組合靜載條件下SHPB試件長徑比優(yōu)選研究*

潘 博，汪旭光，郭連軍，徐振洋，閆大洋

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，鞍山 114051；3.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870；4.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司，鞍山 114046)

采空區(qū)是常見的礦山事故隱患之一，其失穩(wěn)引發(fā)的后果嚴(yán)重影響生產(chǎn)循環(huán)效率，甚至危及人員設(shè)備安全，有別于地下采空區(qū)，露天礦山既有采空區(qū)圍巖體受到的地應(yīng)力作用較小，處理方式多以爆破崩落為主，因此掌握這類采空區(qū)圍巖體的動力學(xué)性質(zhì)，對爆破方案的優(yōu)化有著重要的意義。SHPB作為常用的研究動力學(xué)性質(zhì)試驗裝置，在巖石類材料領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用，如沖擊荷載作用下巖石的動態(tài)破壞過程及損傷演化規(guī)律[1,2]，循環(huán)沖擊荷載作用下力學(xué)性質(zhì)[3-5]，以及溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響等[6]。隨著技術(shù)的發(fā)展，眾學(xué)者又開展了壓力伺服以及三軸動態(tài)壓縮試驗[7,8]。通常試驗結(jié)果與試件的長徑比有關(guān)，ISRM(International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering)給出了長徑比建議范圍，不同巖種的長徑比對結(jié)果影響如何，眾學(xué)者進行了研究：花崗巖的彈性變形模量與試件長徑比呈正相關(guān)[9]，而試件最終破壞模式同樣與長徑比相關(guān)[10]；煤的峰值應(yīng)變隨著試件長徑比的增加呈指數(shù)衰減[11]；石灰?guī)r的峰值應(yīng)力應(yīng)隨著試件長徑比增加而減小，而動態(tài)模量則先增后減[12]。如何確定試件的最佳長徑比，也是研究熱點：對于大直徑SHPB試驗，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)長徑比為0.4～1.0時試驗結(jié)果能夠較為真實的反應(yīng)出材料性質(zhì)[13]，劉殿書等研究結(jié)果顯示[14]，長徑比為0.67時為最優(yōu)，并給出了長徑比取值范圍為0.6～1.0；梁書鋒等從應(yīng)力波在試件中傳播角度[15]，給出了部分脆性巖石長徑比參考值為0.7～0.8；宮鳳強等給出了應(yīng)力波在試件中傳播次數(shù)查值表[16]，并基于巖石波速給出了試件尺寸計算關(guān)系。

綜上可知，長徑比對試驗結(jié)果有直接影響，但上述研究給出的最佳比均是在無軸壓、無圍壓的試驗條件下分析得出，這顯然與巖體實際賦存環(huán)境不符，而對于軸壓、圍壓伺服條件下，選用何種長徑比的試件進行SHPB試驗，獲取更為準(zhǔn)確的巖石動力學(xué)性質(zhì)，還未見相關(guān)報道。因此，本文將以鞍鋼礦山采空區(qū)巖樣為例，開展靜載組合條件下不同長徑比試件SHPB試驗，通過分析試件在軸壓及圍壓伺服下對沖擊荷載的響應(yīng)情況，得出試件應(yīng)力平衡狀態(tài)、動態(tài)力學(xué)特征，確定試驗條件下試件的最優(yōu)長徑比，并與無靜載組合伺服條件下的試驗所得最佳長徑比結(jié)果進行對比，以說明研究的必要性，進而為后續(xù)獲取可靠的圍巖動力學(xué)性質(zhì)奠定基礎(chǔ)，同時也為相關(guān)研究中試件長徑的優(yōu)選提供參考。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置及試件制備

試驗采用自制50 mm分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗系統(tǒng)，如圖1所示。試驗裝置包括電磁控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓軸壓及側(cè)向圍壓伺服系統(tǒng)、沖擊彈體、入射桿、透射桿、吸收桿及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中入射桿長為2100 mm、透射桿長為1800 mm，吸收桿長度為800 mm，材質(zhì)均為C50高強度鋼，彈性模量為210 GPa。

圖 1 分離式霍普金森壓桿實物圖Fig. 1 Split Hopkinson pressure bar system

本次試驗試件取自鞍鋼礦業(yè)齊大山鐵礦-150 m 水平既有采空區(qū)圍巖體，巖性以混合花崗巖為主，基本力學(xué)參數(shù)見表1，對巖芯進行加工處理，保證兩端面平整度符合ISRM要求，試件直徑為50 mm，根據(jù)相關(guān)研究成果[16]，制備長徑比為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4的試件，成品如圖2所示。

表 1 采空區(qū)圍巖基本力學(xué)參數(shù)

圖 2 試驗試件Fig. 2 Test specimen

1.2 試驗方案

結(jié)合實際圍巖的賦存情況，參照文獻[17]采用低側(cè)向圍壓(4 MPa)，4 MPa軸向壓力，對五種長徑比試件進行沖擊作用。由于試件受圍壓及軸向壓力約束，同時可實現(xiàn)裝置系統(tǒng)的單脈沖加載的動能陷阱技術(shù)[18]，即彈頭撞擊入射桿產(chǎn)生的應(yīng)力波作用于試件，削減了桿件的相對運動帶來的二次沖擊作用，試件不易被沖破，因此，結(jié)合現(xiàn)場爆破作用應(yīng)變率情況，采用0.5 MPa沖擊作用氣壓進行試驗。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 應(yīng)力平衡分析

使用SHPB獲取巖石的本構(gòu)特征的前提是，有效獲取被測巖石試件處于應(yīng)力平衡狀態(tài)時的數(shù)據(jù)，那么試件兩端的應(yīng)力平衡狀態(tài)維持時間的長短則決定是否可以獲取足夠多的有效數(shù)據(jù)，巖石類材料的應(yīng)變通常處于10-3～10-2量級(如圖3)，加之巖石材料各向異性的特點，導(dǎo)致在相同沖擊荷載條件下試件發(fā)生不均勻形變。試件長徑比的改變將直接影響應(yīng)力波在試件內(nèi)的單程傳播時間，進而對應(yīng)力平衡過程的持續(xù)時間產(chǎn)生影響。引入應(yīng)力平衡因子(記作η)，即試件在某一時刻兩端的應(yīng)力幅值之比，該比值越接近于1，則認為試件兩端應(yīng)力越接近于平衡狀態(tài)，那么當(dāng)η=1時，則認為試件兩端應(yīng)力達到平衡狀態(tài)[19]。

(1)

式中，σT、σI、σR分別為試件透射端透射應(yīng)力及入射端入射應(yīng)力和反射應(yīng)力。

基于此，在試件加載過程中，則可通過應(yīng)力平衡因子來描述試件的兩端應(yīng)力平衡情況，將η=1±0.1視作應(yīng)力平衡，如圖4所示，在沖擊荷載作用初期，0～23 μs區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)逐漸由波動趨于平衡，這是由于初始階段試件兩端應(yīng)力差值過大致使試件內(nèi)部應(yīng)力無法均勻化，所以應(yīng)力平衡因子曲線呈現(xiàn)出明顯的波動；23 μs后，各長徑比試件兩端逐漸達到應(yīng)力平衡狀態(tài)，保持了一定時長的應(yīng)力均勻化，且最短準(zhǔn)平衡時長維持了近120 μs，為充分獲取數(shù)值提供了基礎(chǔ)；175 μs后，各長徑比試件的平衡因子曲線再次波動，試件無法繼續(xù)保持平衡狀態(tài)。

圖 3 應(yīng)變時程曲線Fig. 3 Strain time history curve

圖 4 應(yīng)力平衡因子時程變化曲線Fig. 4 Stress balance factor time history curve

通過各長徑比試件應(yīng)力平衡因子曲線變化可知，同等加載條件下試件長徑比的改變，試件兩端達到應(yīng)力平衡狀態(tài)的時間隨之變化，且應(yīng)力平衡階段持續(xù)時間不同。長徑比為0.6的試件，達成應(yīng)力平衡狀的耗時最短，但后程出現(xiàn)一定幅度的狀態(tài)波動。長徑比為1.0的試件，應(yīng)力平衡狀態(tài)維持時間最長，且持續(xù)時程中波動較小。當(dāng)試件長徑比為0.8時，試件雖然較早的達到了平衡狀態(tài)，但維持時間較短，這說明合適的長徑比對試件維持較好的應(yīng)力平衡狀態(tài)有一定的幫助。因為試件在整個過程中均未與壓桿分離，應(yīng)力平衡狀態(tài)的達成是應(yīng)力波在試件內(nèi)幾經(jīng)反射的結(jié)果，如圖5所示，長徑比的差異導(dǎo)致了應(yīng)力波在試件內(nèi)單程傳播時間不同，小長徑比的試件單程傳播時間小于大長徑比試件，小長徑比試件可在較短時間內(nèi)實現(xiàn)應(yīng)力平衡。

圖 5 應(yīng)力波傳播歷時影響因素Fig. 5 Influence factors of stress wave propagation duration

由于SHPB的試驗原理是遵循一維應(yīng)力波假設(shè)，依前文所述應(yīng)力波在試件內(nèi)經(jīng)過幾次透反射后試件可近似視為應(yīng)力平衡，故入射應(yīng)力σI、反射應(yīng)力σR和透射應(yīng)力σT之間存在如下關(guān)系[19]

σR(t)=λσI(t)

(2)

σT(t)=(1+λ)σI(t)

(3)

λ=(ρsCs-ρeCe)/(ρsCs+ρeCe)

(4)

式中：λ為應(yīng)力波由入射桿傳入試件的反射系數(shù)；ρs、Cs分別為試件彈性桿密度和彈性波速；ρe、Ce分別為系統(tǒng)桿件的密度和彈性波速。

透反射系數(shù)是由被測試材料類型決定(本文試驗研究對象該系數(shù)為-0.58～-0.51)，所以在揭示不同類型試件的應(yīng)力平衡問題時，需要明確在延續(xù)時間內(nèi)，入射波在試件內(nèi)的透、反射次數(shù)與試件尺寸之間關(guān)系，具體分析試件兩端的應(yīng)力差值情況。

2.2 應(yīng)力差相對值

圖6為實測不同長徑比試件的應(yīng)力時程曲線，可以看出在相同沖擊荷載作用下五種長徑比圍巖試件入射波時程曲線特征基本相同，均為近似的矩形波。且應(yīng)力波作用時間t約為250 μs，應(yīng)力加載峰值點在125 μs左右。

圖 6 入射應(yīng)力時程曲線Fig. 6 Incident stress time history curve

在應(yīng)力波入射延續(xù)時間內(nèi)，為提取數(shù)據(jù)并獲得試件真實動態(tài)響應(yīng)特征，需要明確應(yīng)力波在試件內(nèi)的單程歷時，可由式(5)進行計算。

(5)

式中：Δ為應(yīng)力波單程歷時；Ls為試件長度；Cs為試件的彈性波波速。

那么可將應(yīng)力波初峰段作用時間t內(nèi)，在試件內(nèi)傳播次數(shù)記作k，則有

(6)

應(yīng)力波經(jīng)過反射后，在試件兩端的應(yīng)力差值就變的很小，當(dāng)應(yīng)力差值在1%時，可視為應(yīng)力應(yīng)變逐漸開始達到平衡，引入試件兩端應(yīng)力差相對值

Δσk=|σ2k+1-σ2k|

(7)

(8)

(9)

式中：Δσk為被測試件兩端應(yīng)力差絕對值；σk為第k次反射應(yīng)力值；αk為試件兩端相對應(yīng)力差值。

由上式可知，應(yīng)力差相對值與作用于試件兩端應(yīng)力平均值有關(guān)，由于試件與壓桿之間的波阻抗不同，即受反射系數(shù)λ影響應(yīng)力波無法全反射，隨著反射次數(shù)的增加應(yīng)力差相對值αk將發(fā)生變化。

2.3 試件準(zhǔn)均勻態(tài)分析

為探討試件的長徑比差異對應(yīng)力狀態(tài)的影響，需對應(yīng)力脈沖時間內(nèi)不同長徑比試件兩端的應(yīng)力情況進行計算。根據(jù)研究成果，可設(shè)定某一限值來描述試件的均勻狀態(tài)[20]，該界限值通常需要根據(jù)不同的試驗材料進行調(diào)整，因此定義當(dāng)試件兩端應(yīng)力差相對值αk≤ 6%時，視作試件內(nèi)部應(yīng)力達到準(zhǔn)均勻態(tài)，基于6%的統(tǒng)計結(jié)果對本文試驗結(jié)果進行分析。

圖7為不同長徑比試件在相同沖擊荷載作用下的應(yīng)力差相對值αk情況。如圖7(a)所示，長徑比為0.6的試件，可視為在第7次達到應(yīng)力近似平衡，應(yīng)力差相對值αk滿足了設(shè)定的界限小于6%，隨著反射次數(shù)的增加逐漸減?。坏?0～11次時αk值達到最小值，此后試件兩端的應(yīng)力差相對值出現(xiàn)小幅增加，當(dāng)反射次數(shù)達到第13～14次時αk值再次臨界6%，至此試件應(yīng)力狀態(tài)視做平衡態(tài)。14次以后，試件兩端的應(yīng)力差值逐漸增加但增加幅度略有差異，其中相近的兩次反射，αk最大漲幅達17%試件無法繼續(xù)保持平衡狀態(tài)。

圖7(b)中長徑比為0.8的試件應(yīng)力波的反射次數(shù)關(guān)系與0.6長徑比試件相比有所減小。初始階段試件處于應(yīng)力失衡狀態(tài)，至應(yīng)力波傳播反射至8次時，試件內(nèi)部首次達到應(yīng)力均勻。而后αk繼續(xù)小幅下降到最小值，再回落至6%以內(nèi)，此后在界限值附近波動。反射至第14次后，試件相對值超出基準(zhǔn)值，可近似認為在應(yīng)力波反射第7次至13次的時間內(nèi)，試件保持了平衡狀態(tài)，而后αk開始上漲，試件內(nèi)部的均勻化被完全打破。

由圖7(c)中可看出，試件內(nèi)部首次達到應(yīng)力均勻需要的應(yīng)力波反射次數(shù)在8～9次，當(dāng)試件在應(yīng)力波反射至第8次基本滿足αk< 6%，其中個別試件需在反射第9次時實現(xiàn)近似均勻。至應(yīng)力波反射第15次試件保持了較好的應(yīng)力均勻。當(dāng)應(yīng)力波反射超過15次后，個別試件無法繼續(xù)保持內(nèi)部的應(yīng)力均勻化狀態(tài)，至第16次后所有試件的應(yīng)力差相對值αk均超出界限值，個別試件漲幅達到14%，無法再保持內(nèi)部應(yīng)力均勻狀態(tài)。

圖7(d)為長徑比1.2的試件數(shù)據(jù)曲線，應(yīng)力波在試件內(nèi)部反射至第8次時，除個別試件外，基本達到應(yīng)力內(nèi)部均勻，在此后的反射過程中αk呈先減小再增的變化趨勢，至第12次時處于界限值6%內(nèi)。當(dāng)應(yīng)力波反射至第13次時，個別試件內(nèi)部應(yīng)力突破失衡臨時值，當(dāng)反射次數(shù)至14次時，所測試件兩端的應(yīng)力差相對值均超出界限值，隨后該指標(biāo)持續(xù)增加，試件內(nèi)部已無法重新達成應(yīng)力均勻。同樣，由圖7(e)可以看出，長徑比為1.4的試件，在監(jiān)測范圍(αk= 0～40%)內(nèi)，反射作用第8次時，個別試件實現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力均勻，隨后αk值均在界限值變化。當(dāng)反射至第9次時，所有試件均實現(xiàn)準(zhǔn)應(yīng)力均勻狀態(tài)，并保持至應(yīng)力波反射至第12次，而后超出6%。

3 動態(tài)力學(xué)指標(biāo)分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

基于應(yīng)力均勻性及一維應(yīng)力波兩個假設(shè)，將SHPB試驗采集到的電信號依式(10)進行處理[21]，即可得到被測試件的平均應(yīng)力σs及平均應(yīng)變εs，進而繪制試件的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(10)

在0.5 MPa沖擊氣壓及4 MPa軸向和4 MPa側(cè)向壓力伺服條件下，試件的長徑比差異對動荷載響應(yīng)表現(xiàn)明顯的不同。如圖8所示，為試驗獲取的5種長徑比試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于試驗裝置的沖擊彈頭為圓柱體且沖擊動能較大，因此即使經(jīng)過整形片濾波作用，P-C振蕩對曲線的影響仍然存在[22]，各長徑比試件對應(yīng)的曲線變化趨勢存在明顯的“雙峰一谷”現(xiàn)象。圖中可以看出，長徑比影響了試件彈性變形，試件的彈性變形結(jié)束時刻應(yīng)變處于0.001～0.002之間。由圖3可知，不同長徑比試件達到該應(yīng)變值的時間基本一致，均為50 μs左右，說明加載應(yīng)力波輸入的穩(wěn)定性，而隨著長徑比的增加，曲線彈性階段的斜率逐漸增加。當(dāng)試件彈性變形結(jié)束后，曲線出現(xiàn)了下凹發(fā)展，隨后光滑上升達到曲線峰值點。可以看出，長徑比不同峰值應(yīng)力點的差值相差不大，處于350～360 MPa范圍內(nèi)，由于試件的宏觀損傷較小，因長徑比而產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)對峰值應(yīng)力的影響處于較低的水平。當(dāng)曲線經(jīng)過動態(tài)應(yīng)力峰值點后，開始光滑下降，長徑比為0.8～1.2的試件曲線至階段最大應(yīng)變點處開始呈閉口收縮，至動態(tài)強度達到100 MPa附近，曲線再次呈開口發(fā)展趨勢。而長徑比為0.6及1.4的試件則表現(xiàn)出了應(yīng)變緩慢增加一定值后，同樣存在駐點使得曲線的應(yīng)變增加變快。

由上述描述可知，如果不考慮設(shè)備本身的誤差影響，即加載波的能量恒定，那么長徑比的差異對動荷載的響應(yīng)，主要表現(xiàn)在峰值點的應(yīng)變大小以及曲線的整體開口程度。有研究指出曲線與應(yīng)變軸所圍的面積是沖擊加載過程中的耗散能[23]，那么可知試件的長徑比越小同等條件下能消耗更多的能量。如圖中顯示長徑比為0.8時面積略小，在1.0～1.4范圍內(nèi)時所圍面積基本相等。受此啟發(fā)，在工程實際中應(yīng)充分考慮每個炮孔爆炸能量破巖作用范圍，進而確定孔網(wǎng)參數(shù)，爆炸能量充分利用的同時，最大限度的減小炸藥消耗而產(chǎn)生的碳排放。

圖 7 應(yīng)力差值相對值與傳播次數(shù)關(guān)系曲線Fig. 7 Relation between relative value of stress difference and propagation times

圖 8 不同長徑比圍巖試件應(yīng)變-應(yīng)力曲線Fig. 8 Strain-stress curves of surrounding rock specimens with different length-diameter ratios

3.2 峰值強度分析

圖9為不同長徑比試件測試所得峰值強度結(jié)果，可以看出除長徑比0.8的試件離散程度較大外，其余試件所測得的結(jié)果離散程度較小。造成離散的原因一是試件本身的差異，由于試件較為致密，雖然試驗前已采用NMR(Nuclear Magnetic Resonance)技術(shù)進行差異化排除，但只能通過孔隙情況加以剔除，無法完成知曉內(nèi)部潛在的結(jié)構(gòu)特點或其他強度較為突出的成分含量；二是試驗設(shè)備觸發(fā)異常導(dǎo)致子彈的入射動能量發(fā)生變化，使得測試結(jié)果顯示出小幅增加。通過試驗結(jié)果的平均值可以看出，5種長徑比的試件均處于360 MPa附近，最小為n=1.0試件的354.12 MPa，最大為n=0.8試件的367.42 MPa，隨著長徑比的增加峰值強度呈現(xiàn)小幅波動。

圖 9 峰值強度分布Fig. 9 Peak intensity distribution

3.3 峰值點割線模量分析

由于試驗過程中，試件并未發(fā)生破壞宏觀的破壞，峰值應(yīng)力值只能從一定程度上反應(yīng)試件的動態(tài)強度，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的應(yīng)變在回彈后有再次增加的趨勢，定量表征不同長徑比的試件的變形性質(zhì)略顯不足。引入割線模量可以就試件彈性變形至極限強度的過程，對材料的塑性變形情況進行直觀的描述。由圖10可知，長徑比的差異對峰值點割線模量的影響更為明顯，長徑比為1.0的試件數(shù)據(jù)離散程度最小，其余長徑比試件離散程度均明顯大于長徑比1.0的試件結(jié)果。應(yīng)力峰值點的割線模量峰值隨著長徑比的增加呈準(zhǔn)線性增加趨勢，當(dāng)長徑為1.2時該指標(biāo)較0.6至1.0的增幅相對放緩，當(dāng)長徑比增至1.4時，動態(tài)峰值點割線模量大幅增加，均值為183.2 GPa，由此可知，隨著長徑比的增加，試件在相同沖擊荷載作用下的塑性變形演化速率有所增加。離散程度的大小說明了重復(fù)試驗的穩(wěn)定性，即長徑比為1.0的試件，自彈性階段后產(chǎn)生塑性變形開始至屈服的過程相對較為穩(wěn)定，這為后續(xù)其他組合形式的沖擊荷載試驗選定試件長徑比提供了依據(jù)。

圖 10 動態(tài)峰值應(yīng)力點割線模量分布Fig. 10 Secant modulus distribution of dynamic peak stress points

4 討論

由應(yīng)力平衡差值分析可知，隨著試件長徑比的增加，試件達到準(zhǔn)平衡狀態(tài)應(yīng)力波在試件內(nèi)的反射次數(shù)有所增加，由長徑比0.6的第7次增加至第9次完全平衡。但試件兩端應(yīng)力差相對值滿足限定值的次數(shù)，并不是按比例遞減，在相同沖擊沖擊荷載作用下，長徑比為1.0的試件滿足αk< 6%的次數(shù)最多，這與應(yīng)力平衡因子曲線結(jié)果一致，且應(yīng)力差相對值與傳播次數(shù)關(guān)系曲線與文獻[16]中描述基本吻合。對不同長徑比試件αk與反射次進行統(tǒng)計，各尺寸試件滿足基準(zhǔn)值的次數(shù)依次為：8次、7次、9次、6次和5次。達到基準(zhǔn)值的次數(shù)越多，則說明試件內(nèi)部的應(yīng)力均勻性情況越好，同等條件下得到的試驗結(jié)果更為可靠，以前文中的峰值點割線模量為例，長徑比為1.0的試件數(shù)據(jù)離散程度明顯小于其他組別，而試件長徑比為1.4的數(shù)據(jù)離散程度最大。

同組別試件初次實現(xiàn)應(yīng)力平衡出現(xiàn)差異性，一是由于巖石本身的各向異性及非連續(xù)性特點，隨著應(yīng)力波在巖石內(nèi)部傳播反射，將進一步使巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此隨著傳播次數(shù)的增加，試件兩端的應(yīng)力差相對值必將呈現(xiàn)出一定的波動，內(nèi)部形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有前后時差。二是應(yīng)力波在傳播過程中強度不斷變化，而試件并未與桿件分離，試件內(nèi)部的應(yīng)力在趨于近似均勻過程中，兩端的應(yīng)力大小也在隨著時間推移發(fā)生變化，桿件內(nèi)的殘余波對試件的影響作用有差異，使得試件兩端應(yīng)力差相對值變化不一致。

試件的長徑比越大試件內(nèi)部的應(yīng)力波反射次數(shù)減少，試件的平衡狀態(tài)必然會引起加載應(yīng)變率的變化，進而影響其他動態(tài)力學(xué)指標(biāo)，如長徑比為0.8的試件，其動態(tài)峰值強度呈現(xiàn)出高離散性，相對應(yīng)的加載應(yīng)變率離散性也大于其他組別試驗結(jié)果。與無靜載約束沖擊試驗不同，在同等沖擊氣壓作用下，三維靜載組合條件下的試件保持了很好的完整性。因此，在進行巖石動力學(xué)性質(zhì)探究時，在除去試件自身結(jié)構(gòu)性影響的前提下，需要選擇合理的試件長徑比，以期得到較為穩(wěn)定可靠的試驗數(shù)據(jù)。相比與無靜載約束沖擊花崗巖、大理巖等脆性材料試件長徑比優(yōu)先范圍的0.7～0.8[15]，結(jié)合本文數(shù)據(jù)分析結(jié)果，靜載組合條件下的沖擊試驗宜選用長徑比為1.0的試件開展后續(xù)試驗研究，沖擊荷載作用過程中加載變率的同時，試件兩端應(yīng)力能保持較長時的平衡狀態(tài)，以得到更為真實的材料的本構(gòu)關(guān)系。值得一提的是，雖然無法實現(xiàn)上述討論中完美的應(yīng)力平衡，但相比實際工程中的炸藥爆炸作用瞬間，已可以滿足分析精度。由于文章所討論的圍壓及軸壓強度遠小于致使試件強度離散的圍壓約束值[24]，因此，在低靜載(≤10 MPa)約束條件下進行沖擊試時，本文所得出優(yōu)選的長徑比結(jié)果依然適用；但當(dāng)施加的靜載約束強度較大時，該結(jié)果是否依然適用，需進一步探討。

5 結(jié)論

以鞍鋼礦山采空區(qū)圍巖為研究對象，進行了三維靜載組合條件下SHPB試驗，通過對試件應(yīng)力平衡及動態(tài)力學(xué)指標(biāo)進行分析，為相關(guān)試驗優(yōu)選試件長徑比提供一定參考，得出如下結(jié)論：

(1)相同沖擊條件下，試件達到應(yīng)力平衡狀所需的時間隨長徑比的增加而增加，在應(yīng)力彈性增加初始點至應(yīng)力峰值點的時間段內(nèi)可以較好地保持平衡狀態(tài)，但并非穩(wěn)定不變而是有一定波動，長徑比為1.0的試件應(yīng)力平衡狀態(tài)維持時長最優(yōu)。

(2)隨長徑比的遞增，滿足均勻狀態(tài)的試件兩端應(yīng)力差相對值所需的應(yīng)力波反射次數(shù)增加，符合限定值的次數(shù)先增加后減小，符合次數(shù)越多，試件內(nèi)部越易實現(xiàn)應(yīng)力均勻，合理的長徑比有助于試件快速實現(xiàn)并維持內(nèi)部的應(yīng)力均勻。

(3)相同沖擊條件下動態(tài)力學(xué)指標(biāo)隨著試件長徑比增加而呈不同的規(guī)律，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點強度呈先增后減的波動變化，而應(yīng)力峰值點的割線模量則隨長徑比的增加而增加，且當(dāng)試件的長徑比由1.2增加至1.4時，出現(xiàn)明顯的階躍，試件塑性變形演化速率大幅增加。

(4)對比試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試件長徑比為1.0時，動態(tài)力學(xué)指標(biāo)的結(jié)果離散性最小，該結(jié)果與無組合靜載條件下的沖擊試驗所得結(jié)論不同。故在進行組合靜載條件下的沖擊試件時，應(yīng)根據(jù)巖種具體分析最佳長徑比，就本文采用的巖石種類及裝置而言，宜選用長徑比為1.0的試件開展后續(xù)相關(guān)研究。