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在汽車、交通、基建、土木工程及其它產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，工程材料常會遇到像高速碰撞、高速變形的沖擊加載，進(jìn)行高應(yīng)變率下的動態(tài)測試，依然是一個不小的挑戰(zhàn)。

紅砂巖土作為一種路基工程填料，工程性質(zhì)較差，用于鐵路、高速公路回填土易出現(xiàn)路基厚度大、土層松軟的情況。為提升地基承載能力，需對紅砂巖土動態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行分析，以更好地采取措施加固土體。

針對紅砂巖的工程特性與路用性能，進(jìn)行長期動力穩(wěn)定性評價，需結(jié)合列車動力載荷對路基穩(wěn)定性影響去評估。霍普金森高速動態(tài)拉伸測試，可有效并精確地獲取材料在動載荷下的力學(xué)特性，是非常好的測試方案。

圖：制斑前后的紅砂巖土試件

圖：測試區(qū)域加玻璃防護(hù)裝置

霍普金森桿測試

楊氏模量是材料常數(shù)，其用于描述在力加載過程中材料的變形。

測試過程中，紅砂巖樣品位于分裂式霍普金森桿的兩個桿之間。通過由空氣壓縮的加速錘來產(chǎn)生壓力波。壓力波通過個桿，部分波在桿端被反射，另一部分波通過測試樣品到達(dá)傳輸桿。

安裝于附帶桿和傳輸桿上的應(yīng)變片用于測量壓力波產(chǎn)生的應(yīng)變。這樣可以讓附帶桿，傳輸桿和反射的壓力波的振幅能夠被測量。

與靜態(tài)測試的區(qū)別

楊氏模量通常采用準(zhǔn)靜態(tài)的測試機(jī)，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線來獲得。但是，材料在動態(tài)負(fù)載狀態(tài)下通常性能有顯著不同，因此，必須通過動態(tài)加載了解材料的動態(tài)特性。一般來說，霍普金森桿測試能滿足如此高的應(yīng)變速率。

霍普金森桿通常用應(yīng)變片安裝在傳輸桿和透射桿上，但無法采集紅砂巖變形位置及裂紋演化，只有通過紅巖土試件實時數(shù)據(jù)采集與分析，才能獲得試件表面變形位置以及裂紋出現(xiàn)和演化途徑。

新拓三維自主研發(fā)的XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，可以在霍普金森桿上使用。并且，XTDIC系統(tǒng)不僅可以測量三維位移和變形，基于全視場測量數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確地看到紅砂巖試件在沖擊載荷下的應(yīng)力應(yīng)變，以及關(guān)鍵部位的裂紋演化等。

測試數(shù)據(jù)

基于多測頭采集的圖像，利用XTDIC系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可測得材料在高速沖擊下的位移及變形。強(qiáng)沖擊載荷所具有的在短暫時間尺度上發(fā)生載荷顯著變化，同時也意味著高應(yīng)變率，XTDIC系統(tǒng)所測得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，是研究紅砂巖材料試件動態(tài)力學(xué)特性的重點。

在霍普金森桿動態(tài)荷載下，材料力學(xué)性能與加載率顯著相關(guān)。高幅值短持續(xù)時間脈沖荷載，會引起材料力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)，對于抗動載的高鐵、高速公路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析是非常重要的。

數(shù)值模擬，已在工程設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，進(jìn)行數(shù)值模擬的前提，是要獲取紅砂巖材料在高速沖擊載荷下的應(yīng)變參數(shù)；利用霍普金森桿拉伸實驗，有助于紅砂巖土材料的數(shù)值模擬，助力材料的工程設(shè)計和工程應(yīng)用。