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HohaiUniversity,岩石动力学RockDynamics,刘军ljun8,二OO八年三月,岩土工程科学研究所,冲击载荷的特点,,,,,,,,主要内容,岩石动力学课件,第2章岩石材料的动态力学特性,HohaiUniversity,,岩石材料动态力学特性研究的复杂性,岩石材料动态力学特性混凝土,岩石材料动态力学特性花岗岩,岩石材料动态力学特性总结,,岩石材料动态力学特性研究实验设备,0岩石材料动态力学特性研究的意义,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,第2章岩石材料的动态力学特性,岩石材料在动载荷作用下的力学特性是研究爆炸以及地震动荷载作用下岩体结构中应力波传播和衰减的基础。是防护工程、防灾减灾等领域的重要研究内容。,1冲击载荷的特点,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,加载速率高大量不同振幅不同周期的载荷循环加载率、振幅、周期在很大的范围内变化材料的行为与静载相比有显著的区别,第2章岩石材料的动态力学特性,2岩石材料动态力学特性研究的复杂性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,测试设备昂贵测试方案制定困难加载率难于控制材料的动态响应难于监测,第2章岩石材料的动态力学特性,目前这方面的工作主要集中在实验研究方面，理论研究远远不能满足工程需要，在实验研究中，也存在着很多困难,2岩石材料动态力学特性研究的复杂性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,鉴于上述分析材料在动载下的实验数据非常少，并且所有可利用的数据几乎都来自于混凝土或岩石材料的单轴实验。,第2章岩石材料的动态力学特性,,3岩石材料动态力学特性研究实验设备,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,液压试验系统落锤试验系统SHPB压杆试验系统射弹试验系统其它试验系统这几类试验系统各有所长，可以提供多种应变速率，在当前的混凝土动态试验试验研究中得到广泛的应用。其中，以液压试验系统和SHPB试验系统应用最为广泛。,第2章岩石材料的动态力学特性,,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,液压试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,液压试验系统是以液体作为内在驱动力传递媒介的试验系统的统称。这一类试验系统通常用来进行静态荷载下的试验，应变速率量级为10-6S-110-2S-1。在辅助以快速反应的油泵和阀后，可以完成动态试验。在压缩情况下，该类试验系统的加载速率可以达到10-1S-1，在拉伸条件下，可以接近1S-1。这一类设备的优点是通过增加电液伺服阀及合适的电子装置，如果刚度足够，可以实现比较恒定的应变速率或加载速率。在快速加载条件下，由于试验所用的时间很短，通过直接反馈控制得到恒定应变速率的方法实施起来难度更大，应变速率在很大程度上依赖于试验机的刚度以及试件的刚度。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,液压试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,液压设备在静态试验中已经得到广泛应用，积累了丰富的经验;在提高试验机刚度、量测试件变形等方面形成了比较成熟的技术。在电液伺服条件下，应变速率或加载速率的控制精度较高。随着伺服阀、油泵等关键部件性能的提高，液压动力设备易于向混凝土多轴动态设备过渡，从而完成在动态荷载下的双轴和三轴试验。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,液压试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,国产的试验装置,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,液压试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,日本的试验装置,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,液压试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,大连理工大学研发的液压动态试验设备,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,液压试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,三轴2Hz的试验结果,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,液压试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,总的看来，液压试验系统具有很多优点，如试验技术相对成熟，应变速率或者荷载速率控制精度高，易于向三轴动态设备扩展等。荷载值和变形值能够方便、准确的测量。但是液压动态设备对伺服阀、油泵等关键部性能要求很高，导致研制成本相对较高。该类设备可以实现的应变速率范围通常在10-6s-1100s-1，对于研究地震荷载、风荷载等中低等应变速率的情况比较适用。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,落锤动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,为了得到较高的应变速率，一些研究者采用落锤的方法进行动载试验。通过设置重物的重量、下落高度、落地碰撞垫层厚度等来改变实际作用到试件上的应变速率大小。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,落锤动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,加拿大的落锤试验系统,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,落锤动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,美国的落锤试验系统,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,落锤动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,这一类设备的优点是试验系统构造比较简单，对设备制造所要求技术难度不大，成本相对较低通过调整落锤的重量和下落高度，设备可以实现很大的冲击力。缺点是在试验过程中真正施加在试件上的荷载值难以精确地量测，加载速率难以精确控制。对于研究材料的多轴动态试验显得粗糙。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,Hopkinson压杆动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,这一类设备在动态试验中有广泛的应用。目前分离式的Hopkinson压杆SHPB技术被认为是测量固体材料在10103s-1高应变速率下动态特性的最有效的方法。早在1914年，Hopkinson就提出了测试瞬态脉冲应力的压杆技术，1949年Kolsky对它进行改进，其基本组成被沿用至今。经过多年的发展，这一类设备已经被应用到动态拉伸和扭转试验中。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,Hopkinson压杆动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,压缩的SHPB试验装置平面布置如图所示。撞击杆撞击入射杆，在入射杆中产生的一维平面波到达试件后产生反射和投射。假设试件在撞击过程中保持一维平面应力状态，通过应变片等量测设备可以记录入射杆、透射杆中应变随时间变化的曲线，也就得到了试件两端的应力、应变随时间的变化过程。通过简单的计算，可以反算出试件材料的应力应变关系。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,Hopkinson压杆动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,利用SHPB试验装置可以方便地记录加载脉冲的应力-应变、应力-时间、应变率-试件的动态曲线，研究应变率敏感材料的动态特性和应变率历史等等。SHPB技术在材料的动力特性测试方面取得广泛而成功的应用。与金属相比，混凝土材料的SHPB试验有一定难度一是混凝土材料组分的均匀性较差；二是混凝土材料弹性变形较小；三是混凝土材料离散性大。SHPB试验中假设试件内部应力处处相等，要求试件尽可能的小一些;而试件均匀性要求混凝土试件尺寸不能太小。早先Hopkinson压杆的直径通常为25mm、37mm等，在90年代逐渐研制出了较大直径如51mm和76mm的SHPB试验系统。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,Hopkinson压杆动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,中国科技大学的变截面SHPB装置示意图,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,Hopkinson压杆动力试验系统,第2章岩石材料的动态力学特性,,佛罗里达大学研制的SHPB试验装置,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,射弹试验装置,第2章岩石材料的动态力学特性,,为了获得较高的加载速率一些研究者借用其它的试验装置对材料进行动载试验。射弹试验装置利用分子量级的气体例如氢气、氮气等驱动，进行高速几百至几千m/s范围内碰撞试验的专用设备。试验时将飞片粘贴于弹丸上，高压气体的突然释放推动弹丸沿抽成真空的炮管运动。当高速的弹丸碰撞到靶板时，产生一个较高的压力脉冲，由应力量计记录一组压力信号，不同的撞击速度产生不同的压力峰值。根据这一系列压力信号，进行材料的动态特性分析。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,射弹试验装置,第2章岩石材料的动态力学特性,,北京理工大学研制的轻气炮冲击试验装置,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,射弹试验装置,第2章岩石材料的动态力学特性,,以色列人研制的冲击试验装置示意图,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,射弹试验装置,第2章岩石材料的动态力学特性,,美国研制的冲击试验装置示意图,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,射弹试验装置,第2章岩石材料的动态力学特性,,这一类设备原理简单，适用的应变速率范围较大，设备易于改造，适应能力强，有着良好的发展前景。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,其它动力试验设备,第2章岩石材料的动态力学特性,,美国研制的动态的三轴试验设备,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,动力试验设备小结,第2章岩石材料的动态力学特性,,不同类型的设备所适用的应变率范围液压10-61落锤110SHPB10-2103射弹103105,4混凝土材料动态力学特性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,实验研究举例应变速率对混凝土强度特性的影响应变速率对混凝土变形特性的影响应变速率对弹性模量的影响应变速率对混凝土泊松比的影响应变速率对峰值应力处应变值的影响应变速率对应力应变关系曲线的影响应变速率对吸能能力的影响应变速率对混凝土破坏模式的影响小结,第2章岩石材料的动态力学特性,混凝土材料动态力学特性实验研究举例之一,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,在Suaris和Shah（1983，1984，1985,1990）等的研究中，通过对混凝土试件施加动载荷的实验，表明混凝土材料对应变率具有敏感性;与准静态实验比较而言，在动载下混凝土的峰值强度提高，并且应力-应变的非线性降低;因此，在脉动载荷作用时，例如，冲击与爆炸载荷，材料的这种显著的动态特性是不能忽视的;混凝土材料在地震载荷作用下的力学行为已经得到了广泛的研究，其研究结果具有重要的指导意义，例如，地震载荷的应变率范围一般为，应变率在这个范围内时，混凝土的抗拉强度将提高80，抗压强度将提高25。,第2章岩石材料的动态力学特性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,Hatano对单轴压力加载下加载率的影响进行了研究，总结了素混凝土在震动载荷下的力学行为的主要特点混凝土的强度依赖于应变（加载）率；初始弹性模量依赖于应变（加载）率；任何加载率下，对一个特定的混凝土试件，极限应变为常数；循环压力加载在应力-应变曲线中产生滞后现象；在压力加载历史中，应力-应变曲线存在一个包络线，并且包络线是唯一的，在常应变率下，包络线与应力-应变曲线相同。,第2章岩石材料的动态力学特性,混凝土材料动态力学特性实验研究举例之二,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,鞠庆海等的研究成果对混凝土和凝灰岩试样进行的单轴以及三轴动态压缩实验结果表明当应变速率由10-5s-1增加到10s-1时,凝灰岩的单轴抗压强度以及围压为90MPa时的强度值分别增加了40和20；在围压为0、20、40MPa的情况下,当应变速率由10-5s-1增加到10s-1时,混凝土的抗压强度分别增加了93、82、92。,第2章岩石材料的动态力学特性,混凝土材料动态力学特性实验研究举例之三,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,应变速率对混凝土强度特性的影响单轴动态抗压强度总的来讲，随着应变速率的增加，混凝土动态抗压强度也随之增加，这已经得到大多研究者的证实。但是，动态强度增加幅值的大小，到目前尚没有得到统一的认识。这是由于影响混凝土强度增加幅值的因素众多，很多因素的影响到目前还没有完全搞明白。,第2章岩石材料的动态力学特性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,应变速率对混凝土强度特性的影响单轴动态抗压强度,第2章岩石材料的动态力学特性,不同应变速率下混凝土抗压强度与应变速率的关系随着应变率的增加，抗压强度增大。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,应变速率对混凝土强度特性的影响单轴动态抗拉强度总的来讲，混凝土的拉伸试验可通过种方式来完成轴拉试验、劈拉试验和弯拉抗折。总的看来，抗拉强度随着加载速率的增加有较大幅度的增加;混凝土动态抗拉强度对应变速率的敏感性高于抗压强度的速率敏感性。但是不同研究者所得到数据离散度更大，结论也有更大的差别。,第2章岩石材料的动态力学特性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,应变速率对混凝土强度特性的影响单轴动态抗拉强度,第2章岩石材料的动态力学特性,不同应变速率下混凝土抗压强度与应变速率的关系随着应变率的增加，抗拉强度增大，且增加的幅度大于抗压实验情况。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,多轴动态强度试验得出，随着侧压力和加载速率的提高，混凝土平均抗压强度提高。侧应力对混凝土主压向和侧压向的变形影响较大；随着侧应力的增大，受压两向的应变增大；加载速率对峰值应力点应变影响不显著。随着侧压力和加载速率的提高，弹性模量相对增大，侧压应力较加载速率对弹性模量的影响显著。,第2章岩石材料的动态力学特性,应变速率对混凝土强度特性的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,第2章岩石材料的动态力学特性,不同应变速率下围压与强度的关系随着围压的增加，混凝土的应变速率效应有降低的趋势。,应变速率对混凝土强度特性的影响多轴动态强度,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,第2章岩石材料的动态力学特性,不同围压下强度与应变速率的关系与上图反映规律基本相同，即，随着围压的增大，率相关性降低。,应变速率对混凝土强度特性的影响多轴动态强度,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,应变速率的对混凝土材料的影响作用不仅仅体现在混凝土强度上，它对混凝土的变形特性也有重要的影响作用。近几十年的研究工作中，对混凝土动力特性的研究主要集中在应变速率对混凝土强度的影响上，研究混凝土变形的资料相对少一些，有关多轴应力状态下动态变形性能的研究到目前尚未检索到系统的报道。并且，关于混凝土动态变形性能的试验结果离散度大，不同研究者所得出的试验结论差别较大，甚至有些结论相互矛盾。虽然如此，在有限的数据之中，依然可以得出一些有用的结论。,第2章岩石材料的动态力学特性,应变速率对混凝土变形特性的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,通常认为，随着应变速率的增加，混凝土的弹性模量也相应的增加在应力-应变曲线的1/3处、或全部破坏荷载处、或在某一特定轴向应变处的割线模量相应的增加了。类似于预测混凝土强度增加的经验公式，有人也相应地推导了预测混凝土弹性模量和割线模量的经验公式。而应变速率对初始切线模量的影响说法不一，有些人认为随着应变速率的增加，初始切线模量增加，而另外一些人则认为应变速率对初始切线模量没有影响。,第2章岩石材料的动态力学特性,应变速率对混凝土弹性模量的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,总的来看，随着应变速率的增加，混凝土材料的刚度有增加的趋势这种刚度的增加主要是由于随着应变速率的增加，在混凝土材料内部自由水的粘性作用下，导致抗力提高，阻止了试件的变形、破坏，导致应力一应变曲线在达到很高的应力水平时仍然保持线性，从而引起刚度的增加。,第2章岩石材料的动态力学特性,应变速率对混凝土弹性模量的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,泊松比随着应变率的增加而发生改变，可能是由于在快速加载过程中，在某一应力水平时，在受压试验中裂缝减少而在受拉试验中裂缝增加的原因，但是也有许多试验得出了与之不相符合的结论。从试验结果中可以初步的得出抗压试验中泊松比随着应变率的增加而减小了；但在抗拉试验中，泊松比随着应变率的增加变化幅度很小。,第2章岩石材料的动态力学特性,应变速率对混凝土泊松比的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,影响峰值应力处应变值的因素很多，水灰比、骨料类型、养护条件、含水量等诸多因素都对混凝土的峰值应力处应变有着重要的影响作用；不同因素之间相互耦合；在试验中所采用的变形测量方法也对试验的结果产生直接的影响。因此，不同研究者的结论可能只是针对某一些混凝土在一定条件下的结论，如果不结合这些影响因素综合加以考虑，难以得出准确合理的结论。,第2章岩石材料的动态力学特性,应变速率对混凝土峰值应力处应变值的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,第2章岩石材料的动态力学特性,右图为不同应变速率下的峰值应力处应变值从试验结果看来，应变率对混凝土临界应变的影响并没有一个明确的结论。,应变速率对混凝土峰值应力处应变值的影响,凝土的临界应变定义为混凝土在最大应力处的应变，它也是反映混凝土变形特性的一个重要指标。,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,试验成果初步说明应变速率对混凝土的变形特性会产生重要影响。但是这种影响是否会影响到全曲线的基本形状，以及如何定量的描述这一变化，当前还没有发现这方面的研究工作。,第2章岩石材料的动态力学特性,,应变速率对混凝土应力-应变关系曲线的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,第2章岩石材料的动态力学特性,,董毓利等不同应变速率下的抗压应力应变关系曲线,Groet等不同应变速率下的砂浆抗压应力应变关系曲线,应变速率对混凝土应力-应变关系曲线的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,一般定义在到达最大应力前应力一应变曲线与应变轴围成的面积为混凝土的吸能能力；从所做的试验来看，尽管有人认为吸能能力与应变速率无关，但大多数试验均认为随着应变速率的增加，混凝土的吸能能力相应的增加了；吸能能力的增加主要是由于随着应变速率的增加，在给定应变值处应力相应的增加了，同时也由于在高应变速率时混凝土的变形能力也相应的增加了。从混凝土材料本身的性质来看，随着应变速率的增加，其耗能能力也有较大幅度的增加。,第2章岩石材料的动态力学特性,,应变速率对吸能能力的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,关于混凝土试件在不用应变速率下破坏模式变化规律的报道比较少；但是有限的文献中所得出的混凝土试件在不同应变速率下破坏模式的研究结论比较一致；从目前的文献中可以得出初步的结论应变速率对混凝土试件破坏模式的影响比较小。,第2章岩石材料的动态力学特性,,应变速率对混凝土破坏模式的影响,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,混凝土特性中有一些因素对应变速率比较敏感，如强度、弹性模量、吸能能力等，这些己经得到一些共识，形成了比较成熟的定性结论。还有一些因素对应变速率不太敏感，如泊松比、峰值应力处的应变值、混凝土试件的破坏模式等。如何将这些敏感因素进行比较精确的定量分析，从而得出能够提供给工程应用的定量关系是当前的一个研究重点。而对于一些非敏感因素，如何界定在何时可以忽略、何时应该考虑以及何时能够转化为影响整个结果的重要因素，也是当前应该进行研究的重点所在。,第2章岩石材料的动态力学特性,,小结,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,经过几十年的发展，混凝土动态特性的研究取得了长足进展。但是也存在不少问题，主要表现在以强度为研究重点的试验多，以变形为研究重点的试验少;单轴试验多，多轴试验少;单调加载试验多，考虑荷载历史以及应力路径的试验少。,第2章岩石材料的动态力学特性,,小结,5岩石动态力学特性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,W.F.Brace等的研究成果对花岗岩、辉绿岩、白云岩、斑粝岩、橄榄岩和砂岩六种岩石材料进行了动三轴压缩实验,应变速率范围为10-3～10-8s-1，围压为156～312MPa，实验结果表明,六种岩石材料的破坏强度都随着应变速率的增加而增加。K.P.Chong等的研究成果对低、中、高含油量的油页岩进行了应变速率范围为10-4～10s-1的动态压缩实验，实验结果表明，油页岩试样的抗压强度随应变速率对数值的增加而增加。,第2章岩石材料的动态力学特性,5岩石动态力学特性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,李海波等对花岗岩动态实验的研究成果对花岗岩进行了应变速率范围为10-4～1s-1、围压范围为20～170MPa的动三轴实验。实验结果表明,花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加，强度的增加幅度随围压的提高有减小的趋势，弹性模量以及泊松比与应变速率没有明确的关。实验结果还表明，花岗岩的抗压强度随围压的增加明显增加，在不同应变速率下,这种增加趋势基本相同,同时,随围压的增加，弹性模量有小幅度的增加趋势，泊松比有小幅度的减小趋势。,第2章岩石材料的动态力学特性,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,李海波等对花岗岩动态实验的研究成果,第2章岩石材料的动态力学特性,不同围压下，花岗岩的强度随应变率的变化规律在不同的围压下,花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加，增加幅度随围压的提高有减小的趋势,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,李海波等对花岗岩动态实验的研究成果,第2章岩石材料的动态力学特性,不同围压下，花岗岩的弹性模量随应变率的变化规律没有明确的关系,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,李海波等对花岗岩动态实验的研究成果,第2章岩石材料的动态力学特性,不同围压下，花岗岩的泊松比随应变率的变化规律没有明确的关系,6岩石材料动态力学特性总结,岩石动力学课件,HohaiUniversity,,材料的行为与静载相比有显著的区别对应变率具有敏感性率相关性在动载下岩石材料的峰值强度提高在动载下岩石材料的初始弹性模量提高应力-应变的非线性降低与压力比较而言，材料在拉力作用下具有更高的率敏感性微裂纹的扩展在高应变率下滞后,第2章岩石材料的动态力学特性,
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