巖石動態(tài)力學(xué)特性測試技術(shù)（清楚明了）

巖石動動態(tài)力力學(xué)特特性測測試技技術(shù)洪洪亮土木工工程學(xué)學(xué)院2016.10.19提綱綱1.巖巖石靜靜力學(xué)學(xué)與動動力學(xué)學(xué)的區(qū)2.巖石動力學(xué)研究的意義及巖石動態(tài)力學(xué)基本特性；3.巖石動態(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)會巖石動力學(xué)測試推薦方法簡介1.巖巖石靜靜力學(xué)學(xué)與動動力學(xué)學(xué)的區(qū)區(qū)分①巖體體力學(xué)學(xué)分為為巖體體靜力力學(xué)和和巖體體動力力學(xué)②靜力力學(xué)和和動力力學(xué)劃劃分的的依據(jù)據(jù)為應(yīng)應(yīng)變率率③加載載應(yīng)變變率的的高低低量級級的含含義至至今沒沒有一一個統(tǒng)統(tǒng)一的的界定定綜合上上述觀觀點，，可以以大致致歸納納為：：應(yīng)變率率范圍圍低于于10-5s-1時為靜靜態(tài)或或蠕變變；應(yīng)變率率范圍圍介于于10-5s-1-10-1s-1為準靜靜態(tài)或或低應(yīng)應(yīng)變率率；應(yīng)變率率范圍圍介于于10-1s-1-104s-1為動態(tài)態(tài)，其應(yīng)變率高于104s-1為超動態(tài)。2.巖石動動力學(xué)學(xué)研究究的意意義及及巖石石動態(tài)態(tài)力學(xué)學(xué)基本本特性性（1）我國巖巖石動動力學(xué)學(xué)研究究發(fā)展展歷程程我國巖巖石動動力學(xué)學(xué)研究究開始始：20世紀60年代初初，湖湖北大大冶鐵鐵礦邊邊坡穩(wěn)穩(wěn)定性性研究究中的的爆破破動力力效應(yīng)應(yīng)試驗驗較全面面開展展的巖巖石動動力學(xué)學(xué)研究究：1965年由國國家科科委與與國防防科委委同意意成立立防護護工程程組，，并將將“防防護工工程問問題的的研究究”增增列為為10年規(guī)劃劃中的的國家家重點點項目目。從1965－1980年15年的歷歷程中中，我1977年，由國家計委組織、兵器工業(yè)部和國家貯備局牽頭，全國20多個部委、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10多年，是我國首次進行的大比例現(xiàn)場化爆試驗，最大規(guī)模做到1:1的500tTNT原型洞庫炸藥試驗，在國際上也屬罕見。與巖石動力學(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)試驗有巖石動態(tài)力學(xué)性質(zhì)和巖石斷裂機制以及相關(guān)的數(shù)值計算。我國巖巖石動動力學(xué)學(xué)學(xué)科科發(fā)展展走向向新里里程：：1987年，中中國巖巖石力力學(xué)與與工程程學(xué)會會巖石石動力力學(xué)專專業(yè)委委員會會的成成立。。從1988年始，，巖石石動力力學(xué)專專委會會每兩兩年組組織召召開“全國巖巖石動動力學(xué)學(xué)學(xué)術(shù)術(shù)會”（2）巖石動動力學(xué)學(xué)研究究內(nèi)容容巖石動動態(tài)力力學(xué)性性質(zhì)與與本構(gòu)構(gòu)關(guān)系系各種動動荷載載作用用下所所引起起的地地運動對巖石動力特性，人們最感興趣的是巖石材料對加載速率的響應(yīng)。巖石動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的研究，除上面表述的外，在我國防護工程領(lǐng)域也做了大量巖石動力學(xué)研究和成果，涉及國防的研究成果不宜公開應(yīng)力力波波傳傳播播與與衰衰減減規(guī)規(guī)律律研究究應(yīng)應(yīng)力力波波在在巖巖石石介介質(zhì)質(zhì)中中傳傳播播與與衰衰減減的的規(guī)規(guī)律律，，是是期期待待爆爆炸炸波波對對地地下下工工程程及及建建筑筑物物的的破破壞壞效效應(yīng)應(yīng)最最小小。。在在礦礦山山破破巖巖等等實實際際工工程程中中，，要要充充分分利利用用其其爆爆炸炸能能量量以以獲獲得得最最佳佳爆爆破破效效果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。巖石石的的聲聲學(xué)學(xué)特特征征研研究究應(yīng)用用聲聲學(xué)學(xué)方方法法研研究究巖巖石石物物理理力力學(xué)學(xué)特特性性，，是是聲聲學(xué)學(xué)與與巖巖石石動動力力學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)科科相相互互交交叉叉的的結(jié)結(jié)果果。。巖巖石石超超聲聲測測試試技技術(shù)術(shù)是是通通過過測測定定聲聲波波穿穿透透巖巖石石（（巖巖體體））后后聲聲學(xué)學(xué)參參數(shù)數(shù)（（波波速速、、波波形形、、波波頻頻、、波波譜譜））的的變變化化，，間間接接了了解解巖巖石石（（巖巖體體））的的物物理理力力學(xué)學(xué)特特性性及及結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特征征。。由于于巖巖石石（（巖巖體體））材材料料的的復(fù)復(fù)雜雜性性，，對對于于巖巖石石聲聲學(xué)學(xué)特特性性與與巖巖石石應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)的的相相關(guān)關(guān)性性、、對對于于與與應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)相相關(guān)關(guān)聯(lián)聯(lián)的的加加載載和和卸卸載載過過程程、、對對于于聲聲波波信信號號如如何何應(yīng)應(yīng)用用等等等等，，仍仍需需深深入入研研究究的的課課題題。。爆破效應(yīng)應(yīng)與破巖巖機理研研究巖體動力力破壞的的最小能能量，巖體中爆爆炸與沖沖擊真實實變形與與破壞過過程，研研究材料料在不同同特征能能量尺度度及其傳傳輸速度度下統(tǒng)一一的分階階段連貫貫的動力力破壞過過程和動動力破壞壞準則數(shù)值分析析與數(shù)值值計算我國開展展動力有有限元法法的研究究始于70年代初，，應(yīng)用用背景是是核爆與與化爆的的工程效效應(yīng)。近近十多年年來，數(shù)數(shù)值計計算、數(shù)數(shù)值仿真真得到空空前發(fā)展展。巖石石動力學(xué)學(xué)中波動動問題研研究，LS-DYNA在巖石介介質(zhì)中爆爆破破壞壞過程的的應(yīng)力場場、傳播播過程、、巖石爆爆破漏斗斗的數(shù)值值模擬。。巖爆與沖沖擊地壓壓機理研研究我國現(xiàn)階階段的巖巖石工程程規(guī)模大大、難度度高，為為世界界所矚目目。無論論是礦山山工程，，還是水水電工程程和交通通工程程，很多多工程的的開發(fā)進進入了深深部地下下空間，，不少工工程都遇遇到了巖巖爆現(xiàn)象象。特別別是近年年來發(fā)生生了多起起巖爆爆引起的的重大事事故，造造成了人人員傷亡亡和施工工裝備的的嚴重重破壞。。巖爆機機制及其其預(yù)測預(yù)預(yù)報預(yù)警警的研究究已經(jīng)經(jīng)成為我我國巖石石力學(xué)界界必須致致力解決決的關(guān)鍵鍵科學(xué)問問題和和技術(shù)難難題，由由此也帶帶來了““巖爆熱熱”。巖巖爆研究究從第三三屆全國國巖石動動力學(xué)會會議開始始，就作作為一個個專題討討論，系系統(tǒng)地從從巖爆機機制到工工程防治治進行行了卓有有成效的的研究。。研究大大致可分分為3大類：研研究巖爆爆的現(xiàn)象象、機理理等理論論和模型型分析；；巖爆爆的實驗驗系統(tǒng)的的研發(fā)和和風險評評估和工工程中巖巖爆預(yù)測測、預(yù)報報方法及及控制措措施。巖石動力力學(xué)在工工程中的的應(yīng)用巖石動力力學(xué)最重重要的研研究對象象是爆破破工程、、防護工工程及地地震工程程。隨著著國民經(jīng)經(jīng)濟建設(shè)設(shè)的高度度發(fā)展，，巖土工工程中的的基礎(chǔ)工工程也需需要巖石石動力學(xué)學(xué)的研究究成果。。爆破開開挖振動動監(jiān)測應(yīng)應(yīng)用性工工作，利利用爆破破震動技技術(shù)改善善低滲油油田特性性提高油油氣采用用率，在在隧道開開挖超前前預(yù)報探探測技術(shù)術(shù)方面研研究，地地震災(zāi)區(qū)區(qū)許多建建筑物、、構(gòu)筑物物的受損損由強大大的地震震波引發(fā)發(fā)。3.巖石動態(tài)態(tài)力學(xué)特特性測試試技術(shù)與與設(shè)備電液伺服服控制材材料試驗驗機把加荷頻頻率提高高到30Hz時時,應(yīng)變變率可達達到100數(shù)量量級,但但加載波波形失真真。分析析原因主主要是由由于液壓壓源的容容量限制制,作動動器的響響應(yīng)無法法跟上所所致,如如果更換換大容量量液壓源源,應(yīng)變變率則可可以穩(wěn)定定達到此此數(shù)量級級單軸中等等應(yīng)變速速率加載載試驗機機Perkin，，Green，，F(xiàn)riedman試驗機通通過壓氣氣驅(qū)動一一重量較較輕的可可動活塞塞，實現(xiàn)現(xiàn)對試樣樣的快速速加載。。氣體可可以是空空氣，氦氦或者氮氮氣，它它們以等等壓進入入活塞上上、下方方的兩蓄蓄氣室，，發(fā)射時時，通過過速啟閥閥使上蓄蓄氣室里里的氣體體經(jīng)節(jié)流流閥以超超聲速排排出。這這樣，活活塞就向向上運動動，快速速壓縮試試樣。加加載速率率由活塞塞運動速速度所決決定，而而活塞的的速度則則與節(jié)流流口尺寸寸的大小小、氣壓壓和被測測試試樣樣類型有有關(guān)。對對任意試試樣，通通過合適適地選取取氣壓和和排氣口口大小，，可以獲獲得所需需要的恒恒加載率率。這種種裝置上上限加載載應(yīng)變率率可以達達到10-20s-1三軸動力力試驗機機Logan，Handin它由機架架、加載載活塞、、阻尼器器及速啟啟閥等組組成。速速啟閥控控制活塞塞的快速速加載。。該閥通通過5cm的孔孔與試驗驗機加載載柱的下下室相連連，并在在管路上上安裝一一通用節(jié)節(jié)流板以以控制氣氣體的排排泄速度度。該閥閥閥內(nèi)有有一雙向向作用活活塞，與與一錐形形桿相連連，當?shù)偷蛪嚎諝鈿庾饔糜谟谏鲜視r時，可雙雙向運動動的活塞塞緊緊壓壓在錐形形閥座上上，閥門門關(guān)閉。。當電磁磁閥打開開時，高高壓氣體體突然進進入下室室，推動動活塞上上行，閥閥座處的的閥門打打開，高高壓氣體體通過節(jié)節(jié)流閥迅迅速排出出，從而而實現(xiàn)對對試樣的的快速加加載。在在首次利利用該設(shè)設(shè)備對Westerly花崗崗巖和Solenhofen石灰?guī)r巖進行三三軸快速速加載試試驗時，，Westerly花花崗巖的的加載應(yīng)應(yīng)變率為為1s-1，Solenhofen石灰?guī)r巖的軸向向應(yīng)變率率為10s-1。Blanton[203]利用用該裝置置對花崗崗閃長巖巖、砂巖巖和石灰灰?guī)r等三三種巖石石進行了了應(yīng)變速速率從10-2-10s-1的三軸軸動載試試驗?；旌蠅嚎s試試驗機Leblanc和Lassila采用伺服液液壓控制試試驗機具有有275MPa的負荷結(jié)構(gòu)構(gòu)，驅(qū)動器器的加載速速率最大可可達5m/s，驅(qū)動能力力為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機的十十字頭上。。該試驗機機驅(qū)動器需需要25mm行程達到穩(wěn)穩(wěn)定速率，，打擊結(jié)束束后亦需要要25mm行程減速，，所以在試試驗前需對對驅(qū)動器和和透射桿進進行定位，，保證試樣樣在和桿接接觸之前被被充分加速速，在驅(qū)動動器減速前前變形完成成。試驗過過程中，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算，，試樣應(yīng)變變通過渦流流傳感器測測量的驅(qū)動動器位移與與應(yīng)變片測測量的透射射桿應(yīng)變進進行計算。。Leblanc利用該裝置置成功地對對退火鉭，，退火銅和和固化環(huán)氧氧樹脂試樣樣進行了中中等應(yīng)變率率的動載試試驗。改進MTS-810材料試驗機機Song，Chen和Lu該試驗機的的創(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過程中中保持高精精度的定位位。試驗加加載應(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)動動器運動速速度來實現(xiàn)現(xiàn)。試驗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。。當驅(qū)動器器速度較低低時，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確的的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)；；當驅(qū)動器器速度較快快達到92mm/s，對應(yīng)的加加載應(yīng)變率率為35s-1時，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范圍的動態(tài)態(tài)加載試驗驗常規(guī)的MTS夾持系統(tǒng)改進的MTS夾持系統(tǒng)RDT-1000型高壓動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1000MPa，軸壓可達達4000MPa的。該試驗驗系統(tǒng)由動動載機、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載機。。動載機包包括機架和和上下動力力源，上下下動力源分分別提供動動軸壓和動動圍壓。這這種動力高高壓三軸試試驗機，軸軸向荷載為為0-200t，軸向荷載載的上升時時間為，三軸圍壓壓室靜圍壓壓為0-1000MPa，動圍壓每每次在原有有圍壓基礎(chǔ)礎(chǔ)上可增加加動圍壓，，動圍壓的的上升時間間大于40ms。可對巖石石試樣進行行軸向應(yīng)變變速率為10-5-101s－1范圍的動力力三軸試驗驗。中應(yīng)變率拉拉壓試驗機機中國科學(xué)技技術(shù)大學(xué)沖沖擊拉伸及及動態(tài)響應(yīng)應(yīng)實驗室研研制。該試試驗系統(tǒng)包包括液壓驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)、、試件夾持持與機械支支承裝置、、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力源，，另采用一一臺低壓小小流量定量量泵作輔助助動力源，，并提供各各液控閥的的控制油壓壓。當主動動力源向液液壓缸供油油時，可使使活塞桿左左右勻速運運動，