SHPB 沖擊技術在巖石動態力學教學實驗中的應用

于 洋， 徐 倩， 耿大新， 刁心宏

（華東交通大學軌道交通基礎設施運維安全保障技術國家地方聯合工程研究中心，南昌330013）

0 引 言

巖石作為一種天然材料，結構組成非常復雜，這導致其物理力學性能差異性較大，而且在靜載與沖擊動載試驗中存在差異非常顯著［1］。產生差異的原因主要體現在兩個方面［2］：① 靜載作用時，由于介質處于靜力平衡狀態，介質微元的慣性作用可忽略，而在沖擊動載下荷載作用時間極短，此時介質微元的慣性則不可忽略。②靜載試驗的沖擊試驗中應變率比靜態試驗中高出多個量級［3］，這使二者材料本構關系對應變率的相關性大有不同。

巖石靜載試驗研究已相對成熟，而材料動態力學特性測試研究則相對較晚，常用技術為霍普金森沖擊壓桿試驗（以下簡稱SHPB），該技術源于1914年Hopkinson設計的一種壓桿，后經有關研究人員的不斷研究趨于完善［4-5］。由于我國地下工程的大力發展以及爆破技術的廣泛應用，對巖石承受動載作用后的力學性能變化的研究更為迫切［6-7］。對此，巖土工程專業的學生更需熟練掌握運用SHPB試驗系統研究巖石動力學的方法，減少目前我國高校大學生理論與實踐脫節，學生能力與能力需求不匹配的問題［8-9］。目前大多地下工程開挖中涉及的巖體常處于三維受力狀態，故在實際操作中開展圍壓狀態下動力學實驗研究很有必要。SHPB實驗技術是目前比較先進的技術手段，本試驗采用改進了的實驗系統，即在巖樣周圍安裝圍壓裝置，此實驗目的性強，可有針對性地讓學生掌握SHPB實驗技術測定巖石動態力學特征的方法。實驗中砂巖材料為研究對象，開展了SHPB動力加載研究教學實驗項目，精心設計了教學實驗項目、實驗目的、方法及實驗原理。本實驗旨在鍛煉學生的實驗動手能力并充分發揮其自主能動性，包括獨立設計沖擊氣壓、所需圍壓、自主判斷實驗方案是否合理，并利用基本操作及方法完成實驗及后續數據處理工作，最終科學合理地得出砂巖動載作用后力學性能變化情況。

本實驗幫助學生進一步了解SHPB實驗原理及操作方法，鍛煉學生們實驗動手能力，培養學生創新意識及實踐能力，為今后科研和工作提供實踐基礎。實驗項目充實了實驗教學內容，讓學生們自主利用SHPB大型實驗裝置進行實驗，符合學校和國家提倡的將大型設備應用于實驗教學中，提高設備的利用效率，發揮大型設備在科學研究和教學實驗中的作用［10-12］。

1 實驗內容及流程

1.1 實驗儀器

本實驗所用SHPB實驗系統（見圖1）主要由3個部分組成：動力驅動系統、壓桿系統、數據接收和采集系統。動力驅動系統主要通過釋放氣壓腔中的壓縮氣體，壓縮氣體推動射彈使之具有一定初速度，進而撞擊壓桿系統；壓桿系統包括入射桿和透射桿，二者均由40Cr的高強鋼組成，密度為7 850 kg／m3，彈性模量為210 GPa。將巖樣放置于入射桿和透射桿之間，射彈撞擊入射桿后，入射桿將沖擊能量傳遞給巖樣，部分能量透過巖樣傳入透射桿，透射桿中多余的能量則通過系統尾部的吸能裝置吸收；數據接收和采集系統包括SDY2017A超動態應變儀和DL850示波器。

圖1 SHPB實驗系統

1.2 實驗原理

圖2 所示為SHPB結構原理示意圖。由于入射桿、透射桿與巖樣波阻抗不同，導致入射波σI（t）傳播至巖樣與入射桿交界面處會發生發射并產生反射波σR（t），而在巖樣與透射桿交界面處產生透射波σT（t）。入射波σI（t）和反射波σR（t）均由貼在入射桿中間的應變片測得的入射應變εI（t）和反射應變εR（t）得到，而透射波σT（t）則由貼在透射桿中間的應變片所測透射應變εT（t）得到。

圖2 SHPB結構原理示意圖

SHPB裝置滿足兩個基本假定：①巖樣與兩桿件交界面處的質點位移速度連續；②巖樣與兩桿件交界面處的內力相等。基于一維應力波理論和第1個假定，可得到巖樣與入射桿端面位移u1及巖樣與透射桿斷面位移u2：

式中：ε1（t）和ε2（t）分別為巖樣與入射桿、透射桿端面處的應變；Ce為桿件的縱波波速；τ為應變波持續時長。

由于ε1（t）是由入射波和反射波共同作用的結果，而ε2（t）則是透射波的結果，因此，位移u1和u2又可表示為：

進而，可得到巖樣的平均應變：

式中，Ls為巖樣長度。

將式（2）代入式（3），得到巖樣的應變：

對應變求導，即可得到巖樣的應變率：

根據假定（2），巖樣兩端面的荷載分別為：

式中，Ee和Ae為桿件的彈性模量和橫截面積。

故可計算得到巖樣的平均應力為：

式中：As為巖樣的橫截面積。

根據實驗過程中入射桿、透射桿上的應變片測得的入射波εI（t）、反射波εR（t）和透射波εT（t），并結合式（4）、（5）和（7）可計算得到巖石的應變、應變率和應力。

1.3 實驗流程

實驗方法根據SHPB沖擊壓桿實驗的要求［13］，將巖石試樣兩端均勻涂抹凡士林，夾制于入射桿與透射桿之間，有圍壓實驗時將巖樣放置于圍壓裝置中，并將入射桿與透射桿與巖樣兩端對齊。首先，為學生講解測量巖石動態力學性能的一般方法，以及動態力學性能在工程實際中的應用，并詳細介紹SHPB實驗原理，以及儀器構造、設備操作過程和實驗注意事項，將理論知識與實驗內容有機結合，達到理論聯系實際，理論指導實驗的效果［14］。講解過程中，拋出與本實驗教學相關的問題請同學回答，①可檢查同學對實驗操作的預習情況；②可活躍課堂氛圍，開啟學生的創造性思維，調動學習積極性，提升理論知識聯系實驗過程的效果［15］；③讓學生獨立設計運用SHPB系統測量巖石動態力學性能的實驗方案，包括沖擊氣壓設置、圍壓選擇以及軸壓的設定等。幫助學生了解實驗過程中設備參數如何設定、如何在圍壓裝置中安放巖樣以及實驗完成后數據如何處理。學生通過獨立設計實驗方案并完成SHPB巖石動態加載全過程，可增強自己的獨立思考能力、創新能力和綜合實踐能力。實驗結束后，指導學生完成實驗設備清理及養護工作；④讓學生獨立分析實驗數據，根據波形圖數據計算得到巖石應力、應變和平均應變率，繪制出巖石動應力-應變曲線，并與靜載作用下巖石力學性能進行對比分析。圖3所示為實驗流程圖。

圖3 SHPB沖擊壓桿實驗流程圖

2 教學實例

以砂巖材料為例，將砂巖制作成直徑50 mm，高度70 mm的標準圓柱體試樣，試驗前按照國內《工程巖體試驗方法標準》等標準要求對試樣兩端面的平整度和周邊的垂直度進行處理，使其滿足規范要求。為將沖擊動載實驗結果與靜載下巖石力學性能對比，首先利用RTM-150試驗機對其進行單軸抗壓試驗，測得其平均單軸抗壓強度為78 MPa，彈性模量為9.419 GPa，變形模量為5.845 GPa。然后將巖樣分成兩組，一組進行無圍壓沖擊實驗，另一組進行有圍壓（圍壓2 MPa）沖擊，每組3塊巖樣進行平行實驗以減少結果誤差，有圍壓作用時循環沖擊4次以研究沖擊動載下砂巖累積動力損傷。根據應變片所測數據并結合式（4）、（5）和（7），可得到沖擊作用下砂巖的應力應變情況。

圖4所示為無圍壓及2 MPa圍壓下應變片直接收集到的電壓信號數據。大多學生對這個數據比較陌生，可以引導學生了解應變片收集數據的原理，并根據電壓信號初步判斷實驗過程是否順利、數據是否可靠，然后通過實際操作將電壓數據轉變為可直接運用的應變數據，這為學生以后進行相關力學試驗打下基礎，同時也可激發學生對巖石力學學科的興趣。

圖4 應變波形曲線

圖5 所示為無圍壓及2 MPa圍壓情況下的應力應變曲線，其斜率表示砂巖動態模量的變化情況，圖例表示每次沖擊荷載下巖樣的平均應變率。圖中相應數據均由電壓信號數據通過理論計算轉換而來，此過程可讓學生獨立完成，加深學生對SHPB原理的理解，并通過對比分析，幫助學生深刻認識到砂巖在動態沖擊荷載下力學性能的變化情況。整個流程下來，學生對SHPB沖擊實驗原理、實驗方法、設備操作和實驗注意事項，以及后期數據計算和處理等過程有了清晰的認知，并利用所學書本知識及現場實踐教學了解并掌握巖石SHPB沖擊實驗全過程。

圖5 應力-應變曲線

3 結 語

根據高素質人才培養模式的要求，開展自主性科研實驗，讓學生了解了巖石材料（以砂巖為例）在沖擊荷載作用下的動態力學性能，掌握巖石SHPB沖擊實驗的原理、方法及數據采集、處理分析的全過程，了解砂巖在沖擊動荷載下力學性能與靜載實驗下的區別，以及圍壓對沖擊應力下巖石的有利作用。系統地幫助學生了解本試驗技術方法所涉及的實驗知識體系，鍛煉學生的實踐動手能力及科研素養，培養學生科研創新與探索精神，對于促進學生知識、思維、能力和素質的全面協調發展具有重要意義［16］，使他們今后能更好地勝任本研究領域內相關工作。