SHPB 系统在岩体力学实验教学的应用和课程改革探索

王述红，张晓德，陈 猛，王斐笠，蔡运生

（东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）

随着经济的发展，出现了大量开挖利用和开发建设工程活动，随着这些活动规模的不断扩大，工程扰动引发的崩塌、滑坡等地质灾害频繁发生[1-2]。扰动荷载下岩体的动态力学特性构成了岩爆、滑坡、落石等众多地质灾害发生的成因[3-5]，而目前的实验教学课程主要集中在单轴压缩实验、常规三轴实验、劈裂实验、三点弯曲实验等静力学方面，缺少岩体动态特性的相关实验教学和课程设计。而霍普金森杆（SHPB）的研制为研究岩体的动态力学特性提供了便捷可行的实验手段。

霍普金森杆实验系统[6-8]具有结构简单、操作方便、测量方法精巧、加载波形易控制等优点，被认为是获得材料在 102～104s-1应变率范围内应力应变关系的最主要实验手段，是测试材料动态力学性能最基本的一种实验装置，并呈蓬勃发展之势。

为适应新形势下土木工程专业的发展，我校土木工程系在岩石力学教学中加强了实验方面的教学，并针对岩体动力学的实验教学购进了分离式霍普金森压杆（SHPB）实验设备，建设了冲击动力学实验室，开展了相应的冲击动力学实验教学研究，并对实验教学中的问题进行了改革探索。

1 SHPB 实验装置

霍普金森杆装置的原型是由Hopkinson 提出的，Kolsky 对其进行了进一步的优化设计。典型的SHPB装置系统如图1 所示，主要包括气腔、子弹等加载系统，入射杆、透射杆、吸收杆等实验主体系统，以及由应变片、示波器等组成的数据采集系统。各组成部分的物理力学参数如表1 所示。

图1 霍普金森杆装置系统

表1 霍普金森杆的物理力学参数

在SHPB 冲击实验过程中，气腔中的高压氮气推动子弹撞击入射杆，入射杆产生的入射应力波在钢杆与试件界面处，分为返回入射杆的反射波和传递到透射杆的透射波。入射波、反射波和透射波的波形通过贴于入射杆和透射杆的应变片进行采集。在入射杆的顶端使用直径为50 mm、厚度为2 mm 的黑塑胶片作为波形整形器[9-10]，使采集到的波形尽可能接近正弦波，其典型波形如图2 所示。

图2 SHPB 实验波形图

实验试件多为圆柱形，主要为花岗岩、砂岩和大理石等岩石试件以及含软弱夹层的裂隙岩体试件，如图3 所示。要求试件表面光滑、两端平滑、没有不规则的凸出，在试件的整个厚度范围内的起伏应控制在±0 .02 mm 以内，试件两端的粗糙度应小于 ±0 .02 mm ，且水平倾角小于 ±0.25°，试件两端中心点连接线与试件轴线之间的偏差不超过 ±0.001°。

图3 实验试件

2 SHPB 实验原理

基于一维应力波传播理论，建立实验过程中试样的三波公式[11]，如式（1），分析其力学特性。

式中，d εs、 εs、 σs分别为试件的应变率、应变和应力；Ps、 As、l 分别为试样的载荷、横截面积和厚度；c、 E 、A 分别为杆件的波速、弹性模量和横截面积； εi、 εr、εt分别为以应变形式表示的入射波、反射波和透射波。

同时，基于能量理论，通过分析实验过程中试件消耗的能量[12]，研究冲击荷载下岩体的破坏特性，其能量计算公式如式（2）。

式中， WI、 WR、 WT分别为入射波、反射波和透射波的能量； Ai、 Ar、 At分别为入射杆、反射杆和透射杆的横截面积，且 Ai=Ar= At； σi( t ) 、 σr(t )、 σt( t )分别为入射波、反射波和透射波的应力时程。

3 基于SHPB 的实验教学

为了使学生更好地理解不同扰动情况下岩体的破坏特征，对砂岩进行了不同加载速率下的冲击实验，能量消耗和破坏情况如图4 所示。

岩体的力学特性受其软弱结构面的控制，为了强化学生对这一重要性质的理解，针对不同填充物、不同含水率、不同节理条数的岩体结构面试件进行了实验，获得了不同结构面几何特性下岩体的力学特性。这有助于学生更直观地理解应力-应变曲线、应力峰值、应变率等概念（见图5）。

图4 不同冲击速率下试件的能量消耗

图5 不同节理条数的应变时间曲线

4 基于SHPB 的课程改革

为了提高教学质量，加深学生对专业知识的理解，主要从调动上课积极性、促进实验参与性、强化理论的实践应用性、激发思维创新性等方面进行课程改革和优化设计。

4.1 调动上课积极性

对于土木工程专业学生，由于缺少对数学物理方程和应力波等基础课程的学习，较难理解霍普金森杆实验的原理。加之该实验属于动力学范畴，使部分学生产生畏难情绪，降低了学习的积极性。针对这一问题，应打破传统以教师课堂宣讲、以课本或PPT 宣读为主的授课模式，开创以实验为平台、以学生讨论提问为切入点的课堂新局面。通过鼓励学生在实验过程中提出问题，激励他们的求知欲，再通过教师对相关理论知识的讲解和对实验的指导，充分发挥以学为主、以教为辅的翻转课堂功能，提高学生自主学习的主观能动性。

4.2 促进实验参与性

目前的实验基本上是教师先进行实验演示，然后学生按照教师的样子重复操作，使实验变成了机械的模仿和重复，难以发挥学生的主观能动性，学生对于实验的参与度较低。针对这一问题，应充分了解学生的实验诉求，从确定实验研究内容到实验仪器调试，再到实验的操作和最后的实验数据处理，应使学生实实在在地参与实验的全过程。

4.3 增强理论的实践应用性

对于土木工程这种实践应用性较强的学科，不仅要注重理论的讲解和学习，更应注重理论与实际工程的接轨，使学生充分理解如何将理论知识服务于工程应用。

霍普金森杆实验主要是针对岩石、岩体等某类材料的实验，而如何将其与实际工程联系至关重要。针对这一问题，在岩体霍普金森杆实验基础上，通过分析岩体的力学性质，研究结构面控制下的关键块体，借助我系自主开发的GeoSMA-3D 数值分析软件[13-14]，研究边坡、隧道等工程的稳定性，如图6、图7 所示，实现了从理论到实验再到工程应用的过程。

图6 边坡工程的稳定性分析

图7 隧道工程的稳定性分析

4.4 激发思维创新性

目前使用霍普金森杆进行的教学实验，主要是研究岩石的抗压或抗拉性能，由于该类实验属于动力学基础实验，易操作、易理解。但在实际工程中，岩石的抗剪性能同样非常重要。且相比于完整岩石，含软弱夹层的裂隙岩体在工程中更具普遍性，所以除了研究该类岩体的动态抗压、抗拉性能外，还应研究其抗剪等力学性能。也就是说，应注重培养学生的发散性思维，激发其思维创新性，使其能以开阔的视野和国际前沿视角进行研究和创新。

5 结语

众多岩坡、隧道、大坝等工程的稳定性受岩体力学性质控制，岩体力学强度的动态劣化构成了岩爆、滑坡、落石等众多地质灾害发生的成因，而目前的授课范围大多局限于对其静态力学特性的讲解，学生对其动态特性知之甚少，所以开展关于岩体动态力学特性教学是非常必要的。

关于岩体动态力学特性教学，由于土木工程专业学生缺少对数学物理方程和应力波等基础课程的学习，不应直接进行理论灌输，而应以实验为平台，借助霍普金森杆装置讲解岩体的动态力学特性。

在基于霍普金森杆的岩体动力学授课过程中，本文提出了调动学生上课积极性、促进和增强其实验参与性、理论的实践应用性及思维创新性等课程改革思路。