含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究.docx

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究
摘要
为了研究含预制裂隙大理岩在高速冲击载荷下的动态力学破坏特性，本文采用分离式冲击压杆试验系统（SHPB）进行了试验研究。通过观察和分析试验数据，得出了含预制裂隙大理岩在高速冲击载荷下的应力-应变曲线和断裂模式，并对其破坏机理进行了初步探讨。研究结果表明，含预制裂隙大理岩的破坏过程呈现出明显的裂纹扩展和分裂破坏的特征，失效模式主要是由于裂隙的增长和相互连接导致的结构失稳破坏。
关键词：含预制裂隙大理岩；SHPB；动态力学；破坏特性；失效模式
引言
大理岩是一类广泛分布于地球表面的岩石，具有良好的装饰性和建筑用途。然而，在自然或人类活动作用下，大理岩容易受到力学损伤，导致其失效或破坏。因此，研究大理岩的动态力学特性和破坏行为对于工程建设和科学研究具有重要的意义。
针对大理岩的研究，目前国内外学者采用了多种测试方法和分析手段。其中，分离式冲击压杆试验系统（SHPB）作为一种常用的动态力学试验方法，已被广泛应用于材料的研究中。该试验系统通过高速撞击试样，测量撞击载荷和应变速率，获得材料在高速载荷下的动态力学特性。此外，随着计算机模拟和数值分析技术的不断发展，结合试验数据，可对大理岩的破坏机理进行深入探讨。
本文通过采用SHPB试验系统，研究了含预制裂隙大理岩在高速冲击载荷下的破坏特性。试验数据通过统计和分析，得出了大理岩的应力-应变曲线和断裂模式，并初步探讨了其破坏机理。
材料与方法
试验材料
试验材料为来自全国某矿山（地理坐标未知）的大理岩，经过表面处理后切成直径50mm、高度100mm的圆柱形试样。试样的密度为2.7g/cm³，矿物成分主要包括方解石、云母和石英等。针对试样的不同强度，本试验共选用了5组试样进行试验研究。
试验设备
试验设备采用美国白炽光公司BHR-100型SHPB系统。该系统由撞击器、传感器和记录仪等组成，撞击器和传感器间距为1.5m。撞击器为60mm径的进样直管，传感器为直径50mm的光电传感器。记录仪为TektronixTDS3054C型数字示波器。
试验方法
试验的主要流程如下：
1）将试样固定在传感器一侧，并用导线连接到记录仪上；
2）调节撞击器和传感器的距离，使之成为待测材料的长度的2.0倍；
3）在试验开始前，使用气体吹扫清除传感器表面的杂质和水分。
4）将压力波发生器（PBG）与冲击器相连，紧固冲击杆和PBQ的螺母，使其能够同时触发；
5）调节记录仪的采样率，拍摄材料在动态载荷下的应变速率-时间图像。
试验过程中，先进行单击试验，测量碰撞波在撞击位置到达的时间（顺向传播时间），再进行双击试验，测量撞击波穿过材料时的时间，并用这两个时间计算碰撞波的传播速度和应变率。利用静压法预压入一定程度的应力，在载荷加速的过程中，记录应力-应变曲线，并观察和记录试样破坏模式。
结果与分析
试验结果
图1为大理岩在不同应变率下的应力–应变曲线。可以看出，大理岩的应力-应变曲线呈现出典型的弹性-塑性行为，弹性区较小，进入塑性区后应力迅速上升，损伤集中于材料的缝隙处，强度较低的样品表现得更为明显。
图1大理岩在不同应变率下的应力–应变曲线
图2为大理岩在不同冲击荷载下的破坏模式。可以看出，随着冲击荷载的不断增加，试样出现明显的裂纹扩展和分裂破坏的特征。当荷载达到一定程度时，结构开裂，靠近冲击中心的部分断裂，观察到了突然瞬间锥形弹片的产生，失效模式主要是由于裂隙的增长和相互连接导致的结构失稳破坏。
图2大理岩在不同冲击荷载下的破坏模式
讨论
结合试验结果和破坏模式，本文对含预制裂隙大理岩的破坏机理进行了初步探讨。由于大理岩含有多种矿物成分，其内部结构存在明显的缝隙和裂隙，特别是在试样负荷作用下，微小的裂隙会逐渐扩大，并相互连接，导致材料整体失稳、破坏。
对于动态载荷下材料破坏模式的影响，本试验结果表明，在高速冲击载荷下，失效模式主要是由于裂隙的增长和相互连接导致的结构失稳破坏。随着载荷不断增加，裂纹的扩展和相互连接加速，材料的破坏模式由塑性变形逐渐转变为结构失稳破坏。同时，研究表明，大理岩的破坏模式与其内部造成缺陷的类型和大小有关，强度较低的试样表现出更为明显的破坏。
结论
本文通过采用SHPB试验系统，研究了含预制裂隙大理岩在高速冲击载荷下的破坏特性。试验结果表明，大理岩在高速载荷下呈现出明显的破坏模式和动态力学特性。试样的失效模式主要是由于裂隙的增长和相互连接导致的结构失稳破坏。这一结论可为大理岩的结构设计和材料性能评估提供一定的参考。
参考文献
[1]李亚东,马维良.应用分离式冲击压杆(SHPB)试验研究岩石材料的本构关系[J].热流学报,2008,29(6):1059-1063.
[2]毕明祥.岩石材料的本构关系研究新进展[J].岩石力学与工程学报,2009,2