SHPB 試驗裝置源於 1914 年 Hopkinson 所設計的一種壓桿，且經 Davies、Kolsky 和 Lindholm 等修改才漸趨完備，並在 1968 年 Kumar 首次以 SHPB 裝置進行岩石動態強度試驗，
而到了 1972 年 Christensen 成功研發岩石三軸 SHPB 裝置，可以在不同圍壓下進行岩石動態 衝擊試驗，SHPB 試驗正式走入岩石力學的試驗世界。
SHPB 原理非常簡單，其係於輸入與輸出桿上黏貼應變計(圖 4-1)以擷取衝擊桿撞擊在 輸入及輸出桿上所產生之入射波(incident wave,vi)、反射波(reflected wave,vr)以及穿射波 (transmitted wave,vt)，如圖 4-2 所示。
依據單向彈性波傳理論以及假設界面上的速度和應力滿足連續條件，並且假設岩樣的波
包括依據 CNS 5090 土壤比重試驗、CNS 11776 土壤粒徑分析、CNS 5087 土壤液性限度、
CNS 5088 土壤塑性限度試驗與塑性指數決等，基本物性試驗所得結果如表 4-1 所示。從表 可得知含水量為 0%~25.03%之間，比重G 約為 2.70，再依據 CNS 486 粗細粒料篩析法求得s 粒徑分佈曲線如圖 4-3、4-4 所示。
另外爲探討泥岩的動態特性，在 SHPB 試驗機上分別進行靜態三軸壓縮與動態三軸衝 擊試驗。試驗項目如表 4-2 所示。表 4-2 中試體編號意義如下：cxxwyyazztpp 分別代表圍 壓 xxkg/cm2，初使含水量 yy%以及空氣槍室內氣壓 zzkg/cm2，而 pp°c 則為試體溫度，其中 若 pp=N，代表常溫下進行試驗。
SHPB 試驗步驟如同傳統 UUU 三軸試驗，惟於最後軸差應力剪斷時係改以衝擊載重加載。
4.2.2 SHPB設備簡介
根據傳統 SHPB 的基本原理，本實驗室自行設計建立了一套霍普金森壓桿裝置系統，並 研製了相應的電路測量系統，配備了相關的硬體設備，編寫了相應的資料處理軟件。整個實 驗裝置及擷取系統簡圖如圖 4-5、4-6 所示，主要包括﹕三軸室、輸入桿、輸出桿、空氣槍 以及吸能室等機構，另外尚有衝擊頭、測速感測以及快速擷取、伺服油壓機、機台等附屬設 備。至於温度效應試驗之研究，本文系在三軸室、輸入桿、輸出桿處加上加熱裝置(heater )，
並利用溫度感測器及控制器加以控制，如圖 4-1 以及 4-5(b)所示。
4.2.3 壓桿系統
壓桿是實驗裝置中最為重要的部分，壓桿材料的選擇、尺寸的確定一般需要綜合考 慮以下幾個方面的因素：
輸入桿與撞擊桿材料相同時，撞擊桿的長度 L 決定了入射應力脈衝的寬度入，具體為：
X=2L；輸入桿的長度應遠大於撞擊桿長度的兩倍，這樣保證可以獲得完整的入射波形和反射 波形；輸出桿的長度應保證其端面反射回來的卸載波不會干擾透射信號的量測；壓桿的直徑 D 應遠小於入射應力脈衝的寬度λ，一般至少有λ>>5D，這樣可以保證桿中一維應力波的傳 播，從而可以忽略橫向慣性效應的影響。
壓桿的的材料有兩種：鋼桿和鋁桿，分別用來測試硬質和軟質材料的動態壓縮力學性
能。壓桿直徑都為 5cm，主要因大部分地質鑽探鑽孔的大小直徑都為 5cm 原狀的試樣大小。
然而，由於本試驗樣品為深岩屬於軟岩性質，故實驗壓桿與衝擊頭使用鋁質材料，壓桿直徑 為 50cm，輸入桿和輸出桿的長度分別為 2500mm 和 2000mm。輸入桿受衝擊端與衝擊頭形 狀埰用錐型形式，衝擊頭長度為φ50×L400mm 和 15 度。鋁質壓桿的彈性波速可用C= Eρ 求得，其中 E 為桿的彈性係數，ρ為桿的密度，桿質為相同的材料，本文鋁桿 E=0.799×
106kg/cm2，ρ=2.59g/cm3，推知 C=5500m/s。
衝擊頭形狀分別有圓柱型和錐形兩種形式，選用不同衝擊形狀的衝擊頭可以根據實驗的 需要得到不同寬度的加載波形，衝擊頭長度為φ50×L400mm 和 15 度錐度的φ50(與空氣槍撞擊 處)φ28(與輸入桿撞擊處)×L475mm(圖 4-7)，。另外，在衝擊桿加了若干個 Oring 環，Oring 環的內徑和外徑分別與撞擊桿的直徑和發射管的內徑相同。將 Oring 環套在撞擊桿的前後兩 端，這樣不僅保證了撞擊桿能夠撞擊輸入桿端面的中心位置，減小了撞擊桿與發射管之間的 摩擦。
吸能室主要用來吸收來自輸出桿的動能，削弱和延緩二次波載入效應，可以防止輸出桿 端面反射回來的卸載波干擾正常的透射信號。為了避免撞擊過程中壓桿跳起，同時為了保證 桿的軸向撞擊，在壓桿的軸向方向上用一排三點式套筒固定(圖 4-8)。套筒內採用軸承，這 樣減少了與桿之間的摩擦，使得桿在撞擊過程中能夠幾乎在無摩擦力的狀態下快速移動。
4.2.4 量測速度系統裝置
利用簡單的保險絲通電、斷電方式來測得衝擊速度，係當單蕊細線連接起像保險絲般搭 接成通電階段，即可由擷取系統獲得其當時電壓，如圖 4-9 所示。當彈體通過安全護彈套筒 閘門時，此時如保險絲般裝置的單蕊線便會斷掉，其電壓馬上下降形成斷電無電壓階段，在 其中數據整理分析後可獲得知道彈體的飛行時間、距離，方可計算出達到所設定之壓力所發 射出的彈體的發射速度、速率，使能便利畫出應力-應變-速率的關係。
4.2.5 測試中的應變片及數據擷取系統
為了測試 SHPB 入射桿衝擊下的高速加載的效果和確定試樣破碎時間，考慮到破碎尖端 附近的高應變梯度，所以本實驗桿上應變波形的量測採用惠斯登電橋原理來量測應力-應變 歷時的關係形式，應變片採用精密半導體形式的應變片，電阻值平均在 1KΩ，其主要是利 用電橋的特性來測量應變電阻的變化。若當處於平衡狀態的電橋之任意橋臂電阻發生變化
時，電橋的負載上均有信號輸出。輸出電壓的變化與任意橋臂電阻的變化呈線性關係。進一 步，當對稱臂的電阻同時變化時，輸出電壓的變化是這兩臂變化的線性疊加。利用這一特性，
本研究將兩個應變片加到電橋對稱臂上進行測量。再經自行研製設計的快速放大和濾波器 (圖 4-10)量測得到輸入與輸出桿上的應力-應變關係。並利用本研究室開發之擷取軟體(圖 4-11)，作即時監控及紀錄，以調整空氣槍所需的壓力施加。
4.2.6 試驗步驟
本研究所進行 SHPB 試驗步驟流程，如圖 4-12 所示。其重要程序說明如下：
(一)三軸 SHPB 試驗
1. 飽和試體：首先將鑽心試樣整平，並將其裝於 SHPB 三軸室內，裝置橡皮膜，再加以 飽和（UUU 試樣則未加飽和）。
2. 壓密：將試體以不同圍壓加以壓密（UUU 試樣則未壓密）。不同衝擊能量以衝擊試樣，
而且由 A/D 快速擷取測輸入、輸出桿之應變計阻抗。
3. 衝擊：先在氣槍管室以電磁閥控制進、洩氣壓及發射撞擊桿，用以控制不同衝擊能 量以衝擊試樣，而且由 A/D 快速擷取測輸入、輸出桿之應變計阻抗。
4. 數據分析：以數位濾波器在濾波，並分析不同圍壓下，泥岩的應力—應變—應變速 率關係，並加以討論。
(二) 溫控 SHPB 單軸試驗
1. 裝置試體：首先將鑽心試樣整平，並將其裝於 SHPB 三軸室內，裝置橡皮膜。
2. 加熱：設定控制箱溫度, 本次試驗約採 30oC、50 oC、70 oC 等三種溫度。再由設置在 試體端的溫度感測量測之溫度監視，當試體溫度達設定溫度時，即進行衝擊荷重試 驗。
3. 衝擊：先在氣槍管室以電磁閥控制進、洩氣壓及發射撞擊桿，用以控制不同衝擊能 量以衝擊試樣，而且由 A/D 快速擷取測輸入、輸出桿之應變計阻抗。
4. 數據分析：以數位濾波器在濾波，並分析不同圍壓下，泥岩的應力—應變—應變速 率關係，並加以討論。
4.3 撞桿彈性模數之率定
2. 儀器介紹：切割的試體給予蓋平，將試體上、下端放置墊塊後，墊塊下方放置油壓千斤 D1 c2.5w5a2.5tN 48.9Φ×50 2.14 25.03 22.04(m/s) D2 c5w5a2.5tN 48.8Φ×50 2.14 4.6 22.04
D8 c5w10a5tN 49Φ×50 2.26 10.31 32.39 T1 C0w0a2.5t31.5 49.8Φ×50 2.01 0 22.04(m/s) T2 C0w0a2.5t50.3 50.8Φ×50 2.02 0 22.04 T3 C0w0a2.5t69.2 50.8Φ×50 2.16 0 22.04 T4 C0w0a5t33.3 51.5Φ×50 2.02 0 32.39 T5 C0w0a2.5t50.1 50.5Φ×50 2.03 0 32.39
動態圍壓
( 溫度
) T6 C0w0a2.5t69.0 50.3Φ×50 2.02 0 32.39
附註：S1、S2 因橡皮膜破裂而含水量過高的試體
表 4-3 鋁質撞桿 E 値
編號 E1 (R12) E2 (R22) E3 (R32) E(AV) (S) E (S) Al1 816421(0.98) 796281(0.9978) 801501(0.9991) 804451(0.989)
Al2 794688(0.9944) 793102(0.9905) 795296(0.989) 793557(0.9904)
798711(0.9907)
圖 4-1 SHPB 試驗裝置 IPC AD/DA
Pressure Control System Pressure Control System Strike Bar Input Bar Output
Triaxial Cell
Strain gage
Dashpot Specimen
Thermal control
圖 4-2 SHPB 原理
Transmitter bar Incident bar
Specimen
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00
0.01 0.1
1 10
Nominal Diameter(mm)
Passing Percentage(%)
圖 4-4 泥岩粒徑分佈曲線(6~7m，12%含水量)
圖 4-5(a) 自研發 SHPB 試驗儀(不含溫控) Triaxial Cell
Dashpot
Output bar
Input bar
Strike Bar
圖 4-5(b) 自研發 SHPB 試驗儀(含溫控)
圖 4-6 擷取系統 Thermal control
圖 4-7 兩種形式之衝擊頭
圖 4-8 三點式套筒固定裝置
圖 4-9 測速裝置
圖 4-10 放大濾波器
圖 4-11 擷取軟體套件
試體整備
裝置試體於三軸室內
飽和試體
壓密
氣槍試進氣電磁控制 壓力大小
洩氣發射撞擊桿 電磁閥控制
快速擷取資料
數據分析 氣乾或原狀
ＵＵＵ試驗
溫控加溫
圖 4-12 試驗程序
圖4-13 壓感應利率定(X(V)，y(kg/cm2) stress(kg/cm2)
volts Gage on Output Bar
線性 (Gage on Output Bar) 線性 (Gage on Input Bar ) 線性 (Gage on Input Bar )
Pressure(kg/cm2)
Velocity(m/s)
五、試驗結果
本文為探討不同加載壓力下泥岩動態之力學行為，首先自行研發 SHPB 試驗機，並用以 研究不同圍束壓力、不同含水量以及不同溫度作用下，其靜、動三軸強度行為。茲就試驗結 果討論如下：
5.1 靜態試驗結果
為了與動態 SHPB 試驗參考對照其差異性關係，所以切取整平φ5×10cm 泥岩試樣，且作兩 不同含水量與圍壓之單壓強度以及三軸試驗，其結果如表 5-1 所示。由表可知，隨著含水量 增加泥岩的單壓強度分別由 W=4.07%時之 32.62kgf/cm2降至 W=7.95%時之 21.02kgf/cm2。另 外，隨著圍壓增加，則其軸差強度有增加之現象。
5.2 動態試驗結果
5.2.1 壓桿的應力與歷時
經由輸入與輸出桿上黏貼應變片而可獲得輸入桿的入射應力波與反射應力波，而從輸出 桿可求得穿射應力波，如圖 5-1~圖 5-4 所示。由圖可知輸入桿的入射應力波上升段約有 200 sμ 附近，而此時間已足夠使試體達到應力均勻。茲就不同圍壓、不同含水量、不同加載 速度以及不同溫度作用下，壓桿的應力與利時曲線特性討論如下：
1.圍壓效應：
從圖 5-1 得知入射波與圍壓成正比關係，當圍壓越大入射波應力越大，而穿射應力波亦 會隨圍壓而增加，顯示圍壓具有使泥岩強度增強之作用。
2.濕度效應：
由於泥岩具有親水性，其力學性質極容易受水影響，而由圖 5-2 考察可知，含水量越 大入射、反射與穿射應力波均有變小之情況。換言之，泥岩動態強度會隨泥岩含水量增加而 減少。
3. 加載速度效應：
衝擊速率之影響可由(4-11)式得知空氣槍空氣壓越大衝擊頭的衝擊速度越快，由該式可
知氣壓 2.5kg/cm2與 5 kg/cm2之衝擊速度分別為 22.04m/s 與 32.39m/s。因此從圖 5-3 觀察
知氣壓 2.5kg/cm2與 5 kg/cm2之衝擊速度分別為 22.04m/s 與 32.39m/s。因此從圖 5-3 觀察