岩石动态力学特性测试技术概述

岩石动态力学特性测试技术洪亮土木工程学院2016 10 19 提纲1 岩石静力学与动力学的区分 2 岩石动力学研究的意义及岩石动态力学基本特性 3 岩石动态力学特性测试技术与设备概述 4 分离式霍普金森杆测试技术 5 国际岩石力学学会岩石动力学测试推荐方法简介 1 岩石静力学与动力学的区分 岩体力学分为岩体静力学和岩体动力学 静力学和动力学划分的依据为应变率 加载应变率的高低量级的含义至今没有一个统一的界定 综合上述观点 可以大致归纳为 应变率范围低于10 5s 1时为静态或蠕变 应变率范围介于10 5s 1 10 1s 1为准静态或低应变率 应变率范围介于10 1s 1 104s 1为动态 其中中等应变率为10 1s 1 102s 1 高应变率为102s 1 104s 1 应变率高于104s 1为超动态 2 岩石动力学研究的意义及岩石动态力学基本特性 1 我国岩石动力学研究发展历程 我国岩石动力学研究开始 20世纪60年代初 湖北大冶铁矿边坡稳定性研究中的爆破动力效应试验 较全面开展的岩石动力学研究 1965年由国家科委与国防科委同意成立防护工程组 并将 防护工程问题的研究 增列为10年规划中的国家重点项目 从1965 1980年15年的历程中 我国曾多次进行大规模的防护工程与国家安全工程现场试验 在爆炸现场主要测量岩体内位移 速度 加速度及压力等运动参数与力学参数 分析应力波在岩土中的传播与衰减规律 开展了岩体本构关系 应力波在毛洞周围绕射的动光弹与高速摄影研究 同时研制了一批压力 位移 速度和加速度等测量系统以及岩石动载机 霍布金森压杆等一系列试验设备 有限元法等数值模拟计算也取得了重要成果 我国防护工程的建设与研究 奠定了我国岩石动力学研究的基础 1977年 由国家计委组织 兵器工业部和国家贮备局牵头 全国20多个部委 兵种 大专院校与科研院所参加的地下炸药库安全问题的研究 七七工程 研究过程历时10多年 是我国首次进行的大比例现场化爆试验 最大规模做到1 1的500tTNT原型洞库炸药试验 在国际上也属罕见 与岩石动力学相关的研究课题有岩体中应力波传播与衰减规律 爆破漏斗与破坏分区 室内试验有岩石动态力学性质和岩石断裂机制以及相关的数值计算 我国岩石动力学学科发展走向新里程 1987年 中国岩石力学与工程学会岩石动力学专业委员会的成立 从1988年始 岩石动力学专委会每两年组织召开 全国岩石动力学学术会 2 岩石动力学研究内容 岩石动态力学性质与本构关系各种动荷载作用下所引起的地运动的预报以及对岩石结构建筑物破坏的预报 岩石中结构物的抗爆炸破坏能力的估计 以及这些结构物的合理设计等要求充分地掌握岩石和岩体的动态力学性质 本构关系 特别是在爆炸荷载作用下的本构关系 它是研究岩石爆破机制 应力波传播规律 防护工程设计以及地震工程 岩土基础工程等所必需的重要资料 对岩石动力特性 人们最感兴趣的是岩石材料对加载速率的响应 岩石动态力学性质的研究 除上面表述的外 在我国防护工程领域也做了大量岩石动力学研究和成果 涉及国防的研究成果不宜公开 应力波传播与衰减规律研究应力波在岩石介质中传播与衰减的规律 是期待爆炸波对地下工程及建筑物的破坏效应最小 在矿山破岩等实际工程中 要充分利用其爆炸能量以获得最佳爆破效果 在地震工程中 期望了解地震波对地面建筑物 构筑物的破坏效应 因此 研究应力波在岩土介质中传播与衰减规律 对国防建设和国民经济都具有重大意义 目前人们研究波在岩体中的衰减 主要是研究应力波 地震波 超声波的传播与衰减 从防护工程的角度 人们更关心冲击波传播对构筑物的影响 从地震工程的角度 人们更关心表面波的传播与衰减及与自由面的相互作用 这类成果目前少见 岩石的声学特征研究应用声学方法研究岩石物理力学特性 是声学与岩石动力学学科相互交叉的结果 岩石超声测试技术是通过测定声波穿透岩石 岩体 后声学参数 波速 波形 波频 波谱 的变化 间接了解岩石 岩体 的物理力学特性及结构特征 由于岩石 岩体 材料的复杂性 对于岩石声学特性与岩石应力状态的相关性 对于与应力状态相关联的加载和卸载过程 对于声波信号如何应用等等 仍需深入研究的课题 爆破效应与破岩机理研究岩体动力破坏的最小能量 岩体中爆炸与冲击真实变形与破坏过程 研究材料在不同特征能量尺度及其传输速度下统一的分阶段连贯的动力破坏过程和动力破坏准则 数值分析与数值计算我国开展动力有限元法的研究始于70年代初 应用背景是核爆与化爆的工程效应 近十多年来 数值计算 数值仿真得到空前发展 岩石动力学中波动问题研究 LS DYNA在岩石介质中爆破破坏过程的应力场 传播过程 岩石爆破漏斗的数值模拟 岩爆与冲击地压机理研究我国现阶段的岩石工程规模大 难度高 为世界所瞩目 无论是矿山工程 还是水电工程和交通工程 很多工程的开发进入了深部地下空间 不少工程都遇到了岩爆现象 特别是近年来发生了多起岩爆引起的重大事故 造成了人员伤亡和施工装备的严重破坏 岩爆机制及其预测预报预警的研究已经成为我国岩石力学界必须致力解决的关键科学问题和技术难题 由此也带来了 岩爆热 岩爆研究从第三届全国岩石动力学会议开始 就作为一个专题讨论 系统地从岩爆机制到工程防治进行了卓有成效的研究 研究大致可分为3大类 研究岩爆的现象 机理等理论和模型分析 岩爆的实验系统的研发和风险评估和工程中岩爆预测 预报方法及控制措施 岩石动力学在工程中的应用岩石动力学最重要的研究对象是爆破工程 防护工程及地震工程 随着国民经济建设的高度发展 岩土工程中的基础工程也需要岩石动力学的研究成果 爆破开挖振动监测应用性工作 利用爆破震动技术改善低渗油田特性提高油气采用率 在隧道开挖超前预报探测技术方面研究 地震灾区许多建筑物 构筑物的受损由强大的地震波引发 3 岩石动态力学特性测试技术与设备 电液伺服控制材料试验机把加荷频率提高到30Hz时 应变率可达到100数量级 但加载波形失真 分析原因主要是由于液压源的容量限制 作动器的响应无法跟上所致 如果更换大容量液压源 应变率则可以稳定达到此数量级 单轴中等应变速率加载试验机Perkin Green Friedman试验机通过压气驱动一重量较轻的可动活塞 实现对试样的快速加载 气体可以是空气 氦或者氮气 它们以等压进入活塞上 下方的两蓄气室 发射时 通过速启阀使上蓄气室里的气体经节流阀以超声速排出 这样 活塞就向上运动 快速压缩试样 加载速率由活塞运动速度所决定 而活塞的速度则与节流口尺寸的大小 气压和被测试试样类型有关 对任意试样 通过合适地选取气压和排气口大小 可以获得所需要的恒加载率 这种装置上限加载应变率可以达到10 20s 1 三轴动力试验机Logan Handin它由机架 加载活塞 阻尼器及速启阀等组成 速启阀控制活塞的快速加载 该阀通过5cm的孔与试验机加载柱的下室相连 并在管路上安装一通用节流板以控制气体的排泄速度 该阀阀内有一双向作用活塞 与一锥形杆相连 当低压空气作用于上室时 可双向运动的活塞紧紧压在锥形阀座上 阀门关闭 当电磁阀打开时 高压气体突然进入下室 推动活塞上行 阀座处的阀门打开 高压气体通过节流阀迅速排出 从而实现对试样的快速加载 在首次利用该设备对Westerly花岗岩和Solenhofen石灰岩进行三轴快速加载试验时 Westerly花岗岩的加载应变率为1s 1 Solenhofen石灰岩的轴向应变率为10s 1 Blanton 203 利用该装置对花岗闪长岩 砂岩和石灰岩等三种岩石进行了应变速率从10 2 10s 1的三轴动载试验 混合压缩试验机Leblanc和Lassila采用伺服液压控制试验机具有275MPa的负荷结构 驱动器的加载速率最大可达5m s 驱动能力为138MPa 两根直径为14mm的硬化钢杆相接成一根长为2 4m的透射杆 透射杆悬掉在八根可调的立柱结构上 杆支撑结构被螺固定在试验机的十字头上 该试验机驱动器需要25mm行程达到稳定速率 打击结束后亦需要25mm行程减速 所以在试验前需对驱动器和透射杆进行定位 保证试样在和杆接触之前被充分加速 在驱动器减速前变形完成 试验过程中 试样应力通过霍普金森杆中的弹性波分析计算 试样应变通过涡流传感器测量的驱动器位移与应变片测量的透射杆应变进行计算 Leblanc利用该装置成功地对退火钽 退火铜和固化环氧树脂试样进行了中等应变率的动载试验 改进MTS 810材料试验机Song Chen和Lu该试验机的创新在于两套特制的试样夹持系统 两套夹持系统均采用直径为19 05mm的钢杆作为试样的传力夹具 其外观与SHPB试验相同 传力杆通过定位架固定和导向 使其在压缩试验过程中保持高精度的定位 试验加载应变率的改变主要通过调节位移控制模式的液压驱动器运动速度来实现 试验过程中试样端部位移和应力历史分别用线性变化位移功能传感器和测压元件来测定 当驱动器速度较低时 试样的应变率不超过101s 1 常规系统具有足够的频响获得测试材料准确的应力 应变数据 当驱动器速度较快达到92mm s 对应的加载应变率为35s 1时 必须在试样两端放置较高频响的力传感器来记录应力历史和核对试验过程中试样的应力平衡过程 传感器量程为22kN 灵敏度为12 4pC N 由Kistler制造 传感器信号通过Kistler5010B型放大器由TektronixTDS3000记录 实现了对环氧泡沫材料在应变率为0 05 35s 1范围的动态加载试验 常规的MTS夹持系统 改进的MTS夹持系统 RDT 1000型高压动力三轴仪中科院武汉岩土所于80年代末研制 围压可达1000MPa 轴压可达4000MPa的 该试验系统由动载机 三轴室 控制台和测量系统等四部分组成 其核心部分为动载机 动载机包括机架和上下动力源 上下动力源分别提供动轴压和动围压 这种动力高压三轴试验机 轴向荷载为0 200t 轴向荷载的上升时间为 三轴围压室静围压为0 1000MPa 动围压每次在原有围压基础上可增加动围压 动围压的上升时间大于40ms 可对岩石试样进行轴向应变速率为10 5 101s 1范围的动力三轴试验 中应变率拉压试验机中国科学技术大学冲击拉伸及动态响应实验室研制 该试验系统包括液压驱动系统 试件夹持与机械支承装置 载荷与变形测量系统以及数据处理系统几部分 液压驱动系统采用高压大流量定量泵和高压变量泵各一台作主动力源 另采用一台低压小流量定量泵作辅助动力源 并提供各液控阀的控制油压 当主动力源向液压缸供油时 可使活塞杆左右匀速运动 从而完成冲击拉伸或冲击压缩加载 采用分级调速的方法以满足不同应变率试验的要求 试件受力采用精密拉压式力传感器测量 传感器的电阻变化经特制应变仪转换成电压信号 这种特制的高动态应变仪 可以克服普通的动态应变仪频响不够及超动态应变仪的低频截止的缺陷 试件变形测量采用特制的光学引伸仪 数据处理主要依据圣维南原理 将试件标距段视为单向应力状态 力传感器测得力 时间曲线 将力除以试件标距段截面积可得应力 时间曲线 光学引伸仪测得变形 时间曲线 将变形除以标距得应变 时间曲线 将应变对时间微分得应变率 时间曲线 由应力 时间曲线