冬瓜山铜矿深部硬岩SHPB动态巴西劈裂试验_刘涛
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岩石 试 样 取 自 安 徽 冬 瓜 山 铜 矿，本 次 试 验 采 集 的蛇纹岩大概埋 藏 深 度 为 ９００ ｍ，将 采 集 的 矽 卡 岩 运至地表包装，并严 格 按 照 岩 石 力 学 动 力 试 验 的 要 求进行加工，试 样 的 直 径 为 ５０ ｍｍ，与 入 射 杆 直 径 保 持 一 致 ，长 径 比 为 ０．５，可 最 大 限 度 减 小 端 部 效 应 ， 试样端部的不平整度和不垂直度小于０．０２ｍｍ。 ２．３ 试 验 方 案
构 方 程 可 取 相 同 的 形 式 ，并 且 通 过 研 究 发 现 ，岩 石 在
动 态 冲 击 下 ，其 破 坏 方 式 与 静 态 巴 西 劈 裂 试 验 一 致 ，
因此，可假设岩石在 动 态 劈 裂 状 态 下 其 本 构 关 系 方
程为：
Ｐ１（ｔ）＝ ＡＥ（εｉ（ｔ）＋εｒ（ｔ））
（３）
Ｐ２（ｔ）＝ Ａεｔ（ｔ）
（４）
式中：Ｅ 表示入射杆与透射杆的弹性模量；Ａ 为
压杆横截面面积。
假设岩石试样在破坏时其两端已经达到应力平
衡，即 Ｐ１（ｔ）＝ Ｐ２（ｔ），那么试样的动态抗拉强度 可
表示为：
σｔ
＝
Ｐ１ ＋Ｐ２ πｄｔ
＝
ＥＤ２ ２ｄｔ
（εｉ（ｔ）＋εｒ（ｔ））＝Ｅ２拉强度一般为其抗压强度的１／６～１／１０。 在土木、岩土、采矿 等 大 量 的 现 场 监 测 分 析 中 发 现， 岩石的破坏通常为 拉 伸 破 坏，并 且 通 常 是 在 机 械 振 动、凿岩爆破、开挖 等 动 力 扰 动 作 用 下 发 生 破 坏，或 是破坏加剧［１］，可见，这种破坏与岩石在静力作 用 下 的拉伸破坏不同。 传 统 的 测 试 岩 石 抗 拉 强 度，很 容 易想到巴西劈裂试 验，巴 西 劈 裂 试 验 是 间 接 测 试 抗 拉强度的一 种 方 法，这 种 方 法 基 于 Ｇｒｉｆｆｉｔｈ 破 坏 强
ＬＩＵ Ｔａｏ１，ＴＡＮＧ Ｌｉｚｈｏｎｇ２，ＧＵＯ Ｓｈｅｎｇｍａｏ１，ＨＡＯ Ｘｉａｎｆｕ１，ＤＡＮＧ Ｊｉｅ１
（１．Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｂａｉｙｉｎ Ｇａｎｓｕ ７３０９００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＳＨＰＢ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ，ｔｈｅ ｓｋａｒｎ ｔｈａｔ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｉｎ Ｄｏｎｇｇｕａｓｈａｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｍｉｎｅ ａｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ ｄｙｎａｍｉｃ Ｂｒａｚｉｌｉａｎ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｕｎｄｅｒ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ｈａｄ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｆｌａｃ３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ－ ｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｌｅａｖａｇｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｃｋ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｓｈｏｗ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ，ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｔｒａｉｎ ａｌｓｏ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈ ａｌｓｏ ｃａｎ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｅｅｐ ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＨＰＢ；ｄｙｎａｍｉｃ ｓｐｌｉｔ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ
１９１４年，Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ首次提 出 了 基 于 测 试 瞬 时 脉冲应力压杆技术。１９４９ 年，Ｋｏｌｓｋｙ［３］在 其 基 础 上 进行了改进，设 计 了 分 离 式 Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ（霍 普 金 森 ） 压杆。改进后的分离式霍普金森杆可以非常方便地 实现对岩石材料进 行 中 高 应 变 率 下 加 载，使 得 岩 石 在中高应 变 率 加 载 下 的 动 态 力 学 性 能 研 究 成 为 可 能［４－７］。随后，在此基础 上，很 多 学 者 对 利 用 ＳＨＰＢ
第 ６６ 卷 第 ２ 期 有 色 金 属 （矿 山 部 分 ） ２０１４ 年 ３ 月
欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞
试验方案试验设备本次试验是试验系统上完成的该系统在传统的shpb试验装置上进行了质其泊松比为028弹性模量入射杆与透射杆直径为50mmfastcamsa11高速数字摄像机高速摄影装置与示波器同步控制试样取样和加工岩石试样取自安徽冬瓜山铜矿本次试验采集的蛇纹岩大概埋藏深度运至地表包装并严格按照岩石力学动力试验的要求进行加工试50mm最大限度减小端部效应试样端部的不平整度和不垂直度小于002mmshpb动态巴西圆盘劈裂原理图fig1principlediagramofshpbdynamicbraziliandiscsplittingshpb动态巴西劈裂试验原理shpb动态巴西劈裂试验的原理图图中所示端面11和22的速度为11试验方案本次试验通过粘贴在试样中心的应变片来计算拉伸应变率由于冲击波的加载速率和应变率成正比关系而冲击波加载波速与冲击气压成正比关系因此本次试验通过改变冲击气压的大小实现不同应变率下的动态劈裂
关 键 词 ：ＳＨＰＢ；动 态 劈 裂 ；强 度 ；应 变 率 中图分类号：ＴＤ３１５ 文献标志码：Α 文章编号：１６７１－４１７２（２０１４）０２－００５４－０４
ＳＨＰＢ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｐｌｉｔ Ｂｒａｚｉｌｉａｎ ｔｅｓｔ ｏｎ ｄｅｅｐ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ ｉｎ Ｄｏｎｇｇｕａｓｈａｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｍｉｎｅ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４１７２．２０１４．０２．０１３
冬瓜山铜矿深部硬岩 ＳＨＰＢ 动态巴西劈裂试验
刘 涛１，２，唐礼忠２，郭生茂１，郝显福１，党 洁１
（１．西北矿冶研究院，甘肃 白银７３０９００；２．中南大学 资源与安全工程学院，长沙４１００８３）
摘 要：利用中南大学 ＳＨＰＢ 试验系统，结合高速摄影技术，对冬瓜山铜矿深部采集的 矽 卡 岩 进 行 了 动 态 巴 西 劈裂试验，分析并验证了影响试验结果的因素。运用 Ｆｌａｃ３Ｄ数值模拟软件分析了动载荷下试样内部的应力分布，验 证了试验的有效性。试验研究了矽卡岩在动态劈裂下的应变率和破坏强度、破 坏 应 变 之 间 的 相 互 影 响 规 律 。 试 验 结果表明，应变率对试样抗拉强度的影响较为显著，岩石试样的劈裂强度体现出 一 定 的 率 相 关 性 ，动 态 抗 拉 强 度 随 着应变率的增加而增大。结合高速摄影分析了试样内部裂隙萌生、发展规律，随 着 应 变 率 的 增 加，试 样 的 破 坏 应 变 也随之增加。试验结果对预测和防治深部岩体工程灾害和解释深部岩石力学基本特征提供参考依据。
图１ ＳＨＰＢ 动态巴西圆盘劈裂原理图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＳＨＰＢ ｄｙｎａｍｉｃ
Ｂｒａｚｉｌｉａｎ ｄｉｓｃ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ
１ ＳＨＰＢ 动态巴西劈裂试验原理
图１为 ＳＨＰＢ 动态巴 西 劈 裂 试 验 的 原 理 图，如
图中所示，端面１－１和２－２的速度为 ： ［１１］
从理论上进行推导 求 出 其 本 构 方 程，岩 石 动 态 荷 载
作用下的应力分布 方 程 还 未 完 全 求 出，一 些 学 者 通
过研究发现，岩石在 动 荷 载 作 用 下 的 应 力 分 布 与 静
荷载下的应力分布 相 似，可 假 设 岩 石 在 动 态 劈 裂 破
坏时其内部的应力 分 布 与 静 态 巴 西 劈 裂 一 致，其 本
第２期 刘 涛等：冬瓜山铜矿深部硬岩 ＳＨＰＢ 动态巴西劈裂试验
５５
动静组合加载技术测试岩石动态性能的试验技术进 行了研究。 朱 万 成 等 ［８］ 运 用 ＲＦＰＡ 程 序 研 究 了 试 样在动荷载下的劈裂过程。李伟 等 ［９］ 分析了动 态 巴 西 劈 裂 下 应 变 率 和 破 坏 时 间 、破 坏 模 式 之 间 的 规 律 ， 对大理岩在高应变率下的弹性模量和强度之间的变 化规律进 行 了 初 步 研 究。 王 启 智 等 ［１０］ 利 用 平 台 巴 西圆盘试件开展动 态 巴 西 劈 裂 试 验，其 试 验 结 果 表 明这种试验方法对改善两端的应力集中有一定的好 处。以上研 究 表 明 ＳＨＰＢ 试 验 装 置 在 岩 石 动 态 性 能测试中的实用性 和 先 进 性，初 步 揭 示 了 岩 石 在 动 荷载作用 下 的 破 坏 变 形 机 理。 本 文 运 用 ＳＨＰＢ 试 验装置并结合高速摄影技术对现场采集的蛇纹岩进 行了动态劈裂试验，对 岩 石 在 动 力 作 用 下 的 抗 拉 强 度和应变率之间的 相 互 作 用 关 系 做 了 初 步 研 究，并 运用高速摄影分析了试样裂纹扩展规律和试样破坏 模式，希望能为深部 岩 石 在 动 力 扰 动 作 用 下 的 力 学 响应和破坏机制的研究提出一些有益的结论。
本次试验通过粘贴在试样中心的应变片来计算 拉伸应变率，由于冲 击 波 的 加 载 速 率 和 应 变 率 成 正 比 关 系 ，而 冲 击 波 加 载 波 速 与 冲 击 气 压 成 正 比 关 系 ， 因此，本次试验通过 改 变 冲 击 气 压 的 大 小 实 现 不 同 应变率下的动态 劈 裂。 冲 击 气 压 分 别 为 ０．４ ＭＰａ、 ０．５ ＭＰａ、０．６ ＭＰａ、０．７ ＭＰａ、０．８ ＭＰａ，每 组 试 验 重复 ２ 次，共 １０ 个 试 样，高 速 摄 影 ２ 块 试 样，总 共 １２ 块 试 样 。
式中：Ｄ 为压杆直径；ｄ 为试样直径。
２ 试验方案
２．１ 试 验 设 备 本次试验 是 在 中 南 大 学 ＳＨＰＢ 动 静 组 合 加 载
试验系统上完成 的，该 系 统 在 传 统 的 ＳＨＰＢ 试 验 装 置上进行了 改 进，入 射 杆 与 透 射 杆 为 ４０Ｃｒ合 金 材 质，其泊松比为０．２８，弹性模量 Ｅ 为２５０ＧＰａ，纵 波 波速为５ ４４７ｍ／ｓ，入射杆与透射杆直径 为 ５０ ｍｍ。 高速 摄 影 设 备 为 Ｐｈｏｔｒｏｎ 公 司 ＦＡＳＴＣＡＭＳＡ１．１ 高 速 数 字 摄 像 机 ，高 速 摄 影 装 置 与 示 波 器 同 步 控 制 。 ２．２ 试 样 取 样 和 加 工
基金 项 目：国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （９７３ 计 划 ）项 目 （２０１０ＣＢ７３２００４） 作者简介：刘 涛（１９８６－），男，助 理 工 程 师，硕 士，采 矿 工 程 专 业，主 要从事采矿与岩石力学设计研究工作。
度 准 则 ，认 为 岩 石 试 样 在 受 到 外 力 作 用 时 ，其 中 心 部 分 最 先 满 足 破 坏 强 度 准 则 ，裂 纹 从 试 样 中 心 起 裂 ，然 后向两 边 扩 展，最 终 导 致 岩 石 试 样 劈 裂 成 两 半 。 ［２］ 这 种 测 试 岩 石 试 样 抗 拉 强 度 的 方 法 简 便 、快 速 ，普 遍 被使用，已成为国际 上 测 试 岩 石 抗 拉 强 度 的 通 用 方 法。
Ｖ１（ｔ）＝ Ｃ０（εｉ（ｔ）－εｒ（ｔ））
（１）
Ｖ２（ｔ）＝ Ｃ０εｔ（ｔ）
（２）
式中：Ｃ０ 为入 射 杆 与 透 射 杆 的 纵 波 波 速；εｉ 为
入射杆上的应变片测到的信号；εｒ 为 反 射 信 号；εｔ 为
透射杆上应变片测到的信号。
岩石 在 动 力 作 用 下 的 破 坏 机 理 十 分 复 杂，很 难
构 方 程 可 取 相 同 的 形 式 ，并 且 通 过 研 究 发 现 ，岩 石 在
动 态 冲 击 下 ，其 破 坏 方 式 与 静 态 巴 西 劈 裂 试 验 一 致 ，
因此，可假设岩石在 动 态 劈 裂 状 态 下 其 本 构 关 系 方
程为：
Ｐ１（ｔ）＝ ＡＥ（εｉ（ｔ）＋εｒ（ｔ））
（３）
Ｐ２（ｔ）＝ Ａεｔ（ｔ）
（４）
式中：Ｅ 表示入射杆与透射杆的弹性模量；Ａ 为
压杆横截面面积。
假设岩石试样在破坏时其两端已经达到应力平
衡，即 Ｐ１（ｔ）＝ Ｐ２（ｔ），那么试样的动态抗拉强度 可
表示为：
σｔ
＝
Ｐ１ ＋Ｐ２ πｄｔ
＝
ＥＤ２ ２ｄｔ
（εｉ（ｔ）＋εｒ（ｔ））＝Ｅ２拉强度一般为其抗压强度的１／６～１／１０。 在土木、岩土、采矿 等 大 量 的 现 场 监 测 分 析 中 发 现， 岩石的破坏通常为 拉 伸 破 坏，并 且 通 常 是 在 机 械 振 动、凿岩爆破、开挖 等 动 力 扰 动 作 用 下 发 生 破 坏，或 是破坏加剧［１］，可见，这种破坏与岩石在静力作 用 下 的拉伸破坏不同。 传 统 的 测 试 岩 石 抗 拉 强 度，很 容 易想到巴西劈裂试 验，巴 西 劈 裂 试 验 是 间 接 测 试 抗 拉强度的一 种 方 法，这 种 方 法 基 于 Ｇｒｉｆｆｉｔｈ 破 坏 强
ＬＩＵ Ｔａｏ１，ＴＡＮＧ Ｌｉｚｈｏｎｇ２，ＧＵＯ Ｓｈｅｎｇｍａｏ１，ＨＡＯ Ｘｉａｎｆｕ１，ＤＡＮＧ Ｊｉｅ１
（１．Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｂａｉｙｉｎ Ｇａｎｓｕ ７３０９００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＳＨＰＢ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ，ｔｈｅ ｓｋａｒｎ ｔｈａｔ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｉｎ Ｄｏｎｇｇｕａｓｈａｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｍｉｎｅ ａｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ ｄｙｎａｍｉｃ Ｂｒａｚｉｌｉａｎ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｕｎｄｅｒ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ｈａｄ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｆｌａｃ３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ－ ｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｌｅａｖａｇｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｃｋ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｓｈｏｗ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ，ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｔｒａｉｎ ａｌｓｏ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈ ａｌｓｏ ｃａｎ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｅｅｐ ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＨＰＢ；ｄｙｎａｍｉｃ ｓｐｌｉｔ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ
１９１４年，Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ首次提 出 了 基 于 测 试 瞬 时 脉冲应力压杆技术。１９４９ 年，Ｋｏｌｓｋｙ［３］在 其 基 础 上 进行了改进，设 计 了 分 离 式 Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ（霍 普 金 森 ） 压杆。改进后的分离式霍普金森杆可以非常方便地 实现对岩石材料进 行 中 高 应 变 率 下 加 载，使 得 岩 石 在中高应 变 率 加 载 下 的 动 态 力 学 性 能 研 究 成 为 可 能［４－７］。随后，在此基础 上，很 多 学 者 对 利 用 ＳＨＰＢ
第 ６６ 卷 第 ２ 期 有 色 金 属 （矿 山 部 分 ） ２０１４ 年 ３ 月
欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞
试验方案试验设备本次试验是试验系统上完成的该系统在传统的shpb试验装置上进行了质其泊松比为028弹性模量入射杆与透射杆直径为50mmfastcamsa11高速数字摄像机高速摄影装置与示波器同步控制试样取样和加工岩石试样取自安徽冬瓜山铜矿本次试验采集的蛇纹岩大概埋藏深度运至地表包装并严格按照岩石力学动力试验的要求进行加工试50mm最大限度减小端部效应试样端部的不平整度和不垂直度小于002mmshpb动态巴西圆盘劈裂原理图fig1principlediagramofshpbdynamicbraziliandiscsplittingshpb动态巴西劈裂试验原理shpb动态巴西劈裂试验的原理图图中所示端面11和22的速度为11试验方案本次试验通过粘贴在试样中心的应变片来计算拉伸应变率由于冲击波的加载速率和应变率成正比关系而冲击波加载波速与冲击气压成正比关系因此本次试验通过改变冲击气压的大小实现不同应变率下的动态劈裂
关 键 词 ：ＳＨＰＢ；动 态 劈 裂 ；强 度 ；应 变 率 中图分类号：ＴＤ３１５ 文献标志码：Α 文章编号：１６７１－４１７２（２０１４）０２－００５４－０４
ＳＨＰＢ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｐｌｉｔ Ｂｒａｚｉｌｉａｎ ｔｅｓｔ ｏｎ ｄｅｅｐ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ ｉｎ Ｄｏｎｇｇｕａｓｈａｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｍｉｎｅ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４１７２．２０１４．０２．０１３
冬瓜山铜矿深部硬岩 ＳＨＰＢ 动态巴西劈裂试验
刘 涛１，２，唐礼忠２，郭生茂１，郝显福１，党 洁１
（１．西北矿冶研究院，甘肃 白银７３０９００；２．中南大学 资源与安全工程学院，长沙４１００８３）
摘 要：利用中南大学 ＳＨＰＢ 试验系统，结合高速摄影技术，对冬瓜山铜矿深部采集的 矽 卡 岩 进 行 了 动 态 巴 西 劈裂试验，分析并验证了影响试验结果的因素。运用 Ｆｌａｃ３Ｄ数值模拟软件分析了动载荷下试样内部的应力分布，验 证了试验的有效性。试验研究了矽卡岩在动态劈裂下的应变率和破坏强度、破 坏 应 变 之 间 的 相 互 影 响 规 律 。 试 验 结果表明，应变率对试样抗拉强度的影响较为显著，岩石试样的劈裂强度体现出 一 定 的 率 相 关 性 ，动 态 抗 拉 强 度 随 着应变率的增加而增大。结合高速摄影分析了试样内部裂隙萌生、发展规律，随 着 应 变 率 的 增 加，试 样 的 破 坏 应 变 也随之增加。试验结果对预测和防治深部岩体工程灾害和解释深部岩石力学基本特征提供参考依据。
图１ ＳＨＰＢ 动态巴西圆盘劈裂原理图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＳＨＰＢ ｄｙｎａｍｉｃ
Ｂｒａｚｉｌｉａｎ ｄｉｓｃ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ
１ ＳＨＰＢ 动态巴西劈裂试验原理
图１为 ＳＨＰＢ 动态巴 西 劈 裂 试 验 的 原 理 图，如
图中所示，端面１－１和２－２的速度为 ： ［１１］
从理论上进行推导 求 出 其 本 构 方 程，岩 石 动 态 荷 载
作用下的应力分布 方 程 还 未 完 全 求 出，一 些 学 者 通
过研究发现，岩石在 动 荷 载 作 用 下 的 应 力 分 布 与 静
荷载下的应力分布 相 似，可 假 设 岩 石 在 动 态 劈 裂 破
坏时其内部的应力 分 布 与 静 态 巴 西 劈 裂 一 致，其 本
第２期 刘 涛等：冬瓜山铜矿深部硬岩 ＳＨＰＢ 动态巴西劈裂试验
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动静组合加载技术测试岩石动态性能的试验技术进 行了研究。 朱 万 成 等 ［８］ 运 用 ＲＦＰＡ 程 序 研 究 了 试 样在动荷载下的劈裂过程。李伟 等 ［９］ 分析了动 态 巴 西 劈 裂 下 应 变 率 和 破 坏 时 间 、破 坏 模 式 之 间 的 规 律 ， 对大理岩在高应变率下的弹性模量和强度之间的变 化规律进 行 了 初 步 研 究。 王 启 智 等 ［１０］ 利 用 平 台 巴 西圆盘试件开展动 态 巴 西 劈 裂 试 验，其 试 验 结 果 表 明这种试验方法对改善两端的应力集中有一定的好 处。以上研 究 表 明 ＳＨＰＢ 试 验 装 置 在 岩 石 动 态 性 能测试中的实用性 和 先 进 性，初 步 揭 示 了 岩 石 在 动 荷载作用 下 的 破 坏 变 形 机 理。 本 文 运 用 ＳＨＰＢ 试 验装置并结合高速摄影技术对现场采集的蛇纹岩进 行了动态劈裂试验，对 岩 石 在 动 力 作 用 下 的 抗 拉 强 度和应变率之间的 相 互 作 用 关 系 做 了 初 步 研 究，并 运用高速摄影分析了试样裂纹扩展规律和试样破坏 模式，希望能为深部 岩 石 在 动 力 扰 动 作 用 下 的 力 学 响应和破坏机制的研究提出一些有益的结论。
本次试验通过粘贴在试样中心的应变片来计算 拉伸应变率，由于冲 击 波 的 加 载 速 率 和 应 变 率 成 正 比 关 系 ，而 冲 击 波 加 载 波 速 与 冲 击 气 压 成 正 比 关 系 ， 因此，本次试验通过 改 变 冲 击 气 压 的 大 小 实 现 不 同 应变率下的动态 劈 裂。 冲 击 气 压 分 别 为 ０．４ ＭＰａ、 ０．５ ＭＰａ、０．６ ＭＰａ、０．７ ＭＰａ、０．８ ＭＰａ，每 组 试 验 重复 ２ 次，共 １０ 个 试 样，高 速 摄 影 ２ 块 试 样，总 共 １２ 块 试 样 。
式中：Ｄ 为压杆直径；ｄ 为试样直径。
２ 试验方案
２．１ 试 验 设 备 本次试验 是 在 中 南 大 学 ＳＨＰＢ 动 静 组 合 加 载
试验系统上完成 的，该 系 统 在 传 统 的 ＳＨＰＢ 试 验 装 置上进行了 改 进，入 射 杆 与 透 射 杆 为 ４０Ｃｒ合 金 材 质，其泊松比为０．２８，弹性模量 Ｅ 为２５０ＧＰａ，纵 波 波速为５ ４４７ｍ／ｓ，入射杆与透射杆直径 为 ５０ ｍｍ。 高速 摄 影 设 备 为 Ｐｈｏｔｒｏｎ 公 司 ＦＡＳＴＣＡＭＳＡ１．１ 高 速 数 字 摄 像 机 ，高 速 摄 影 装 置 与 示 波 器 同 步 控 制 。 ２．２ 试 样 取 样 和 加 工
基金 项 目：国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （９７３ 计 划 ）项 目 （２０１０ＣＢ７３２００４） 作者简介：刘 涛（１９８６－），男，助 理 工 程 师，硕 士，采 矿 工 程 专 业，主 要从事采矿与岩石力学设计研究工作。
度 准 则 ，认 为 岩 石 试 样 在 受 到 外 力 作 用 时 ，其 中 心 部 分 最 先 满 足 破 坏 强 度 准 则 ，裂 纹 从 试 样 中 心 起 裂 ，然 后向两 边 扩 展，最 终 导 致 岩 石 试 样 劈 裂 成 两 半 。 ［２］ 这 种 测 试 岩 石 试 样 抗 拉 强 度 的 方 法 简 便 、快 速 ，普 遍 被使用，已成为国际 上 测 试 岩 石 抗 拉 强 度 的 通 用 方 法。
Ｖ１（ｔ）＝ Ｃ０（εｉ（ｔ）－εｒ（ｔ））
（１）
Ｖ２（ｔ）＝ Ｃ０εｔ（ｔ）
（２）
式中：Ｃ０ 为入 射 杆 与 透 射 杆 的 纵 波 波 速；εｉ 为
入射杆上的应变片测到的信号；εｒ 为 反 射 信 号；εｔ 为
透射杆上应变片测到的信号。
岩石 在 动 力 作 用 下 的 破 坏 机 理 十 分 复 杂，很 难