SHPB 系統在巖體力學實驗教學的應用和課程改革探索

王述紅，張曉德，陳 猛，王斐笠，蔡運生

（東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

隨著經濟的發展，出現了大量開挖利用和開發建設工程活動，隨著這些活動規模的不斷擴大，工程擾動引發的崩塌、滑坡等地質災害頻繁發生[1-2]。擾動荷載下巖體的動態力學特性構成了巖爆、滑坡、落石等眾多地質災害發生的成因[3-5]，而目前的實驗教學課程主要集中在單軸壓縮實驗、常規三軸實驗、劈裂實驗、三點彎曲實驗等靜力學方面，缺少巖體動態特性的相關實驗教學和課程設計。而霍普金森桿（SHPB）的研制為研究巖體的動態力學特性提供了便捷可行的實驗手段。

霍普金森桿實驗系統[6-8]具有結構簡單、操作方便、測量方法精巧、加載波形易控制等優點，被認為是獲得材料在 102～104s-1應變率范圍內應力應變關系的最主要實驗手段，是測試材料動態力學性能最基本的一種實驗裝置，并呈蓬勃發展之勢。

為適應新形勢下土木工程專業的發展，我校土木工程系在巖石力學教學中加強了實驗方面的教學，并針對巖體動力學的實驗教學購進了分離式霍普金森壓桿（SHPB）實驗設備，建設了沖擊動力學實驗室，開展了相應的沖擊動力學實驗教學研究，并對實驗教學中的問題進行了改革探索。

1 SHPB 實驗裝置

霍普金森桿裝置的原型是由Hopkinson 提出的，Kolsky 對其進行了進一步的優化設計。典型的SHPB裝置系統如圖1 所示，主要包括氣腔、子彈等加載系統，入射桿、透射桿、吸收桿等實驗主體系統，以及由應變片、示波器等組成的數據采集系統。各組成部分的物理力學參數如表1 所示。

圖1 霍普金森桿裝置系統

表1 霍普金森桿的物理力學參數

在SHPB 沖擊實驗過程中，氣腔中的高壓氮氣推動子彈撞擊入射桿，入射桿產生的入射應力波在鋼桿與試件界面處，分為返回入射桿的反射波和傳遞到透射桿的透射波。入射波、反射波和透射波的波形通過貼于入射桿和透射桿的應變片進行采集。在入射桿的頂端使用直徑為50 mm、厚度為2 mm 的黑塑膠片作為波形整形器[9-10]，使采集到的波形盡可能接近正弦波，其典型波形如圖2 所示。

圖2 SHPB 實驗波形圖

實驗試件多為圓柱形，主要為花崗巖、砂巖和大理石等巖石試件以及含軟弱夾層的裂隙巖體試件，如圖3 所示。要求試件表面光滑、兩端平滑、沒有不規則的凸出，在試件的整個厚度范圍內的起伏應控制在±0 .02 mm 以內，試件兩端的粗糙度應小于 ±0 .02 mm ，且水平傾角小于 ±0.25°，試件兩端中心點連接線與試件軸線之間的偏差不超過 ±0.001°。

圖3 實驗試件

2 SHPB 實驗原理

基于一維應力波傳播理論，建立實驗過程中試樣的三波公式[11]，如式（1），分析其力學特性。

式中，d εs、 εs、 σs分別為試件的應變率、應變和應力；Ps、 As、l 分別為試樣的載荷、橫截面積和厚度；c、 E 、A 分別為桿件的波速、彈性模量和橫截面積； εi、 εr、εt分別為以應變形式表示的入射波、反射波和透射波。

同時，基于能量理論，通過分析實驗過程中試件消耗的能量[12]，研究沖擊荷載下巖體的破壞特性，其能量計算公式如式（2）。

式中， WI、 WR、 WT分別為入射波、反射波和透射波的能量； Ai、 Ar、 At分別為入射桿、反射桿和透射桿的橫截面積，且 Ai=Ar= At； σi( t ) 、 σr(t )、 σt( t )分別為入射波、反射波和透射波的應力時程。

3 基于SHPB 的實驗教學

為了使學生更好地理解不同擾動情況下巖體的破壞特征，對砂巖進行了不同加載速率下的沖擊實驗，能量消耗和破壞情況如圖4 所示。

巖體的力學特性受其軟弱結構面的控制，為了強化學生對這一重要性質的理解，針對不同填充物、不同含水率、不同節理條數的巖體結構面試件進行了實驗，獲得了不同結構面幾何特性下巖體的力學特性。這有助于學生更直觀地理解應力-應變曲線、應力峰值、應變率等概念（見圖5）。

圖4 不同沖擊速率下試件的能量消耗

圖5 不同節理條數的應變時間曲線

4 基于SHPB 的課程改革

為了提高教學質量，加深學生對專業知識的理解，主要從調動上課積極性、促進實驗參與性、強化理論的實踐應用性、激發思維創新性等方面進行課程改革和優化設計。

4.1 調動上課積極性

對于土木工程專業學生，由于缺少對數學物理方程和應力波等基礎課程的學習，較難理解霍普金森桿實驗的原理。加之該實驗屬于動力學范疇，使部分學生產生畏難情緒，降低了學習的積極性。針對這一問題，應打破傳統以教師課堂宣講、以課本或PPT 宣讀為主的授課模式，開創以實驗為平臺、以學生討論提問為切入點的課堂新局面。通過鼓勵學生在實驗過程中提出問題，激勵他們的求知欲，再通過教師對相關理論知識的講解和對實驗的指導，充分發揮以學為主、以教為輔的翻轉課堂功能，提高學生自主學習的主觀能動性。

4.2 促進實驗參與性

目前的實驗基本上是教師先進行實驗演示，然后學生按照教師的樣子重復操作，使實驗變成了機械的模仿和重復，難以發揮學生的主觀能動性，學生對于實驗的參與度較低。針對這一問題，應充分了解學生的實驗訴求，從確定實驗研究內容到實驗儀器調試，再到實驗的操作和最后的實驗數據處理，應使學生實實在在地參與實驗的全過程。

4.3 增強理論的實踐應用性

對于土木工程這種實踐應用性較強的學科，不僅要注重理論的講解和學習，更應注重理論與實際工程的接軌，使學生充分理解如何將理論知識服務于工程應用。

霍普金森桿實驗主要是針對巖石、巖體等某類材料的實驗，而如何將其與實際工程聯系至關重要。針對這一問題，在巖體霍普金森桿實驗基礎上，通過分析巖體的力學性質，研究結構面控制下的關鍵塊體，借助我系自主開發的GeoSMA-3D 數值分析軟件[13-14]，研究邊坡、隧道等工程的穩定性，如圖6、圖7 所示，實現了從理論到實驗再到工程應用的過程。

圖6 邊坡工程的穩定性分析

圖7 隧道工程的穩定性分析

4.4 激發思維創新性

目前使用霍普金森桿進行的教學實驗，主要是研究巖石的抗壓或抗拉性能，由于該類實驗屬于動力學基礎實驗，易操作、易理解。但在實際工程中，巖石的抗剪性能同樣非常重要。且相比于完整巖石，含軟弱夾層的裂隙巖體在工程中更具普遍性，所以除了研究該類巖體的動態抗壓、抗拉性能外，還應研究其抗剪等力學性能。也就是說，應注重培養學生的發散性思維，激發其思維創新性，使其能以開闊的視野和國際前沿視角進行研究和創新。

5 結語

眾多巖坡、隧道、大壩等工程的穩定性受巖體力學性質控制，巖體力學強度的動態劣化構成了巖爆、滑坡、落石等眾多地質災害發生的成因，而目前的授課范圍大多局限于對其靜態力學特性的講解，學生對其動態特性知之甚少，所以開展關于巖體動態力學特性教學是非常必要的。

關于巖體動態力學特性教學，由于土木工程專業學生缺少對數學物理方程和應力波等基礎課程的學習，不應直接進行理論灌輸，而應以實驗為平臺，借助霍普金森桿裝置講解巖體的動態力學特性。

在基于霍普金森桿的巖體動力學授課過程中，本文提出了調動學生上課積極性、促進和增強其實驗參與性、理論的實踐應用性及思維創新性等課程改革思路。