摆锤冲击加载下砂岩中应变率动力特性的试验研究_牛雷雷(岩石力学与工程学报-2014-12)

早在 1948 年就认为，由于冲头和入射杆撞
击产生的入射波在入射杆中传播时包含有很多频率 和波长的能量，随着扰动沿着入射杆向前传播，各 个分量的相位会产生变化，最终导致波形的弥散。 为了减弱这种波形的弥散效应就需要调整冲击产生 的应力波，赵习金等[20]采用黄铜和硅橡胶组合整形 器获得了具有较长时间上升沿的入射波形，并通过 调整加载速度获得了常应变率加载，同时获取了加 载应变率与整形器直径之间，以及加载应变率与试 样厚度之间的定量关系。B. Song 和 W. Chen[21]利用 波形整形器技术获得了具有恒应变率加载特性的加 载段和卸载段。R. Naghdabadi 等[22]利用试验和数 值模拟相结合的方法，提出了在 SHPB 试验中设计 合适的波形整形器的一般准则。H. Ramirez 和 C. Rubio-Gonzalez[23]基于有限元分析认为，入射波上 升沿时间长有利于减弱波形震荡的影响，研究了波 形整形器的材料和尺寸对入射波形的影响。除此之 外，不同大小和材质的波形整形器还在弹塑性材料
，
帅 1，于
淼1
(1. 东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2. 东北大学 岩石破裂与失稳研究中心，辽宁 沈阳 110819)
摘要：利用摆锤冲击加载 SHPB 试验装置，通过改变摆锤锤头的形状和控制锤头的冲击速度，以获得较为理想的 加载波形，进行岩石动态压缩试验和动态巴西盘试验，测试砂岩试样的动态抗压强度和抗拉强度，并分析砂岩试 样的抗压和抗拉强度随摆锤锤头冲击速度的变化规律。动态抗压强度试验过程中岩样破裂时的应变率为 100～ 102/s ，这是人们通常认为的中应变率范围，动态巴西盘试验时试样中心拉应力所对应的加载速率为 100 ～ 400 GPa/s。测得砂岩试样的动态抗压和抗拉强度都随着摆锤冲击速度的增大而增大，表现出一定的应变率相关性。巴 西盘试样最终沿着加载直径方向破坏成两半，但是试样和入射杆、透射杆接触面处的“V”字型破坏区随着冲击 速度的增大而趋于明显。摆锤冲击加载的优势在于能够直接获得岩石分离式霍普金森压杆(SHPB)试验所需的理想 的入射波形，该装置为测试中应变率条件下岩石的强度和破裂过程提供了一种试验手段。 关键词：岩石力学；中应变率；分离式霍普金森压杆试验；摆锤冲击加载；动态巴西盘试验 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2014)12–2443–08
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岩石力学与工程学报
2014 年
the dynamic Brazilian test the sandstone samples were finally separated into two halves along the loading diameter. The V-shaped failure zone at the contact area between the incident and transmitted bars and the rock specimen becomes larger with the increasing impact velocity. The advantage of the pendulum hammer driven SHPB apparatus is that the ideal incident stress waveform can be excited by the pendulum hammer，and it can supply a feasible experimental method to measure the dynamic strength and failure process of the rock under the intermediate strain rate. Key words：rock mechanics；intermediate strain rate；SHPB test；impacted by pendulum hammer；dynamic Brazilian test 过渡区。所以，研究岩石材料力学性能在中应变率
，6-10]
近年来随着岩土工程、隧道工程、矿山工程等 的蓬勃发展和世界各地频发的地震活动，岩石动力 学在工程和科研领域中所起的作用愈来愈重要。岩 石的破坏都是在一定的加载速率 ( 应力率或者应变 率)下完成的，例如较低加载速率下岩石的流变破坏 和准静态破坏，较高加载速率下岩石的冲击、振动 和爆破破坏等。岩石材料的动态强度与加载速率密切 相关，因此研究岩石在不同加载速率下的破坏和强 度是岩石动力学的基本内容。在岩石爆破过程中爆 破载荷的应变率处于 10 4～103/s 范围，因此，研究
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。 张学峰和夏源明[11]采用
液压驱动、分级调速、缓冲撞击等技术产生上升沿 陡峭的平稳加载脉冲，实现了中应变率加载，并研 制出应变率范围为 0.1～50/s 的中应变率材料试验 机。李夕兵等[12-13]在 Instron1342 型电液伺服材料 试验机上进行了中应变率(1.38×10 4～0.532×10 1/s)
EXPERIMENTAL STUDY OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF SANDSTONE UNDER INTERMEDIATE STRAIN RATE BY USING PENDULUM HAMMER DRIVEN“SHPB”APPARATUS
NIU Leilei1 2，ZHU Wancheng1，LI Shaohua1，LI Shuai1，YU Miao1
/s 应变率
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图 1 动态问题和试验方法分类[3-4] Fig.1 Classification of dynamic problems and testing methods[3-4]
动态强度/静态强度
第 33 卷
第 12 期
牛雷雷等：摆锤冲击加载下砂岩中应变率动力特性的试验研究
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百度文库
(1. Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Northeastern University，Shenyang，Liaoning 110819， China；2. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning 110819，China)
第 33 卷 第 12 期 2014 年 12 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.33 No.12 Dec.，2014
摆锤冲击加载下砂岩中应变率动力 特性的试验研究
牛雷雷 1 2，朱万成 1，李少华 1，李
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毅等[14]对有机玻璃(PMMA)进行了中应变率(应变率 为 18.6， 2.81， 6.54×10 1 和 2.92×10 1/s)下的单向拉伸
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力学性能实验。王 斌等 [15] 采用 75 mm 杆径的 SHPB 试验装置进行了饱水砂岩动态试验，应变率 处于 10～102/s 范围。此外，摆锤作为一种动态加 载试验装置经常被用于测试金属材料的抗冲击性 能[16-17]，还被 J. C. Li 和 G. W. Ma[18]用于研究节理岩 体中充填物的动态应力–应变关系。
Abstract：By using the pendulum hammer driven SHPB apparatus，the ideal incident waveform is generated by changing the shape and by controlling the impact velocity of the pendulum hammer. The compressive test and Brazilian test of sandstone specimens were conducted using the pendulum hammer driven split Hopkinson pressure bar(SHPB) apparatus，and the variation of dynamic compressive strength and dynamic tensile strength under different impact velocity of the pendulum hammer is examined. The strain rate ranging from 100/s to 102/s， which is generally considered as intermediate strain rate，is measured during the dynamic compression test，and the loading rate corresponding to the tensile stress at center of rock disc，ranging from 100 GPa/s to 400 GPa/s， are generated during the dynamic Brazilian test. The dynamic compressive strength and dynamic tensile strength of the sandstone samples increase with the impact velocity，showing an obvious strain-rate dependency. During
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下的钢纤维混凝土受拉全过程试验和中应变率(1.2× 10 3～11.7/s)下的岩石的动静组合加载试验。吴衡
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岩石遭受爆破载荷作用后的力学特性需要研究该应 变率范围内岩石的动态特性[1-2]。 如图 1[3-4]所示， 不 同的加载应变率可以由相应的加载试验装置获得， 并且岩石材料强度的动态增长因子(DIF，即动态强 度与静态强度的比值)随应变率的增大而增大， 表现 出明显的应变率效应。在低应变率区(＜10 /s)，岩 石材料对应变率不敏感，在高应变率区(＞102/s)， 岩石材料对应变率很敏感，中应变率区(10 ～10 /s) 则是岩石材料性能由应变率不敏感到应变率敏感的
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引
言
区的应变率相关性是十分必要的，且对于工程应用 有重要的价值。 J. Zhao 和 H. B. Li[5]设计的液压伺服试验机的 加载应变率可以达到 1/s，分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar，SHPB)试验装置可获得的应 变率处于 101～104/s[3
在 SHPB 试验中，为了使得试样处于常应变率 状态和减轻弥散效应，人们采用了波形整形器技术 和异形冲头技术，以获得理想的入射波形。R. M. Davies
[19]
综上所述，研究岩石材料力学性能在中应变率 区的应变率相关性是十分必要的。在不使用波形整 形器技术的前提下，本文通过设计不同形状的摆锤 锤头来撞击入射杆，以获得 SHPB 试验所需要的理 想入射波波形，用 SHPB 装置测试砂岩试样在中应 变率(100～102/s)下的动态抗压强度，同时进行动态 巴西盘强度，并分析中应变率条件下岩石动态强度 的率相关性。
收稿日期：2013–10–28；修回日期：2014–03–18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51222401，51374049)；中国–南非联合研究计划项目(2012DFG71060) 作者简介：牛雷雷(1987 )，男，2010 年毕业于东北大学大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石动力学方面的研究工作。 E-mail ： niuleilei06@126.com。 通讯作者：朱万成(1974 )，男，博士，现任教授、博士生导师。E-mail ： zhuwancheng@mail.neu.edu.cn DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2014.12.009