岩石动态力学特性测试技术清楚明了

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①岩体力学分为岩体静力学和岩体动力学②静力学和动力学划分的依据为应变率③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.岩石动动态力力学特特性测测试技技术与与设备备电液伺伺服控控制材材料试试验机机把加荷荷频率率提高高到30Hz时时,应应变率率可达达到100数量量级,但加加载波波形失失真。。分析析原因因主要要是由由于液液压源源的容容量限限制,作动动器的的响应应无法法跟上上所致致,如如果更更换大大容量量液压压源,应变变率则则可以以稳定定达到到此数数量级级单轴中中等应应变速速率加加载试试验机机Perkin，，Green，，Friedman试验机机通过过压气气驱动动一重重量较较轻的的可动动活塞塞，实实现对对试样样的快快速加加载。。气体体可以以是空空气，，氦或或者氮氮气，，它们们以等等压进进入活活塞上上、下下方的的两蓄蓄气室室，发发射时时，通通过速速启阀阀使上上蓄气气室里里的气气体经经节流流阀以以超声声速排排出。。这样样，活活塞就就向上上运动动，快快速压压缩试试样。。加载载速率率由活活塞运运动速速度所所决定定，而而活塞塞的速速度则则与节节流口口尺寸寸的大大小、、气压压和被被测试试试样样类型型有关关。对对任意意试样样，通通过合合适地地选取取气压压和排排气口口大小小，可可以获获得所所需要要的恒恒加载载率。。这种种装置置上限限加载载应变变率可可以达达到10-20s-1三轴动动力试试验机机Logan，Handin它由机机架、、加载载活塞塞、阻阻尼器器及速速启阀阀等组组成。。速启启阀控控制活活塞的的快速速加载载。该该阀通通过5cm的孔孔与试试验机机加载载柱的的下室室相连连，并并在管管路上上安装装一通通用节节流板板以控控制气气体的的排泄泄速度度。该该阀阀阀内有有一双双向作作用活活塞，，与一一锥形形杆相相连，，当低低压空空气作作用于于上室室时，，可双双向运运动的的活塞塞紧紧紧压在在锥形形阀座座上，，阀门门关闭闭。当当电磁磁阀打打开时时，高高压气气体突突然进进入下下室，，推动动活塞塞上行行，阀阀座处处的阀阀门打打开，，高压压气体体通过过节流流阀迅迅速排排出，，从而而实现现对试试样的的快速速加载载。在在首次次利用用该设设备对对Westerly花岗岗岩和和Solenhofen石灰灰岩进进行三三轴快快速加加载试试验时时，Westerly花花岗岩岩的加加载应应变率率为1s-1，，Solenhofen石灰灰岩的的轴向向应变变率为为10s-1。。Blanton[203]利用用该装装置对对花岗岗闪长长岩、、砂岩岩和石石灰岩岩等三三种岩岩石进进行了了应变变速率率从10-2-10s-1的的三轴轴动载载试验验。混合压缩试试验机Leblanc和Lassila采用伺服液液压控制试试验机具有有275MPa的负荷结构构，驱动器器的加载速速率最大可可达5m/s，驱动能力力为138MPa。两根直径径为14mm的硬化钢杆杆相接成一一根长为2.4m的透射杆，，透射杆悬悬掉在八根根可调的立立柱结构上上，杆支撑撑结构被螺螺固定在试试验机的十十字头上。。该试验机机驱动器需需要25mm行程达到稳稳定速率，，打击结束束后亦需要要25mm行程减速，，所以在试试验前需对对驱动器和和透射杆进进行定位，，保证试样样在和杆接接触之前被被充分加速速，在驱动动器减速前前变形完成成。试验过过程中，试试样应力通通过霍普金金森杆中的的弹性波分分析计算，，试样应变变通过涡流流传感器测测量的驱动动器位移与与应变片测测量的透射射杆应变进进行计算。。Leblanc利用该装置置成功地对对退火钽，，退火铜和和固化环氧氧树脂试样样进行了中中等应变率率的动载试试验。改进MTS-810材料试验机机Song，Chen和Lu该试验机的的创新在于于两套特制制的试样夹夹持系统。。两套夹持持系统均采采用直径为为19.05mm的钢杆作为为试样的传传力夹具，，其外观与与SHPB试验相同。。传力杆通通过定位架架固定和导导向，使其其在压缩试试验过程中中保持高精精度的定位位。试验加加载应变率率的改变主主要通过调调节位移控控制模式的的液压驱动动器运动速速度来实现现。试验过过程中试样样端部位移移和应力历历史分别用用线性变化化位移功能能传感器和和测压元件件来测定。。当驱动器器速度较低低时，试样样的应变率率不超过101s-1，常规系统统具有足够够的频响获获得测试材材料准确的的应力-应变数据；；当驱动器器速度较快快达到92mm/s，对应的加加载应变率率为35s-1时，必须在在试样两端端放置较高高频响的力力传感器来来记录应力力历史和核核对试验过过程中试样样的应力平平衡过程。。传感器量量程为22kN，灵敏度为为12.4pC/N，由Kistler制造。传感感器信号通通过Kistler5010B型放大器由由TektronixTDS3000记录。实现了对环环氧泡沫材材料在应变变率为0.05-35s-1范围的动态态加载试验验常规的MTS夹持系统改进的MTS夹持系统RDT-1000型高压动力力三轴仪中科院武汉汉岩土所于于80年代末研制制，围压可可达1000MPa，轴压可达达4000MPa的。该试验验系统由动动载机、三三轴室、控控制台和测测量系统等等四部分组组成，其核核心部分为为动载机。。动载机包包括机架和和上下动力力源，上下下动力源分分别提供动动轴压和动动围压。这这种动力高高压三轴试试验机，轴轴向荷载为为0-200t，轴向荷载载的上升时时间为，三轴围压压室静围压压为0-1000MPa，动围压每每次在原有有围压基础础上可增加加动围压，，动围压的的上升时间间大于40ms。可对岩石石试样进行行轴向应变变速率为10-5-101s－1范围的动力力三轴试验验。中应变率拉拉压试验机机中国科学技技术大学冲冲击拉伸及及动态响应应实验室研研制。该试试验系统包包括液压驱驱动系统、、试件夹持持与机械支支承装置、、载荷与变变形测量系系统以及数数据处理系系统几部分分。液压驱驱动系统采采用高压大大流量定量量泵和高压压变量泵各各一台作主主动力源，，另采用一一台低压小小流量定量量泵作辅助助动力源，，并提供各各液控阀的的控制油压压。当主动动力源向液液压缸供油油时，可使使活塞杆左左右匀速运运动，从而而完成冲击击拉伸或冲冲击压缩加加载。采用用分级调速速的方法以以满足不同同应变率试试验的要求求。试