Page 64 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 黄耀莹，等： 实时高温作用下花岗岩冲击压缩力学特性研究 第 2 期

to be round. The peak stress of specimens increases first and then decreases with the increase of temperature, reaches the
strength threshold at 200 ℃, and then decreases continuously. The dissipated energy per unit volume of rock has a positive
linear correlation with the loading strain rate and a quadratic function with the temperature, which shows a good fitting effect.
The content fluctuation and phase change of the three main mineral components of quartz, mica and feldspar lead to the
gradual deterioration of the dynamic strength of granite after 200 ℃.
Keywords: real-time high temperature; granite; SHPB; energy dissipation; XRD

地下空间与岩体隧道火灾事故的峰值温度可达 1 000 ℃ [1] 以上，岩体受热后力学特性改变，极易威
[2]
胁工程安全；干热岩地热资源开采过程中，岩石长时间承受高温（150～650 ℃ ）造成的热损伤，物理力学
[3]
性能有所改变；石油第三次开采过程中，使用热力采油 、火烧油层等技术降低油气黏度，提高石油采收
率，其所在岩层也因受热改变力学性能。此外在隧道爆破开挖 、矿山安全、建筑安全等行业中也需要
[4]
考虑岩石在实时高温与动荷载耦合作用下的力学特性。因此，研究实时高温环境中岩石的动力学特性
变化具有重要工程意义。
温度对岩石力学性能的影响研究广泛开展于 20 世纪 70 年代后，学者们从纵波速度、单轴抗压强
度、裂纹发育等不同角度，对热处理岩石力学特性进行了试验研究。研究发现，在高温环境中，岩石单轴
[8]
[7]
强度表现出明显软化效应 [5,6] ，这是由于温度升高导致矿物颗粒胶结处开裂 ，促进岩石内部裂纹发育 。
随着研究深入，更多学者发现，花岗岩热损伤效应存在门槛温度：赵阳升等 [9-10] 对高温冷却后的花岗岩进
行了宏观力学特性、细观结构及渗透性等多方面试验研究，发现 200 ℃ 下花岗岩热裂纹数量较少，300 ℃
以上时裂纹数量迅速增多、尺寸增大；张静华等 [11] 和王靖涛等 [12] 对花岗岩临界应力强度因子的温度效
应进行了研究，发现花岗岩断裂韧度随温度变化存在一门槛温度 200 ℃。受限于试验设备，已有研究多
围绕高温冷却后的岩石开展试验，随着技术进步，近年来有学者对实时高温下的岩石力学特性展开研
究：Yin 等 [13-14] 和王超等 [15] 运用带有加热装置的电液伺服材料试验机对热处理后和实时高温花岗岩、砂
岩等进行了静力与动力试验，结果显示，实时高温下花岗岩脆-延转变的临界温度更低，压密阶段更长，砂
岩纵波波速在 200 ℃ 以前降幅较小，200 ℃ 以后急速下降；许锡昌等 [16] 对高温下花岗岩力学性质进行了
研究，发现 200 ℃ 为单轴抗压强度劣化的门槛温度。现有实时高温动力学试验主要通过将试件加温至
目标温度后，转移至相同温度下的管式加热炉中进行冲击试验 [17-18] 来完成，但管式加热炉会使杆件同步
升温，影响杆件屈服强度并带来无法避免的试验误差。
综上，已有研究工作多集中于静力-温度耦合下的岩石力学特性，且现有实时高温动力学试验受限
于试验条件，误差较大，热-力耦合岩石动力学特性研究仍有待深入。因此，本文以岩体隧道爆破开挖为
工 程 背 景 ， 以 川 藏 铁 路 色 季 拉 山 施 工 区 域 加 里 东 期 花 岗 岩 为 实 验 材 料 ， 利 用 霍 普 金 森 压 杆 （ split
Hopkinson pressure bar, SHPB）及同步高温炉对不同温度下的试件进行冲击压缩试验，研究热-力耦合作用
下花岗岩试件的力学特性、破碎分形、能量耗散规律，基于粉晶 X 射线衍射对试件进行矿物成分分析，
研究矿物成分变化与花岗岩动力学强度的内在关联，为实际工程设计提供理论依据与参考。

1 试验设备与方法

1.1 花岗岩试件制备
本文中以川藏铁路某隧道施工区域花岗岩
为研究对象，该花岗岩以灰白色为主，成分主要
为石英、长石及黑云母等。SHPB 动力试验的试
件尺寸选取一般满足 0.5≤d/h≤1，为确保加热过
程中试件受热均匀，根据 GB/T 50266-2013《工程
岩体试验方法标准》规范要求并结合实际试验条

件 ， 将 花 岗 岩 加 工 成 直 径 48 mm、 高 度 25 mm 图 1 标准花岗岩试件
的圆柱体标准试件，如图 1 所示。 Fig. 1 Standard granite specimens

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