巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性測試技術(shù)清楚明了

巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性測試技術(shù)

洪亮

土木工程學(xué)院

2016.10.19提綱1.巖石靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的區(qū)分；2.巖石動(dòng)力學(xué)研究的意義及巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)基本特性；3.巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性測試技術(shù)與設(shè)備概述；4.分離式霍普金森桿測試技術(shù)；5.國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)巖石動(dòng)力學(xué)測試推薦方法簡介1.巖石靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的區(qū)分①巖體力學(xué)分為巖體靜力學(xué)和巖體動(dòng)力學(xué)②靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)劃分的依據(jù)為應(yīng)變率③加載應(yīng)變率的高低量級的含義至今沒有一個(gè)統(tǒng)一的界定綜合上述觀點(diǎn)，可以大致歸納為：應(yīng)變率范圍低于10-5s-1時(shí)為靜態(tài)或蠕變；應(yīng)變率范圍介于10-5s-1-10-1s-1為準(zhǔn)靜態(tài)或低應(yīng)變率；應(yīng)變率范圍介于10-1s-1-104s-1為動(dòng)態(tài)，其中中等應(yīng)變率為10-1s-1-102s-1，高應(yīng)變率為102s-1-104s-1；應(yīng)變率高于104s-1為超動(dòng)態(tài)。2.巖石動(dòng)力學(xué)研究的意義及巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)基本特性（1）我國巖石動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展歷程我國巖石動(dòng)力學(xué)研究開始：20世紀(jì)60年代初，湖北大冶鐵礦邊坡穩(wěn)定性研究中的爆破動(dòng)力效應(yīng)試驗(yàn)較全面開展的巖石動(dòng)力學(xué)研究：1965年由國家科委與國防科委同意成立防護(hù)工程組，并將“防護(hù)工程問題的研究”增列為10年規(guī)劃中的國家重點(diǎn)項(xiàng)目。

從1965－1980年15年的歷程中，我國曾多次進(jìn)行大規(guī)模的防護(hù)工程與國家安全工程現(xiàn)場試驗(yàn)，在爆炸現(xiàn)場主要測量巖體內(nèi)位移、速度、加速度及壓力等運(yùn)動(dòng)參數(shù)與力學(xué)參數(shù)，分析應(yīng)力波在巖土中的傳播與衰減規(guī)律，開展了巖體本構(gòu)關(guān)系、應(yīng)力波在毛洞周圍繞射的動(dòng)光彈與高速攝影研究，同時(shí)研制了一批壓力、位移、速度和加速度等測量系統(tǒng)以及巖石動(dòng)載機(jī)、霍布金森壓桿等一系列試驗(yàn)設(shè)備，有限元法等數(shù)值模擬計(jì)算也取得了重要成果。我國防護(hù)工程的建設(shè)與研究，奠定了我國巖石動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)。1977年，由國家計(jì)委組織、兵器工業(yè)部和國家貯備局牽頭，全國20多個(gè)部委、兵種、大專院校與科研院所參加的地下炸藥庫安全問題的研究（“七七工程”），研究過程歷時(shí)10多年，是我國首次進(jìn)行的大比例現(xiàn)場化爆試驗(yàn)，最大規(guī)模做到1:1的500tTNT原型洞庫炸藥試驗(yàn)，在國際上也屬罕見。與巖石動(dòng)力學(xué)相關(guān)的研究課題有巖體中應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律，爆破漏斗與破壞分區(qū)。室內(nèi)試驗(yàn)有巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)和巖石斷裂機(jī)制以及相關(guān)的數(shù)值計(jì)算。我國巖石動(dòng)力學(xué)學(xué)科發(fā)展走向新里程：1987年，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)的成立。從1988年始，巖石動(dòng)力學(xué)專委會(huì)每兩年組織召開“全國巖石動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)”（2）巖石動(dòng)力學(xué)研究內(nèi)容巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)與本構(gòu)關(guān)系各種動(dòng)荷載作用下所引起的地運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)以及對巖石結(jié)構(gòu)建筑物破壞的預(yù)報(bào)，巖石中結(jié)構(gòu)物的抗爆炸破壞能力的估計(jì)，以及這些結(jié)構(gòu)物的合理設(shè)計(jì)等要求充分地掌握巖石和巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)、本構(gòu)關(guān)系，特別是在爆炸荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系，它是研究巖石爆破機(jī)制、應(yīng)力波傳播規(guī)律、防護(hù)工程設(shè)計(jì)以及地震工程、巖土基礎(chǔ)工程等所必需的重要資料。對巖石動(dòng)力特性，人們最感興趣的是巖石材料對加載速率的響應(yīng)。巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)的研究，除上面表述的外，在我國防護(hù)工程領(lǐng)域也做了大量巖石動(dòng)力學(xué)研究和成果，涉及國防的研究成果不宜公開應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律研究應(yīng)力波在巖石介質(zhì)中傳播與衰減的規(guī)律，是期待爆炸波對地下工程及建筑物的破壞效應(yīng)最小。在礦山破巖等實(shí)際工程中，要充分利用其爆炸能量以獲得最佳爆破效果。在地震工程中，期望了解地震波對地面建筑物、構(gòu)筑物的破壞效應(yīng)。因此，研究應(yīng)力波在巖土介質(zhì)中傳播與衰減規(guī)律，對國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)都具有重大意義。目前人們研究波在巖體中的衰減，主要是研究應(yīng)力波、地震波、超聲波的傳播與衰減。從防護(hù)工程的角度，人們更關(guān)心沖擊波傳播對構(gòu)筑物的影響；從地震工程的角度，人們更關(guān)心表面波的傳播與衰減及與自由面的相互作用。這類成果目前少見。巖石的聲學(xué)特征研究應(yīng)用聲學(xué)方法研究巖石物理力學(xué)特性，是聲學(xué)與巖石動(dòng)力學(xué)學(xué)科相互交叉的結(jié)果。巖石超聲測試技術(shù)是通過測定聲波穿透巖石（巖體）后聲學(xué)參數(shù)（波速、波形、波頻、波譜）的變化，間接了解巖石（巖體）的物理力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)特征。由于巖石（巖體）材料的復(fù)雜性，對于巖石聲學(xué)特性與巖石應(yīng)力狀態(tài)的相關(guān)性、對于與應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的加載和卸載過程、對于聲波信號如何應(yīng)用等等，仍需深入研究的課題。爆破效應(yīng)與破巖機(jī)理研究巖體動(dòng)力破壞的最小能量，巖體中爆炸與沖擊真實(shí)變形與破壞過程，研究材料在不同特征能量尺度及其傳輸速度下統(tǒng)一的分階段連貫的動(dòng)力破壞過程和動(dòng)力破壞準(zhǔn)則數(shù)值分析與數(shù)值計(jì)算我國開展動(dòng)力有限元法的研究始于70年代初，應(yīng)用背景是核爆與化爆的工程效應(yīng)。近十多年來，數(shù)值計(jì)算、數(shù)值仿真得到空前發(fā)展。巖石動(dòng)力學(xué)中波動(dòng)問題研究，LS-DYNA在巖石介質(zhì)中爆破破壞過程的應(yīng)力場、傳播過程、巖石爆破漏斗的數(shù)值模擬。巖爆與沖擊地壓機(jī)理研究我國現(xiàn)階段的巖石工程規(guī)模大、難度高，為世界所矚目。無論是礦山工程，還是水電工程和交通工程，很多工程的開發(fā)進(jìn)入了深部地下空間，不少工程都遇到了巖爆現(xiàn)象。特別是近年來發(fā)生了多起巖爆引起的重大事故，造成了人員傷亡和施工裝備的嚴(yán)重破壞。巖爆機(jī)制及其預(yù)測預(yù)報(bào)預(yù)警的研究已經(jīng)成為我國巖石力學(xué)界必須致力解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難題，由此也帶來了“巖爆熱”。巖爆研究從第三屆全國巖石動(dòng)力學(xué)會(huì)議開始，就作為一個(gè)專題討論，系統(tǒng)地從巖爆機(jī)制到工程防治進(jìn)行了卓有成效的研究。研究大致可分為3大類：研究巖爆的現(xiàn)象、機(jī)理等理論和模型分析；巖爆的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)和風(fēng)險(xiǎn)評估和工程中巖爆預(yù)測、預(yù)報(bào)方法及控制措施。巖石動(dòng)力學(xué)在工程中的應(yīng)用巖石動(dòng)力學(xué)最重要的研究對象是爆破工程、防護(hù)工程及地震工程。隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高度發(fā)展，巖土工程中的基礎(chǔ)工程也需要巖石動(dòng)力學(xué)的研究成果。爆破開挖振動(dòng)監(jiān)測應(yīng)用性工作，利用爆破震動(dòng)技術(shù)改善低滲油田特性提高油氣采用率，在隧道開挖超前預(yù)報(bào)探測技術(shù)方面研究，地震災(zāi)區(qū)許多建筑物、構(gòu)筑物的受損由強(qiáng)大的地震波引發(fā)。3.巖石動(dòng)動(dòng)態(tài)力力學(xué)特特性測測試技技術(shù)與與設(shè)備備電液伺伺服控控制材材料試試驗(yàn)機(jī)機(jī)把加荷荷頻率率提高高到30Hz時(shí)時(shí),應(yīng)應(yīng)變率率可達(dá)達(dá)到100數(shù)量量級,但加加載波波形失失真。。分析析原因因主要要是由由于液液壓源源的容容量限限制,作動(dòng)動(dòng)器的的響應(yīng)應(yīng)無法法跟上上所致致,如如果更更換大大容量量液壓壓源,應(yīng)變變率則則可以以穩(wěn)定定達(dá)到到此數(shù)數(shù)量級級單軸中中等應(yīng)應(yīng)變速速率加加載試試驗(yàn)機(jī)機(jī)Perkin，，Green，，F(xiàn)riedman試驗(yàn)機(jī)機(jī)通過過壓氣氣驅(qū)動(dòng)動(dòng)一重重量較較輕的的可動(dòng)動(dòng)活塞塞，實(shí)實(shí)現(xiàn)對對試樣樣的快快速加加載。。氣體體可以以是空空氣，，氦或或者氮氮?dú)猓?，它們們以等等壓進(jìn)進(jìn)入活活塞上上、下下方的的兩蓄蓄氣室室，發(fā)發(fā)射時(shí)時(shí)，通通過速速啟閥閥使上上蓄氣氣室里里的氣氣體經(jīng)經(jīng)節(jié)流流閥以以超聲聲速排排出。。這樣樣，活活塞就就向上上運(yùn)動(dòng)動(dòng)，快快速壓壓縮試試樣。。加載載速率率由活活塞運(yùn)運(yùn)動(dòng)速速度所所決定定，而而活塞塞的速速度則則與節(jié)節(jié)流口口尺寸寸的大大小、、氣壓壓和被被測試試試樣樣類型型有關(guān)關(guān)。對對任意意試樣樣，通通過合合適地地選取取氣壓壓和排排氣口口大小小，可可以獲獲得所所需要要的恒恒加載載率。。這種種裝置置上限限加載載應(yīng)變變率可可以達(dá)達(dá)到10-20s-1三軸動(dòng)動(dòng)力試試驗(yàn)機(jī)機(jī)Logan，Handin它由機(jī)機(jī)架、、加載載活塞塞、阻阻尼器器及速速啟閥閥等組組成。。速啟啟閥控控制活活塞的的快速速加載載。該該閥通通過5cm的孔孔與試試驗(yàn)機(jī)機(jī)加載載柱的的下室室相連連，并并在管管路上上安裝裝一通通用節(jié)節(jié)流板板以控控制氣氣體的的排泄泄速度度。該該閥閥閥內(nèi)有有一雙雙向作作用活活塞，，與一一錐形形桿相相連，，當(dāng)?shù)偷蛪嚎湛諝庾髯饔糜谟谏鲜沂視r(shí)，，可雙雙向運(yùn)運(yùn)動(dòng)的的活塞塞緊緊緊壓在在錐形形閥座座上，，閥門門關(guān)閉閉。當(dāng)當(dāng)電磁磁閥打打開時(shí)時(shí)，高高壓氣氣體突突然進(jìn)進(jìn)入下下室，，推動(dòng)動(dòng)活塞塞上行行，閥閥座處處的閥閥門打打開，，高壓壓氣體體通過過節(jié)流流閥迅迅速排排出，，從而而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對試試樣的的快速速加載載。在在首次次利用用該設(shè)設(shè)備對對Westerly花崗崗巖和和Solenhofen石灰灰?guī)r進(jìn)進(jìn)行三三軸快快速加加載試試驗(yàn)時(shí)時(shí)，Westerly花花崗巖巖的加加載應(yīng)應(yīng)變率率為1s-1，，Solenhofen石灰灰?guī)r的的軸向向應(yīng)變變率為為10s-1。。Blanton[203]利用用該裝裝置對對花崗崗閃長長巖、、砂巖巖和石石灰?guī)r巖等三三種巖巖石進(jìn)進(jìn)行了了應(yīng)變變速率率從10-2-10s-1的的三軸軸動(dòng)載載試驗(yàn)驗(yàn)?；旌蠅嚎s試試驗(yàn)機(jī)Leblanc和Lassila采用伺服液液壓控制試試驗(yàn)機(jī)具有有275MPa的負(fù)荷結(jié)構(gòu)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器器的加載速速率最大可可達(dá)5m/s，驅(qū)動(dòng)能力力為138MPa。兩根直徑徑為14mm的硬化鋼桿桿相接成一一根長為2.4m的透射桿，，透射桿懸懸掉在八根根可調(diào)的立立柱結(jié)構(gòu)上上，桿支撐撐結(jié)構(gòu)被螺螺固定在試試驗(yàn)機(jī)的十十字頭上。。該試驗(yàn)機(jī)機(jī)驅(qū)動(dòng)器需需要25mm行程達(dá)到穩(wěn)穩(wěn)定速率，，打擊結(jié)束束后亦需要要25mm行程減速，，所以在試試驗(yàn)前需對對驅(qū)動(dòng)器和和透射桿進(jìn)進(jìn)行定位，，保證試樣樣在和桿接接觸之前被被充分加速速，在驅(qū)動(dòng)動(dòng)器減速前前變形完成成。試驗(yàn)過過程中，試試樣應(yīng)力通通過霍普金金森桿中的的彈性波分分析計(jì)算，，試樣應(yīng)變變通過渦流流傳感器測測量的驅(qū)動(dòng)動(dòng)器位移與與應(yīng)變片測測量的透射射桿應(yīng)變進(jìn)進(jìn)行計(jì)算。。Leblanc利用該裝置置成功地對對退火鉭，，退火銅和和固化環(huán)氧氧樹脂試樣樣進(jìn)行了中中等應(yīng)變率率的動(dòng)載試試驗(yàn)。改進(jìn)MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)機(jī)Song，Chen和Lu該試驗(yàn)機(jī)的的創(chuàng)新在于于兩套特制制的試樣夾夾持系統(tǒng)。。兩套夾持持系統(tǒng)均采采用直徑為為19.05mm的鋼桿作為為試樣的傳傳力夾具，，其外觀與與SHPB試驗(yàn)相同。。傳力桿通通過定位架架固定和導(dǎo)導(dǎo)向，使其其在壓縮試試驗(yàn)過程中中保持高精精度的定位位。試驗(yàn)加加載應(yīng)變率率的改變主主要通過調(diào)調(diào)節(jié)位移控控制模式的的液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)速速度來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。試驗(yàn)過過程中試樣樣端部位移移和應(yīng)力歷歷史分別用用線性變化化位移功能能傳感器和和測壓元件件來測定。。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器器速度較低低時(shí)，試樣樣的應(yīng)變率率不超過101s-1，常規(guī)系統(tǒng)統(tǒng)具有足夠夠的頻響獲獲得測試材材料準(zhǔn)確的的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)；；當(dāng)驅(qū)動(dòng)器器速度較快快達(dá)到92mm/s，對應(yīng)的加加載應(yīng)變率率為35s-1時(shí)，必須在在試樣兩端端放置較高高頻響的力力傳感器來來記錄應(yīng)力力歷史和核核對試驗(yàn)過過程中試樣樣的應(yīng)力平平衡過程。。傳感器量量程為22kN，靈敏度為為12.4pC/N，由Kistler制造。傳感感器信號通通過Kistler5010B型放大器由由TektronixTDS3000記錄。實(shí)現(xiàn)了對環(huán)環(huán)氧泡沫材材料在應(yīng)變變率為0.05-35s-1范圍的動(dòng)態(tài)態(tài)加載試驗(yàn)驗(yàn)常規(guī)的MTS夾持系統(tǒng)改進(jìn)的MTS夾持系統(tǒng)RDT-1000型高壓動(dòng)力力三軸儀中科院武漢漢巖土所于于80年代末研制制，圍壓可可達(dá)1000MPa，軸壓可達(dá)達(dá)4000MPa的。該試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)由動(dòng)動(dòng)載機(jī)、三三軸室、控控制臺和測測量系統(tǒng)等等四部分組組成，其核核心部分為為動(dòng)載機(jī)。。動(dòng)載機(jī)包包括機(jī)架和和上下動(dòng)力力源，上下下動(dòng)力源分分別提供動(dòng)動(dòng)軸壓和動(dòng)動(dòng)圍壓。這這種動(dòng)力高高壓三軸試試驗(yàn)機(jī)，軸軸向荷載為為0-200t，軸向荷載載的上升時(shí)時(shí)間為，三軸圍壓壓室靜圍壓壓為0-1000MPa，動(dòng)圍壓每每次在原有有圍壓基礎(chǔ)礎(chǔ)上可增加加動(dòng)圍壓，，動(dòng)圍壓的的上升時(shí)間間大于40ms?？蓪r石石試樣進(jìn)行行軸向應(yīng)變變速率為10-5-101s－1范圍的動(dòng)力力三軸試驗(yàn)驗(yàn)。中應(yīng)變率拉拉壓試驗(yàn)機(jī)機(jī)中國科學(xué)技技術(shù)大學(xué)沖沖擊拉伸及及動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室研研制。該試試驗(yàn)系統(tǒng)包包括液壓驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、、試件夾持持與機(jī)械支支承裝置、、載荷與變變形測量系系統(tǒng)以及數(shù)數(shù)據(jù)處理系系統(tǒng)幾部分分。液壓驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采采用高壓大大流量定量量泵和高壓壓變量泵各各一臺作主主動(dòng)力源，，另采用一一臺低壓小小流量定量量泵作輔助助動(dòng)力源，，并提供各各液控閥的的控制油壓壓。當(dāng)主動(dòng)動(dòng)力源向液液壓缸供油油時(shí)，可使使活塞桿左左右勻速運(yùn)運(yùn)動(dòng)，從而而完成沖擊擊拉伸或沖沖擊壓縮加加載。采用用分級調(diào)速速的方法以以滿足不同同應(yīng)變率試試驗(yàn)的要求求。試