利用SHPB聯合測定巖石非線性系數及衰減系數的教學試驗

丁海濱

［摘? ? ? ? ? ?要］? 利用分離式霍普金森沖擊壓桿（SHPB）試驗裝置測定了巖石的非線性系數和衰減系數，開設了自主探究性科研試驗，讓學生掌握了測定巖石非線性系數和衰減系數的理論知識，學習并實踐了SHPB系統進行巖石動力試驗，了解了SHPB系統的工作原理，熟練掌握了SHPB試驗設備操作及數據處理方法。通過該教學試驗，鍛煉了學生的動手能力，培養了學生自主設計、實施試驗的創新能力。

［關? ? 鍵? ?詞］? 分離式霍普金森沖擊壓桿（SHPB）；巖石；非線性系數；衰減系數

［中圖分類號］? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］? 2096-0603（2023）16-0０81-04

顆粒材料（如巖石等）由于其內部結構復雜，導致其具有很明顯的動力非線性特性[1-2]。同時，由于材料的內部結構具有孔隙或裂紋等缺陷，導致彈性波在其內傳播產生耗散[3-5]，通常采用衰減系數來表征。目前關于巖石非線性及波在其中傳播的衰減特性已有較多的研究。

關于巖石非線性的研究，大多集中于構建對應的理論非線性模型來分析巖石的非線性特性[6-8]，并通過試驗結合波動理論測得巖石的非線性系數[9]。波在巖石介質中傳播的衰減特性研究的主要方法有直接測試法[10-11]、構建理論模型[12-13]和數值模擬。然而，目前還沒有關于聯合測定巖石非線性系數和衰減系數的相關研究。

分離式霍普金森沖擊壓桿（SHPB）系統是國際巖石力學學會推薦的研究巖石沖擊動力響應的常用裝置系統[14-16]。本試驗擬采用SHPB試驗系統，以巖石為試驗材料，結合非線性理論和波動理論實現聯合測定巖石非線性系數和衰減系數的目的。本試驗旨在培養學生根據理論模型獨立設計試驗方案、獨立開展試驗的能力，同時使學生學會數據處理工作，培養其科研思維能力。

本試驗幫助學生進一步掌握SHPB試驗原理及試驗操作方法，培養學生的創新意識，可為今后學生從事相關的工作奠定基礎。本次試驗教學符合國家倡導的將大型的試驗設備應用于實際教學當中，發揮試驗設備的價值，提高教學質量的目的。

一、試驗內容及流程

（一）SHPB試驗設備

本試驗所采用的SHPB試驗系統由動力系統、入射桿、透射桿、圍壓系統、數據采集系統及緩沖裝置組成，如圖1所示。試驗過程中，動力系統通過釋放氣壓腔中的壓縮氣體推動子彈，使之具有一定的初始動能，進而以一定的速度撞擊入射桿，將能量傳遞給入射桿和透射桿之間的巖石試樣，其中有部分能量反射至入射桿及通過巖石試樣傳入透射桿中，透射桿中多余的能量則通過吸收裝置吸收。在入射桿和透射桿上裝有應變片，應變片與數據采集系統連接，用以讀取入射波、反射波和透射波所產生的應變。

（二）聯合測定巖石非線性系數和衰減系數試驗原理及流程

入射波經入射桿傳播至巖石試樣界面時，將在反射桿中產生反射波，同時經巖石在透射桿中產生透射波；入射桿和透射桿中應變值均可通過應變片測得。SHPB試驗典型的入射波及透射波信號如圖2所示。

二、教學實例

該次教學試驗采用了直徑為D=48.4 mm，高度L=70.5 mm的圓柱形砂巖試樣（顆粒粒徑0.2～0.5 mm）作為試驗材料；試驗前，測得試樣密度為？籽s=2.3g/cm3，波速為Cs=2900m/s，桿件密度？籽b=7.81g/cm3，波速Cb=5410m/s。試驗過程中，設置霍普金森桿沖擊氣壓依次為0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa和0.9 MPa，測得不同沖擊荷載下入射波應變和透射波應變信號。同時，對所獲得的信號進行快速Fourier變換，得出入射波基頻為f1=4524Hz，倍頻為f2=9048Hz。圖4為四組沖擊荷載下，透射波應變與入射波應變幅值的比值曲線，可得出平均比值為ra=0.342；圖5為二階諧波下比值εtr2/曲線，其平均值為0.945。從而可求出阻抗比kz=0.518；波數k=？棕/Cs=9.8m-1。從而利用式可計算得到衰減系數？琢=4.54m-1，然后利用式可計算得到非線性系數β=629。

三、教學試驗效果分析

本教學試驗開始前，首先，為學生講解了采用霍普金森壓桿系統測定巖石非線性系數和衰減系數的理論原理，并詳細介紹了SHPB實驗設備的工作原理及注意事項；其次，在實驗室內現場演示試驗操作流程，在學生觀看過程中有什么問題及時予以解答；進而要求學生根據該試驗的理論原理設計對應的試驗方案，并根據試驗方案進行試驗；最后，學生根據試驗所測得的結果進行數據處理，并根據理論計算得到巖石的非線性系數和衰減系數值。

學生通過該試驗學會了通過理論結合室內試驗獲得巖石非線性系數和衰減系數的方法；通過自主設計試驗方案，并進行試驗，提高了自主思考能力、創新能力、動手能力及實踐能力，同時，也讓學生了解了如何對試驗數據進行處理，激發了學生對巖石力學學科及科學研究的興趣。

四、結語

開展自主研究性試驗，讓學生掌握了SHPB沖擊試驗原理，了解了巖石的基本動力特性及其衰減系數和非線性系數的獲取方法，學會了試驗數據處理及分析。系統地幫助學生了解了本試驗的技術方案及相關的理論知識，鍛煉了學生的動手能力，培養了學生的科研創新意識，對促進學生理論與實際結合能力、探索思維綜合素質的發展具有重要的意義，為他們今后從事相關工作奠定了基礎。

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◎編輯 栗國花