应变率的时程曲线就能由式(1)确定：

(1)

其中，E，C，A分别为压杆的弹性模量，波速和横截面积；A0，l0分别为试样的初始横截面积和长度。

2 SHPB在岩石动力学实验中的应用

岩石试样的动态压缩强度和动态拉伸强度可以利用SHPB装置测出。该实验主要用于研究岩石动态强度性质，并据此实现对岩石的分类[14]。动态压缩实验的基本原理已在文中第2部分给予了介绍。利用式(1)，就能得出岩石动态压缩强度测试的实验成果，见图4所示，这样岩石的应力-应变关系与应变率就可以确定了。

目前，岩石动态拉伸强度难以直接测得。SHPB能够间接地测量岩石试样的动态拉伸强度[13]。实验时，将岩石试样置于入射杆和透射杆之间，见图5所示。这与动态压缩实验试样的放置不同，动态拉伸实验需要将试样沿直径方向夹在入射杆与透射杆之间。实验过程中，及时试样破坏，作用力仍然还会增大，因此需在试样一端中心贴应变片，根据应变片记录的信号，校正试样破坏时对应的作用力[15]。

图4 典型的岩石应力-应变曲线

图5 试样在动态拉伸实验中示意

基于一维应力波理论，试样靠近入射杆一端所受作用力为P1，靠近透射杆一端的作用力为P2，其表达式分别为：

(2)

式中：A是杆横截面积；E为杆的弹性模量。

根据弹性理论[16]，如图6所示的试样在准静态对径压缩下，加载直径上(施力点附近除外)的二维应力状态为：

(3)

式中：l为试样的厚度；D为试样的直径。

图6 拉裂测试示意

对于岩石等脆性材料，其抗拉强度显著地低于抗压强度，在加载过程中沿着加载直径可以产生拉破坏。在进行岩石拉裂实验时，就可以将最大荷载P代入式(3)中的第2式计算出试样破坏时候的拉应力。与动态压缩实验认为试样两端的荷载相等不同，动态拉伸实验中的最大荷载P的取值需要按式(2)中第二式计算[16]。据此可以得到P的时程曲线，并根据应变片上信号峰值得出对应的最大作用力，见图7[15]中应变片A点对应的作用力。

图7 应变片信号与作用力对比

3 存在问题与改进措施

(1) 学生缺少动力学的背景知识。地质工程本课专业的学生，之前学习是传统的静力学知识，也没有学习数学物理方程和应力波相关基础课程。因此，在实验教学中，需要花很多的时间讲授SHPB装置的基本原理。在专业课程设置中，需要加开这些辅助的课程，使学生能够理解岩石动力学测试的原理，掌握数据处理的方法。

(2) 实验操作有一定的危险性。SHPB装置具有高压气罐和枪膛等构件，加之岩石动力学实验的杆件较重，具有一定的危险性。因此在实验之前，需要向学生强调实验步骤与注意事项，以免发生安全事故。

(3) 实验过程历史短、直观感受较差。岩石动力学实验具有高速动态的特点，实验历时通常在1毫秒之内，对岩石试样在这么短的时间内的变形特点很难用肉眼感受，需要结合光弹等实验技术和高速摄影机等辅助设备记录。

(4) 实验操作要求较高。SHPB装置构成较为复杂，应变片与接线易发生问题，对实验人员的操作要求较高，需要配备专门的实验员指导学生实验。

4 结 语

实验教学可有效地帮助学生加深对课堂学习内容的理解，也是培养学生动手能力和创新能力的重要手段。本文引入SHPB装置，让本科生接触岩石动力学测试，是对地质工程专业卓越人才培养的尝试。这也为培养有志于基础科学研究，具有原创性思维和科研创新能力的大师级人才提供了支持。

作为人才培养的重要教学环节，深化实验教学改革，提高学生的实践与创新能力需要长期的准备于实践。将SHPB装置在实验教学推广过程中，必定会面

临许多意想不到的问题，需要在教学过程中去解决，不断完善，从而为国家和社会培养卓越毕业生！

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