SHPB 冲击技术在岩石动态力学教学实验中的应用

于 洋， 徐 倩， 耿大新， 刁心宏

（华东交通大学轨道交通基础设施运维安全保障技术国家地方联合工程研究中心，南昌330013）

0 引 言

岩石作为一种天然材料，结构组成非常复杂，这导致其物理力学性能差异性较大，而且在静载与冲击动载试验中存在差异非常显著［1］。产生差异的原因主要体现在两个方面［2］：① 静载作用时，由于介质处于静力平衡状态，介质微元的惯性作用可忽略，而在冲击动载下荷载作用时间极短，此时介质微元的惯性则不可忽略。②静载试验的冲击试验中应变率比静态试验中高出多个量级［3］，这使二者材料本构关系对应变率的相关性大有不同。

岩石静载试验研究已相对成熟，而材料动态力学特性测试研究则相对较晚，常用技术为霍普金森冲击压杆试验（以下简称SHPB），该技术源于1914年Hopkinson设计的一种压杆，后经有关研究人员的不断研究趋于完善［4-5］。由于我国地下工程的大力发展以及爆破技术的广泛应用，对岩石承受动载作用后的力学性能变化的研究更为迫切［6-7］。对此，岩土工程专业的学生更需熟练掌握运用SHPB试验系统研究岩石动力学的方法，减少目前我国高校大学生理论与实践脱节，学生能力与能力需求不匹配的问题［8-9］。目前大多地下工程开挖中涉及的岩体常处于三维受力状态，故在实际操作中开展围压状态下动力学实验研究很有必要。SHPB实验技术是目前比较先进的技术手段，本试验采用改进了的实验系统，即在岩样周围安装围压装置，此实验目的性强，可有针对性地让学生掌握SHPB实验技术测定岩石动态力学特征的方法。实验中砂岩材料为研究对象，开展了SHPB动力加载研究教学实验项目，精心设计了教学实验项目、实验目的、方法及实验原理。本实验旨在锻炼学生的实验动手能力并充分发挥其自主能动性，包括独立设计冲击气压、所需围压、自主判断实验方案是否合理，并利用基本操作及方法完成实验及后续数据处理工作，最终科学合理地得出砂岩动载作用后力学性能变化情况。

本实验帮助学生进一步了解SHPB实验原理及操作方法，锻炼学生们实验动手能力，培养学生创新意识及实践能力，为今后科研和工作提供实践基础。实验项目充实了实验教学内容，让学生们自主利用SHPB大型实验装置进行实验，符合学校和国家提倡的将大型设备应用于实验教学中，提高设备的利用效率，发挥大型设备在科学研究和教学实验中的作用［10-12］。

1 实验内容及流程

1.1 实验仪器

本实验所用SHPB实验系统（见图1）主要由3个部分组成：动力驱动系统、压杆系统、数据接收和采集系统。动力驱动系统主要通过释放气压腔中的压缩气体，压缩气体推动射弹使之具有一定初速度，进而撞击压杆系统；压杆系统包括入射杆和透射杆，二者均由40Cr的高强钢组成，密度为7 850 kg／m3，弹性模量为210 GPa。将岩样放置于入射杆和透射杆之间，射弹撞击入射杆后，入射杆将冲击能量传递给岩样，部分能量透过岩样传入透射杆，透射杆中多余的能量则通过系统尾部的吸能装置吸收；数据接收和采集系统包括SDY2017A超动态应变仪和DL850示波器。

图1 SHPB实验系统

1.2 实验原理

图2 所示为SHPB结构原理示意图。由于入射杆、透射杆与岩样波阻抗不同，导致入射波σI（t）传播至岩样与入射杆交界面处会发生发射并产生反射波σR（t），而在岩样与透射杆交界面处产生透射波σT（t）。入射波σI（t）和反射波σR（t）均由贴在入射杆中间的应变片测得的入射应变εI（t）和反射应变εR（t）得到，而透射波σT（t）则由贴在透射杆中间的应变片所测透射应变εT（t）得到。

图2 SHPB结构原理示意图

SHPB装置满足两个基本假定：①岩样与两杆件交界面处的质点位移速度连续；②岩样与两杆件交界面处的内力相等。基于一维应力波理论和第1个假定，可得到岩样与入射杆端面位移u1及岩样与透射杆断面位移u2：

式中：ε1（t）和ε2（t）分别为岩样与入射杆、透射杆端面处的应变；Ce为杆件的纵波波速；τ为应变波持续时长。

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

进而，可得到岩样的平均应变：

式中，Ls为岩样长度。

将式（2）代入式（3），得到岩样的应变：

对应变求导，即可得到岩样的应变率：

根据假定（2），岩样两端面的荷载分别为：

式中，Ee和Ae为杆件的弹性模量和横截面积。

故可计算得到岩样的平均应力为：

式中：As为岩样的横截面积。

根据实验过程中入射杆、透射杆上的应变片测得的入射波εI（t）、反射波εR（t）和透射波εT（t），并结合式（4）、（5）和（7）可计算得到岩石的应变、应变率和应力。

1.3 实验流程

实验方法根据SHPB冲击压杆实验的要求［13］，将岩石试样两端均匀涂抹凡士林，夹制于入射杆与透射杆之间，有围压实验时将岩样放置于围压装置中，并将入射杆与透射杆与岩样两端对齐。首先，为学生讲解测量岩石动态力学性能的一般方法，以及动态力学性能在工程实际中的应用，并详细介绍SHPB实验原理，以及仪器构造、设备操作过程和实验注意事项，将理论知识与实验内容有机结合，达到理论联系实际，理论指导实验的效果［14］。讲解过程中，抛出与本实验教学相关的问题请同学回答，①可检查同学对实验操作的预习情况；②可活跃课堂氛围，开启学生的创造性思维，调动学习积极性，提升理论知识联系实验过程的效果［15］；③让学生独立设计运用SHPB系统测量岩石动态力学性能的实验方案，包括冲击气压设置、围压选择以及轴压的设定等。帮助学生了解实验过程中设备参数如何设定、如何在围压装置中安放岩样以及实验完成后数据如何处理。学生通过独立设计实验方案并完成SHPB岩石动态加载全过程，可增强自己的独立思考能力、创新能力和综合实践能力。实验结束后，指导学生完成实验设备清理及养护工作；④让学生独立分析实验数据，根据波形图数据计算得到岩石应力、应变和平均应变率，绘制出岩石动应力-应变曲线，并与静载作用下岩石力学性能进行对比分析。图3所示为实验流程图。

图3 SHPB冲击压杆实验流程图

2 教学实例

以砂岩材料为例，将砂岩制作成直径50 mm，高度70 mm的标准圆柱体试样，试验前按照国内《工程岩体试验方法标准》等标准要求对试样两端面的平整度和周边的垂直度进行处理，使其满足规范要求。为将冲击动载实验结果与静载下岩石力学性能对比，首先利用RTM-150试验机对其进行单轴抗压试验，测得其平均单轴抗压强度为78 MPa，弹性模量为9.419 GPa，变形模量为5.845 GPa。然后将岩样分成两组，一组进行无围压冲击实验，另一组进行有围压（围压2 MPa）冲击，每组3块岩样进行平行实验以减少结果误差，有围压作用时循环冲击4次以研究冲击动载下砂岩累积动力损伤。根据应变片所测数据并结合式（4）、（5）和（7），可得到冲击作用下砂岩的应力应变情况。

图4所示为无围压及2 MPa围压下应变片直接收集到的电压信号数据。大多学生对这个数据比较陌生，可以引导学生了解应变片收集数据的原理，并根据电压信号初步判断实验过程是否顺利、数据是否可靠，然后通过实际操作将电压数据转变为可直接运用的应变数据，这为学生以后进行相关力学试验打下基础，同时也可激发学生对岩石力学学科的兴趣。

图4 应变波形曲线

图5 所示为无围压及2 MPa围压情况下的应力应变曲线，其斜率表示砂岩动态模量的变化情况，图例表示每次冲击荷载下岩样的平均应变率。图中相应数据均由电压信号数据通过理论计算转换而来，此过程可让学生独立完成，加深学生对SHPB原理的理解，并通过对比分析，帮助学生深刻认识到砂岩在动态冲击荷载下力学性能的变化情况。整个流程下来，学生对SHPB冲击实验原理、实验方法、设备操作和实验注意事项，以及后期数据计算和处理等过程有了清晰的认知，并利用所学书本知识及现场实践教学了解并掌握岩石SHPB冲击实验全过程。

图5 应力-应变曲线

3 结 语

根据高素质人才培养模式的要求，开展自主性科研实验，让学生了解了岩石材料（以砂岩为例）在冲击荷载作用下的动态力学性能，掌握岩石SHPB冲击实验的原理、方法及数据采集、处理分析的全过程，了解砂岩在冲击动荷载下力学性能与静载实验下的区别，以及围压对冲击应力下岩石的有利作用。系统地帮助学生了解本试验技术方法所涉及的实验知识体系，锻炼学生的实践动手能力及科研素养，培养学生科研创新与探索精神，对于促进学生知识、思维、能力和素质的全面协调发展具有重要意义［16］，使他们今后能更好地胜任本研究领域内相关工作。