煤礦砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)與分析方法研究*

汪海波，翟國(guó)良，王夢(mèng)想，宗 琦

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤炭開采環(huán)境大多為沉積巖，典型巖石有砂巖、泥巖、黏土巖等，煤系巖石雖經(jīng)沉積成巖作用，但強(qiáng)度低，變形大[1]，屬于軟巖；國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)將單軸抗壓強(qiáng)度為0.5～25 MPa的巖石定義為地質(zhì)軟巖范疇[2]，何滿潮[3]認(rèn)為由于工程部位埋深較深，煤系巖石所受地應(yīng)力的水平較高，故強(qiáng)度大于25 MPa的巖石也屬于軟巖范疇。受成巖過程影響，煤系軟巖巖性顆粒大小不均，礦物成分多樣，膠結(jié)質(zhì)差，加之沉積成巖過程復(fù)雜，巖石存在大量微結(jié)構(gòu)面，造成巖石波阻抗較小，使巖體應(yīng)力傳播和能量傳遞發(fā)生較大改變。同時(shí)，隨著煤礦開采逐漸進(jìn)入深部，由于具有“三高一擾動(dòng)”的特性[4-5]，巖石處于1種復(fù)雜受力狀態(tài)，巷道的大變形、高地壓和難支護(hù)等工程災(zāi)害現(xiàn)象日趨增多；礦井沖擊地壓、掘進(jìn)爆破、礦壓顯現(xiàn)加劇等也均體現(xiàn)對(duì)巖石的動(dòng)作用[6-7]。煤系巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究日益增多，平琦等[8]利用SHPB(霍普金森壓桿)試驗(yàn)裝置對(duì)煤礦巖石進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率具有較強(qiáng)的相關(guān)性；李曉峰等[9]開展灰?guī)r、白云巖和砂巖動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，研究試件耗散能密度及破碎尺寸與應(yīng)變率的變化關(guān)系；王夢(mèng)想等[10]開展典型煤礦泥巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和破裂破碎特征試驗(yàn)，結(jié)果表明試件的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，表現(xiàn)出強(qiáng)應(yīng)變率效應(yīng)。以上煤系巖石的沖擊試驗(yàn)研究均采用電阻應(yīng)變片。在SHPB試驗(yàn)中，應(yīng)力波的傳播符合一維應(yīng)力傳播規(guī)律，桿的密度與波速較高，即波阻抗較高，而煤系軟巖波阻抗較低，在沖擊過程中，應(yīng)力波從高波阻抗材料傳遞到低波阻抗材料會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射應(yīng)力波，根據(jù)能量守恒定律，透射波信號(hào)會(huì)變小，同時(shí)，軟巖試件在應(yīng)力波的作用下，產(chǎn)生破裂破碎并會(huì)消耗一部分能量，使得透過軟巖試件傳遞到投射桿中的應(yīng)力波值更小，電阻應(yīng)變片采集到的數(shù)據(jù)容易失真。

應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)采集的關(guān)鍵技術(shù)[11]，當(dāng)被測(cè)信號(hào)十分微弱時(shí)，特別是干擾信號(hào)與被測(cè)信號(hào)相當(dāng)時(shí)，電阻應(yīng)變片測(cè)量精度大大降低，半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)更高，能夠提高測(cè)量精度[12]，雖然半導(dǎo)體應(yīng)變片技術(shù)存在非線性及拉壓不對(duì)稱等不足，但隨著數(shù)據(jù)處理精度的提高，這種不足也在慢慢減小。胡時(shí)勝等[13]利用半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片同時(shí)測(cè)量純鋁的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，所測(cè)結(jié)果十分相近；趙磊等[14]針對(duì)芳綸綢布材料，進(jìn)行試樣兩端應(yīng)力平衡、實(shí)驗(yàn)速度、半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片測(cè)量的驗(yàn)證；汪海波等[15]、袁璞等[16]分別采用半導(dǎo)體應(yīng)變片對(duì)硬煤、泡沫混凝土沖擊試驗(yàn)過程中的透射應(yīng)力波進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于巖石材料動(dòng)態(tài)沖擊，由于巖石強(qiáng)度較高，采用半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)試時(shí)，很容易出現(xiàn)超載；在煤試件沖擊過程中，由于透射波信號(hào)較弱，電阻應(yīng)變片又較難采集?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多采用同種應(yīng)變片，數(shù)據(jù)處理也是針對(duì)同種應(yīng)變片測(cè)試數(shù)據(jù)，而不同種類應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)交互處理對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響及影響程度問題鮮有文獻(xiàn)研究。綜上所述，本文通過在透射桿上粘貼半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片并分別采集透射波信號(hào)，選擇淮北礦區(qū)某煤礦埋深-690 m的砂巖為軟巖代表，開展直徑50 mm SHPB沖擊壓縮試驗(yàn)，采用二波法、三波法和簡(jiǎn)化三波法處理電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)，從砂巖試件應(yīng)力應(yīng)變曲線、應(yīng)變率和能量耗散角度分析應(yīng)變片種類和分析方法的精度與差異。

1 試驗(yàn)裝置及原理

1.1 試驗(yàn)裝置及試件制備

試驗(yàn)采用安徽理工大學(xué)直徑50 mm變截面SHPB試驗(yàn)裝置，撞擊桿長(zhǎng)度為0.60 m，入射桿和透射桿長(zhǎng)度分別為2.40 m和1.20 m。各桿均為同材質(zhì)合金鋼，密度為7.8 g/cm3，彈性模量為210 GPa，縱波波速為5 190 m/s。

試驗(yàn)采用BX120-3AA型電阻應(yīng)變片，電阻值為(119.8±0.1) Ω、靈敏系數(shù)為2.08%±1%；HU-101B-120型半導(dǎo)體應(yīng)變片，電阻值為(120±5%)Ω、靈敏系數(shù)為110%±5%。

通常要求應(yīng)變片標(biāo)長(zhǎng)l≤(λ/20～λ/10)，其中，λ為脈沖信號(hào)波長(zhǎng)，在SHPB沖擊試驗(yàn)中脈沖信號(hào)波長(zhǎng)λ≥200 mm，所選應(yīng)變片能夠滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量精度要求。

試驗(yàn)選取完整性和均質(zhì)性較好的砂巖作為研究對(duì)象。測(cè)得砂巖的密度2.60 g/cm3、縱波波速3 600 m/s、單軸抗壓強(qiáng)度30.67 MPa、抗拉強(qiáng)度3.16 MPa、泊松比0.25。

對(duì)巖塊鉆取、切割，打磨成圓柱形試件，文獻(xiàn)[17]表明，為減小試件慣性效應(yīng)，SHPB試驗(yàn)中試件長(zhǎng)徑比一般控制在0.5左右[17]。將巖石加工成Φ50 mm×25 mm的圓柱形試件，砂巖試件兩端表面不平行度小于0.05 mm，面平整度小于0.02 mm。試件安裝前，在試件和2壓桿端面接觸處均勻涂抹薄層的凡士林潤(rùn)滑劑，減少巖石試件和桿端面之間的摩擦阻力，降低加載端面約束力對(duì)試件應(yīng)力狀態(tài)分布的影響。試驗(yàn)時(shí)，確保試樣與2桿同軸。

1.2 應(yīng)變片工作原理

在SHPB試驗(yàn)中，應(yīng)變信號(hào)的測(cè)量采用應(yīng)變片法，將應(yīng)變片粘貼在基體材料上，電阻應(yīng)變的電阻隨物理形變而產(chǎn)生阻值變化，電阻值計(jì)算如式(1)所示[18]：

(1)

式中：R為電阻值，Ω；ρ為金屬導(dǎo)體的電阻率，Ω·mm2/m；S為導(dǎo)體的橫截面積，mm2；L為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，m。

當(dāng)發(fā)生變形時(shí)，其電阻相對(duì)變化量如式(2)所示：

(2)

式中：ΔR為電阻變化值，Ω；dρ為金屬導(dǎo)體的電阻率的變化值，Ω·mm2/m；dL為金屬導(dǎo)體長(zhǎng)度變化值，m；dS為金屬導(dǎo)體橫截面積變化值，mm2。

半導(dǎo)體應(yīng)變片利用半導(dǎo)體單晶體的壓阻效應(yīng)將被測(cè)部件的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電阻變化的1種力—電轉(zhuǎn)化原件，壓阻效應(yīng)的大小用壓阻系數(shù)來表示，在當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片承受縱向和橫向應(yīng)力時(shí)，半導(dǎo)體應(yīng)變片相對(duì)電阻率計(jì)算如式(3)所示[19]：

(3)

應(yīng)變片材料電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變之間關(guān)系如式(4)所示：

(4)

式中：ν為材料的泊松比；π為材料的壓阻系數(shù)；K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)。

由靈敏系數(shù)K=1+2ν+πE可知材料的靈敏系數(shù)由2個(gè)因素決定，其中，1+2ν是由材料幾何尺寸改變引起的，πE由材料受力后電阻率變化引起的。一般的金屬應(yīng)變片πE很小，可以忽略。所以金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)較小，K值為1.5～2；半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻系數(shù)很大，K值主要由πE決定，其靈敏系數(shù)110%，是電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)2.08%的52.88倍。

1.3 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)力波透反射系數(shù)

SHPB加載試驗(yàn)過程中應(yīng)力波傳播示意如圖1所示[20]，其中l(wèi)s為試件高度，mm；L1，L2分別為入射桿應(yīng)變片、透射桿應(yīng)變片到試件接觸桿端的距離，mm；A1，A2分別表示試件與入射桿、透射桿的接觸面；λ為反射系數(shù)；σ為應(yīng)力幅值；SI為入射波；SR為反射波；ST為透射波。

圖1 SHPB加載過程中應(yīng)力波傳播示意

當(dāng)入射波應(yīng)力幅值為σI的彈性強(qiáng)間斷應(yīng)力波從左向右由壓桿向巖石試件傳播時(shí)，將會(huì)在2種介質(zhì)的界面上形成向左傳播的反射波和向右傳播的透射波，根據(jù)文獻(xiàn)[20]所述，應(yīng)力波在界面的透反射過程滿足式(5)：

(5)

式中：σI為入射應(yīng)力波強(qiáng)度，MPa；σR為反射應(yīng)力波強(qiáng)度，MPa；σT為透射應(yīng)力波強(qiáng)度，MPa；λ1>2為應(yīng)力波從第1介質(zhì)進(jìn)入第2介質(zhì)的反射系數(shù)；1+λ1>2為透射系數(shù)。同理當(dāng)應(yīng)力波從第2介質(zhì)進(jìn)入第1介質(zhì)時(shí)的反射系數(shù)為-λ1>2，透射系數(shù)為1-λ1>2；ρS，ρ0分別為巖石試件、壓桿的密度，kg/m3；CS，C0分別為巖石試件、壓桿的縱波波速，m/s。壓桿波阻抗與砂巖波阻抗比為4.33，則反射系數(shù)λ1>2為-0.63，透射系數(shù)為0.37，透射信號(hào)偏弱。

1.4 SHPB試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

目前SHPB試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法常采用二波法、三波法和簡(jiǎn)化三波法[21-22]，其中，二波法處理數(shù)據(jù)過程簡(jiǎn)單，若試件受力處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，結(jié)果較可靠；三波法處理結(jié)果具有最好可靠性；簡(jiǎn)化三波法的原理為應(yīng)變計(jì)算采用三波法、應(yīng)力計(jì)算用透射波來計(jì)算。

為定量描述巖石破碎試驗(yàn)時(shí)吸收能量的大小和巖石破碎過程中能量的耗散情況，桿上的入射能WI(t)、透射能WT(t)和反射能WR(t)可按式(6)～(8)計(jì)算[20]：

(6)

(7)

(8)

則試件破壞所吸收的能量Ws計(jì)算如式(9)所示：

WS(t)=WI(t)-[WR(t)+WT(t)]

(9)

式中：WI(t)為入射能，J；WT(t)透射能，J；WR(t)反射能，J；A為桿件橫截面積，mm2；E為桿件材料的彈性模量，GPa；εI(t)，εR(t)，εT(t)分別為壓桿上t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的入射波、反射波和透射波的應(yīng)變。

為衡量在不同的入射桿沖擊速度條件下，煤巖能量耗散的強(qiáng)弱，通常將耗散能與入射能的比值定義為能量耗散率N，計(jì)算如式(10)所示：

(10)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 典型試件電壓時(shí)程曲線及應(yīng)力平衡檢驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，電阻應(yīng)變片采用平衡電壓為4 V、增益500，半導(dǎo)體應(yīng)變片采用平衡電壓為2 V、增益100。典型電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的測(cè)量電壓時(shí)程曲線如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，每組3個(gè)試件、共開展8組砂巖試件的沖擊試驗(yàn)，分析時(shí)每組選擇1個(gè)較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)基本參數(shù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表1。

表1 砂巖試樣動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)

由圖2可知，半導(dǎo)體應(yīng)變片采集信號(hào)曲線幅值較電阻應(yīng)變片大，采集的信號(hào)電壓是電阻應(yīng)變片的5倍左右，半導(dǎo)體應(yīng)變片上升沿時(shí)間很短、能夠較迅速地記錄應(yīng)力波變化的瞬時(shí)狀態(tài)，表明采集的應(yīng)力波數(shù)據(jù)更全面，不同沖擊速度下，測(cè)試的入射、透射、反射電壓均隨著沖擊速度增大，根據(jù)試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)線接線情況，實(shí)測(cè)電壓曲線中應(yīng)力正值為壓應(yīng)力、負(fù)值為拉應(yīng)力。

圖2 典型試件電壓時(shí)程曲線

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，進(jìn)行應(yīng)力均勻性假定驗(yàn)證，試件兩端應(yīng)力平衡檢驗(yàn)如圖3所示。

圖3 試樣兩端的應(yīng)力平衡檢驗(yàn)

由圖3可知，電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片所測(cè)透射應(yīng)力與入射+反射應(yīng)力具有較好的重合性，說明試件兩端受力較均勻。對(duì)于沖擊初始階段，透射應(yīng)力、反射應(yīng)力的幅值均隨著入射應(yīng)力的增加而增加；當(dāng)達(dá)到各自峰值應(yīng)力時(shí)，電阻應(yīng)變片所測(cè)數(shù)據(jù)均有一段減小的趨勢(shì)后恢復(fù)，數(shù)據(jù)變化趨于穩(wěn)定，半導(dǎo)體應(yīng)變片所測(cè)數(shù)據(jù)則持續(xù)上升，后趨于穩(wěn)定；半導(dǎo)體應(yīng)變片所測(cè)平臺(tái)值略高于電阻應(yīng)變片。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

將應(yīng)變片測(cè)得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變可求出應(yīng)變率、峰值應(yīng)變和動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果存在以下關(guān)系：

1)試件應(yīng)變率的求解只與反射波相關(guān)，則電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果采用二波法計(jì)算，得到的加載應(yīng)變率與極限應(yīng)變相同。

2)簡(jiǎn)化三波法采用三波法的公式對(duì)加載應(yīng)變率與峰值應(yīng)變求解、采用二波法公式對(duì)試件動(dòng)態(tài)強(qiáng)度求解，所以簡(jiǎn)化三波法與三波法計(jì)算求得的加載應(yīng)變率與極限應(yīng)變相同，二波法與簡(jiǎn)化三波法計(jì)算求得的砂巖動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度相同。

為便于描述，定義電阻應(yīng)變片用R表示，半導(dǎo)體應(yīng)變片用S表示，用1，2，3分別表示二波法、簡(jiǎn)化三波法、三波法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。則R2與R3，S2與S3求得試件加載應(yīng)變率與極限應(yīng)變相同，R1與R2，S1與S2求得砂巖動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度相同。因此，可不對(duì)簡(jiǎn)化三波法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)

沖擊荷載作用下，試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)主要有動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、應(yīng)變率和峰值應(yīng)變，砂巖試樣動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)分析

1)應(yīng)力應(yīng)變曲線

2種應(yīng)變片的測(cè)試結(jié)果處理得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片數(shù)據(jù)處理結(jié)果比較

由圖4可知，二波法、簡(jiǎn)化三波法和三波法對(duì)2種應(yīng)變片所測(cè)數(shù)據(jù)處理得到的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有如下規(guī)律：

①試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為彈性階段、塑性階段和破壞階段。彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性，與電阻應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變片彈性階段應(yīng)力增長(zhǎng)曲線斜率低，達(dá)到彈性階段動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也有所滯后；塑性階段應(yīng)力-應(yīng)變曲進(jìn)入加載平臺(tái)階段，應(yīng)力增加平緩，半導(dǎo)體應(yīng)變片所測(cè)數(shù)據(jù)較平滑；破壞階段，超過巖石的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度峰值，巖石裂紋不斷發(fā)展，發(fā)生破碎破裂后，應(yīng)力值迅速衰減。

②沖擊速度大于5 m/s時(shí)試件彈性階段變形和塑性變形和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度明顯大于4 m/s時(shí)的作用效果，表明巖石的動(dòng)態(tài)特性與沖擊速度密切相關(guān)。由圖4(a)可知，二波法處理結(jié)果動(dòng)態(tài)強(qiáng)度峰值與簡(jiǎn)化三波法相同，在達(dá)到動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度之前，近似重合，達(dá)到峰值以后，半導(dǎo)體二波法應(yīng)力衰減位置較簡(jiǎn)化三波法靠后。由圖4(b)可知，簡(jiǎn)化三波法與三波法的應(yīng)變峰值相同，采用電阻應(yīng)變片，二者所求應(yīng)力近似，半導(dǎo)體應(yīng)變片簡(jiǎn)化三波法所測(cè)應(yīng)力值偏大。

可見，半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)處理后可組合使用，相比電阻應(yīng)變片，半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果具有應(yīng)力值高、峰值應(yīng)變小、應(yīng)力應(yīng)變曲線光滑的特點(diǎn)。對(duì)于脆性材料，其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度高、變形小[19]，而半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度高，測(cè)量應(yīng)變靈敏性較高，且半導(dǎo)應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)變峰值較小，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度較大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)于描述脆性材料更加適用；圖2的電壓時(shí)程曲線也表明半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)的可行性與優(yōu)越性。

2)應(yīng)變率分析

針對(duì)采用二波法、簡(jiǎn)化三波法和三波法處理半導(dǎo)體及電阻應(yīng)變片所測(cè)砂巖試件，其應(yīng)變率與沖擊速度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 試件應(yīng)變率對(duì)比

材料的應(yīng)變率與應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)力波形密切相關(guān)，尤其與反射波形關(guān)系密切，在材料相同的情況下，反射應(yīng)力波的變化主要受入射桿沖擊速度的影響，即應(yīng)變率與入射桿的沖擊速度密切相關(guān)。圖5中試件所受應(yīng)變率隨沖擊速度增大而增大，S2，S3求解應(yīng)變率值最小，R1，S1求解試件應(yīng)變率值最大。這是因?yàn)樯皫r的波阻抗與桿件的波阻抗相差4.33倍，反射系數(shù)為0.6，在入射波穿入砂巖試件的瞬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的反射波，采用二波法處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)變率較高；對(duì)于同一試件，半導(dǎo)體應(yīng)變片三波法處理砂巖應(yīng)變率比電阻應(yīng)變片低，對(duì)照應(yīng)變率公式可知，試件入射波、反射波相同，透射應(yīng)力波為主要影響因素，由于半導(dǎo)體應(yīng)變靈敏系數(shù)高，記錄的透射應(yīng)力比電阻應(yīng)變片高，致使應(yīng)變率偏低，但不管采用哪種方法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的砂巖試件應(yīng)變率與沖擊速度關(guān)系符合圖5中擬合關(guān)系式，具有較好正比關(guān)系，S2，S3求解得到砂巖應(yīng)變率線性擬合相關(guān)系數(shù)最高。

3)應(yīng)力分析

采用二波法、簡(jiǎn)化三波法和三波法處理得到砂巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與沖擊速度關(guān)系如圖6所示。

圖6 試件動(dòng)態(tài)強(qiáng)度對(duì)比

2種應(yīng)變片采用二波法、三波法的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)相似，S1，S2求得應(yīng)力值最大，S3求解應(yīng)力值大于電阻應(yīng)變片；電阻應(yīng)變片三波法與二波求解試件動(dòng)態(tài)強(qiáng)度值結(jié)果相近。隨著沖擊速度的增加，試件動(dòng)態(tài)強(qiáng)度整體呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)闆_擊速度增加，應(yīng)力波作用增強(qiáng)，在軟巖內(nèi)部缺陷被隱藏，即產(chǎn)生的裂紋尚未沿缺陷充分發(fā)展，便產(chǎn)生新的裂紋，從而引起試件整體動(dòng)強(qiáng)度提高。

4)應(yīng)變峰值分析

試件峰值應(yīng)變對(duì)比關(guān)系如圖7所示。

圖7 試件峰值應(yīng)變對(duì)比

由圖7中擬合關(guān)系式可知，試件所受應(yīng)變峰值隨著沖擊速度的增加而增加，半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變峰值隨沖擊速度的擬合相關(guān)系數(shù)最高，當(dāng)沖擊速度超過某臨界速度時(shí)，試件的峰值應(yīng)變趨于定值，結(jié)合圖7，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體應(yīng)變片三波法求解得到砂巖應(yīng)變峰值最小，當(dāng)沖擊速度較小，電阻應(yīng)變片三波法求解試件應(yīng)變峰小于二波法，當(dāng)沖擊速度較大時(shí)，試件應(yīng)變峰大于二波法，這是因?yàn)殡S著沖擊速度的增加，應(yīng)力波作用增強(qiáng)，半導(dǎo)體應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也更加敏感，相比之下，半導(dǎo)體應(yīng)變片三波法求解試件應(yīng)變更可靠。

3.2 試件破碎耗能分析

由于試驗(yàn)時(shí)只有透射桿上分別粘貼電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片，入射能和反射能由入射桿中電阻應(yīng)變片測(cè)得，透射能由2種應(yīng)變片分別表述，得到具體各類能量組成，見表2。

從表2中可以看出，半導(dǎo)體應(yīng)變片所測(cè)砂巖試件透射能高于電阻應(yīng)變片，高出值為0.8～9.63 J，將2種應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到的能量耗散率的差值稱為能量耗散能誤差，二者耗散率誤差在10%以內(nèi)，同時(shí)，2種應(yīng)變片所測(cè)砂巖透射能隨沖擊速度變化規(guī)律具有一致的規(guī)律性，可相互驗(yàn)證。

表2 砂巖動(dòng)態(tài)沖擊能量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1)半導(dǎo)體應(yīng)變片因具有比電阻應(yīng)變片更高的應(yīng)變片靈敏系數(shù)，相比電阻應(yīng)變片，測(cè)量結(jié)果具有應(yīng)力值高、峰值應(yīng)變小，應(yīng)力應(yīng)變曲線光滑的特點(diǎn)。

2)采用二波法、三波法和簡(jiǎn)化三波法處理電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體片應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)，處理結(jié)果規(guī)律具有較好的一致性；半導(dǎo)體應(yīng)變片二波法求得的應(yīng)力值比電阻應(yīng)變片的應(yīng)力值大10.44%～13.68%；三波法時(shí)半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片求得的應(yīng)力值相差2.84%～7.8%；三波法時(shí)半導(dǎo)體應(yīng)變片求解得到的應(yīng)變率和應(yīng)變峰值略小于電阻應(yīng)變片。綜合對(duì)比，對(duì)于該測(cè)試系統(tǒng)建議采用三波法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片所測(cè)能量隨沖擊速度變化規(guī)律具有一致的規(guī)律性，且耗散率誤差在10%以內(nèi)。