1. 试件设计
在SHPB 试验中，通常存在弥散效应、摩擦效应、波动效应引起的二维效应。所以为了保证试验结果的有效性，须对试件尺寸进行合理的设计。理论分析表明，不考虑试件横向和轴向惯性效应的试件最佳长径比为 l /r =
/2[30]，其中l、r 分别为试件的长度和半径；二维数值计算的结果也证明，当试件长径比在[0.6，1.2]时，附加应力可以不计[31]；另外也有分析表明，当试件长径比为 l /r ≈ 1，界面处又给充分的润滑（μ =0.02～0.06）时，试件端部的摩擦效应可不予考虑[32]。岩石是不均匀的介质，为尽量减小不均匀性的影响，就必须加大试件的直径，但是加大试件的直径同时会增加波形的弥散效应。本次试验采用直径为 100 mm 的SHPB 装置来消除岩石不均匀性的影响，同时利用波形整形器、变截面的梭子型子弹等方法来减小由压杆直径的增加引起的弥散。
基于以上思想，最后采用了直径为90 mm、厚度为45 mm 的试件。
本次试验采用的是取自于四川省雅安市的大理石。为保证岩石试件力学参数基本相同，所有岩石试件由一块较大的岩石分割而成，其力学参数如表9-7 所示。
表9-7 被测岩样的性能参数
2. 试验概况
试验是在总参工程兵三所自行研制的直径为100 mm 的SHPB 装置上完成的。该装置的入射杆长4.5 m，透射杆长2.5 m，杆的弹性模量为200 GPa，密度为7 850 kg/m3。应变片型号为BF120-5AA，灵敏系数为2.00，电阻为120 Ω，分别粘贴在入射杆、透射杆表面距离试件2 m、0.8 m 处。为消除压杆弯曲对试件结果的影响，分别在压杆两侧对称位置上粘贴应变片，最后取其平均值。
（1）消除SHPB 的不利影响因素。
近几十年，SHPB 试验技术在研究岩石动态力学性能方面的应用越来越多，但其通常存在弥散效应、摩擦效应、波动效应等引起的二维效应，这将对试验结果的精度甚至可信性产生一定程度的影响，同时岩石的破坏应变小和不均匀性也给试验造成了很大的困难。为了能够消除这些影响，得到可靠的试验数据，本次试验将从以下几个方面来解决。
① 大直径的试验装置：为了消除岩石材料的不均匀性的影响，试验中采用了直径为100 mm 的SHPB 压杆装置。
② 大直径的岩石试件：采用直径为90 mm 的岩石试件，消除岩石不均匀性的影响；采用厚度为45 mm 的试件，能够保证应力波在岩石中来回反射多次以达到应力均匀的要求。
③变截面的梭子型子弹：试验中采用截面的梭子型子弹，如图9-19。通过该子弹撞击入射杆可以得到不对称的三角波，如图所示9-20。这种三角波的弥散小，波形上升前沿的时间比较长，大概为110 μs，这就可以保证岩石在破碎之前达到应力均匀。
④ 波形整形器：张磊[16]通过纸片整形器得到了有、无波形整形器的入射压缩波，如图9-21，从图中可以看出加有波形整形器后，波形得到了很好的改善，波的弥散较小，波形更加光滑。试验中采用厚度为1 mm 的纸片作为波形整形器，得到了波形弥散小、波形光滑的入射波，并且延长了入射波形上升沿的时间，如图9-22。
⑤ 试验时在试件和压杆的各个接触面上都均匀地涂有凡士林并挤压紧密，以减小摩擦对试验结果的影响。
图9-19 变截面梭子型子弹示意图（单位：mm）
图9-20 变截面梭子型子弹实物图(www.xing528.com)
图9-21 采用变截面梭子型子弹得到的入射波
图9-22 有、无波形整形器的入射波
（2）试验装置有效性验证。
为了得到可信的结果，就须事先验证SHPB 试验系统所测数据的可靠性和精度。验证时，测试在空炮（入射杆和透射杆之间不加任何试件）时入射杆中的入射波、反射波和透射杆中的透射波。由于入射杆与透射杆之间没有试件而且入射杆和透射杆的材料和横截面相同，应力波遵照一维波的传播理论，即入射波从入射杆直接传播到透射杆，透射杆中的第一个透射波的波形大小应与入射杆中的入射波相同，且没有反射波。
当子弹以7.7 m/s 的速度撞击入射杆时，入射杆和透射杆应变波形如图9-23。从图中可以看出入射波和透射波的波形基本一致。入射波应变为653 με，透射波应变为655 με，而反射波很小，可以忽略不计。因此可以认为入射波在两杆界面上发生的是全透射，并且两杆的端面平行且已对中，所以能够保证测数据的可靠性和精度。
图9-23 验证试验中的入射波和透射波曲线
3. 试件的安装
试件安装如图9-24 所示。
图9-24 岩石试件的安装图
4. 试验内容
为研究在相同冲击速度下，具有不同保护层厚度的岩石的动态力学特性和保护层在岩石整个破坏过程中所起的保护作用，试验时采用相同加载气压，气压为0.41 MPa，最后得到的子弹速度都在7.8 m/s 左右。保护层分别为0 mm、2.14 mm、3.12 mm、4.4 mm 和6.24 mm 几种，每种厚度至少进行两次试验。共进行了11 次试验，其中有8 次采集到了有效数据，保护波速均为1 939 m/s。
5. 试验结果与分析
岩石试件在加载气压为0.43 MPa 的冲击作用下都发生了不同程度的破坏，有的破碎成多块，如表9-8。
表9-8 大理石压杆试验结果
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