岩石动力学试验设备-2

岩石动力学的研究方法

及试验设备

李宁张平（西安理工大学岩土工程研究所）引言

不同材料动态力学性能的测试是建立材料动力学理论的基础。早先，人们进行的是金属材料的动力试验。1870年R.H.Thurston在研究金属大变形时曾经预言，如果提高准静态试验的加载速率将得到一个较高的应力应变曲线。1872年和1905年J.Hopkinson和B.Hopkinson父子俩相继作了一端固定的悬垂钢丝冲击拉力试验，得出冲击拉断的主要因素是冲击速度，拉断位置在固定端，动态屈服强度约为静态屈服强度的两倍。从而导致了近一个世纪的惯性效应和应力波的研究。对于地质材料特别是岩石的动力试验研究是从60年代后期开始的。岩石开挖、爆破中的工程问题使得人们对岩石的动力特性产生了兴趣，而继续沿用静态条件下岩石的本构关系显然不能解决由于动载引起的惯性效应及滞后效应。因此，借助动力学试验方法和动载试验设备，对岩石的动变形、动强度和动力本构关系进行深入的研究显然具有重大的理论和工程意义。由于岩石复杂的内在结构和动力作用的多样性，现有岩石动态力学性能的测定也还只是部分的或局部的孤立参数的测定，岩石动态力学性能的测定无论是试验设备或测量方法都有待于进一步开发[9]。随着岩石动载力学研究发展的深入，岩石力学动载试验方法已由共振法、声波法等过渡到液压加载法、落锤加载法，并进而发展到SHPB（SplitHopkinsonPressureBar）装置、平面碰撞法（包括空气炮、轻气炮、火药炮等）和平面波发生器等。研究岩石的动载特性，根据研究内容不同，应采用不同的试验方法。确定岩石的动弹性参数，常采用共振法、声波法。确定岩石的变形、强度特性和粉碎特性常采用液压加载法、落锤加载法、SHPB（SplitHopkinsonPressureBar）装置、平面碰撞法（包括空气炮、轻气炮、火药炮等）和平面波发生器等。一、共振法共振法是在一根圆柱形和棱柱形试件上，施加纵向振动、横向振动或扭转型振动，并逐级改变驱动频率，测出试件的共振频率，再切断动力，测记出振动衰减曲线。根据这个共振频率以及试件的几何尺寸和端部限制条件，计算出试件的动模量Ed和Gd，并根据衰减曲线计算出阻尼比λ。二、声波法声波法是利用弹性波传播理论，根据测得的振源与接收器之间的距离和压缩波、剪切波到达接收点经过的时间算出波速，然后依据压缩波、剪切波波速求取动弹模和泊松比的方法。由于声波测试设备简单，因而应用较为普遍，特别是在不易直接取得岩心样品的条件下。同时，由于声波测定仪的传感器体积较小，人们将声波仪和材料试验机组合使用，可同时测定岩石的动态力学参数和静态应力-应变曲线。共振法和声波法是一种测量小应变的快速方法，由于共振法、声波法并没有直接测定加载于岩石上的应力和岩石产生的应变，因而可以认为共振法、声波法只是一种间接测定岩石动载力学性质的方法。但是这两种方法不受试件裂隙、空洞和静力试验中某些因素的影响，若处理得当，可获得有价值的结果。三、液压快速加载法液压快速加载法和下面介绍的落锤加载法的岩石力学动载试验机可以直接测得施加在岩心上的轴向和围压的应力数据，也可以直接测得岩心的轴向和径向变形数据，因而更能反映动载下岩石的实际力学性能。为了提高加载速率，液压加载法实际使用的是液-气联合加载法。此装置包括：由气压-液压联动系统组成的快速加载设备；可承受内部压力的三轴室；由计算机及其控件组成的控制台和数据采集系统。四、落锤加载法该系统由落锤加载系统、岩心室、测试和泵压系统四大部分组成。落锤加载系统由垂直轨道和自由落体的重物及高度测量系统组成。岩心室主要由承压容器和可移动的活塞杆组成，岩心位于岩心室间；承压容器的压力腔给被测岩心提供一个初始的受压状态，而活塞杆的主要作用是将落锤施加的冲击荷载传递到被测的岩心上。五、SHPB装置Hopkinson杆实验技术是利用弹性应力波传播理论来研究材料在高速变形过程中的动力学行为，可以检验岩石材料对冲击载荷的响应、传递以及相应的变形特征。1949年H.Kolosky改进了Hopkinson-Davies压杆装置，用于测量短柱试件的动态应力-应变关系，称为分离式Hopkinson压杆，简称SHPB[4]。此装置包括：使撞击杆加速运动的氮气瓶和弹膛组成的动力系统；由撞击杆、岩石试样以及与试件两端紧密接触的入射杆和透射杆组成的载荷产生与传递系统；由聚光灯炮、光电管、放大器和计数器组成的测试系统；由应变片、超动态应变仪和CS2092动态测试分析仪组成的应变量测系统[5]，见下图。SHPB装置的试验原理为弹性杆的波动理论。当在入射杆的一端施加压力荷载，便在杆中产生一沿杆方向传播的弹性波，弹性波作用于试件，使其产生变形；通过测试杆件输入、输出端的应力波，便可运用弹性力学理论计算出杆件的应变-时间曲线和应力应变曲线。六、平面碰撞法杆撞击是属于一维应力问题，试验中的试件处于无约束状态，因此试件的压力不可能很高，其应变率也是有限的。要想获得更高的压力，更高应变率，只有采用板撞击技术。板撞击是属于一维应变问题，它能够在试件有效部位产生很高的压力和很高的应变率，因此是实现更高应变率试验的主要途径[6]。用平面碰撞法研究岩石的动载特性是在气炮（包括空气炮、轻气炮、火药炮等）上完成的[10，11]。为了进行高应变率下岩石的动载试验，人们一直在设法提高冲击速度，现有火炮弹丸冲击速度可达到2～3km/s，这个速度上限是由于火药气体分子量大造成的，若采用轻质气体（氢气、氦气和氮气）作为工作介质，弹丸速度可达11km/s。此装置包括：压缩气炮和平头炮弹组成的动力加载设备；镱应力传感器、可控脉冲恒流源和数字存储示波器组成的测试系统；示波器、接口、图形打印机、控制器（微机）、打印机和绘图仪等组成的数据采集系统；数据处理系统，见下图[7]。通常的气炮主体结构由炮主体、靶室、高压气体加注系统和抽真空系统组成，我国有代表性的气炮是始建于七十年代的中国科学院力学研究所的101mm口径一级轻气炮。七、平面波发生器高速冲击载荷的试验技术又称动高压技术，动高压技术有许多种，其中压气炮高压技术和化爆高压技术最为成熟。SHPB装置和平板撞击装置是主要的压气炮高压装置，而平面波发生器是最