1、第 5 卷第 3 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.3 2023 年 6 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING June 2023 033012-1 卢俊平，王远，刘磊，等.热处理后花岗岩动态拉伸特性及能量耗散研究J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(3)：033012.LU Junping，WANG Yuan，LIU Lei，et al.Study on dynamic tensile properties and energy dissipation of granite after thermal treat
2、mentJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(3)：033012.热处理后花岗岩动态拉伸特性及能量耗散研究 卢俊平1，王 远2，刘 磊2，张成良2，何 童2 (1.中铁二十五局集团第二工程有限公司，江苏 南京 210046；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)摘 要：为研究热处理后花岗岩动态拉伸特性及能量耗散规律，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置，分别对常温(25 )和经历200800 热处理后的花岗岩试样进行组冲击速度下的动态劈裂拉伸试验，探讨温度、冲击速度与花岗岩动态拉伸强度及能量
3、之间的关系。结果表明：在冲击速度一定时，随着温度的增加，试样拉伸强度整体呈下降趋势；在温度一定时，试样的动态拉伸强度随着应变率的增加逐渐增大；试样的耗散能在劈裂荷载作用下经历个阶段：压密阶段、弹性阶段、屈服损伤阶段、完全破坏阶段，且温度越高，用于试样破坏的能量越少，耗散能、能耗密度下降幅度越大；试样的破坏形态对温度的敏感程度高，即随着温度的升高，试样破碎程度加剧，碎块对称性消失，楔体效应更明显，塑性增强。关键词：热处理；SHPB；动态拉伸强度；能量耗散 中图分类号：TU451 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)03-3012-10 Study on dynamic ten
4、sile properties and energy dissipation of granite after thermal treatment LU Junping1，WANG Yuan2，LIU Lei2，ZHANG Chengliang2，HE Tong2(1.The Second Engineering Co.，Ltd.of CR25G，Nanjing 210046，China；2.Faculty of Land Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Chin
5、a)Abstract：To study the dynamic tensile properties and energy dissipation of granite after thermal treatment，the split Hopkinson pressure bar(SHPB)device was used to conduct three groups of dynamic splitting tensile tests on granite samples after heat treatment at room temperature(25)and 200-800，res
6、pectively.The relationships between temperature，impact speed and dynamic tensile strength and energy of granite were discussed.The results show that when the impact speed is constant，the tensile strength of the sample decreases as the temperature increases.At a certain temperature，the dynamic tensil
7、e strength of the specimen increases gradually with strain rate.The dissipation energy of the specimen under the splitting load can be categorized into four stages：compaction stage，elastic stage，yield damage stage，and complete failure stage.It has been observed that as the temperature increases，less
8、 energy is required to cause specimen failure.Furthermore，the range of dissipated energy reduction and energy consumption density decrease gradually with increasing temperature.The failure characteristics of the sample exhibit a high sensitivity to temperature variations.Specifically，as the temperat
9、ure increases，the degree of sample fragmentation intensifies，the symmetry of the resulting fragments diminishes，the wedge effect becomes more pronounced，and the overall 收稿日期：2022-10-12 修回日期：2023-03-16 责任编辑：李 青 基金项目：国家自然科学基金资助项目(11862010)作者简介：卢俊平(1986)，男，河北唐山人，高级工程师，主要从事工程技术研发及管理等方面的工作。E-mail： 通信作者：刘
10、磊(1981)，男，安徽宿州人，副教授，博士，主要从事工程爆破及岩石力学等方面的研究工作。E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.2023.03.003 卢俊平等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.3(2023)：033012 033012-2 plasticity of the sample is enhanced.Key words：thermal treatment；SHPB；dynamic tensile strength；energy dissipation 随着国内浅部地下煤炭、矿产资源的日益枯竭，地下资源的开采已逐步转向深部地层1。然而，在深部岩体
11、工程中，深部岩石不仅受高地应力、高地温的影响2，而且还会受到爆破、机械开挖和岩爆等动力扰动，使岩石内部发生损伤，从而造成深部岩体工程的整体失稳。此外，工程中的岩石材料还可能会经历高温、冷却的变化过程，如地热开发中钻井围岩在钻井液的影响下快速降温的过程、矿山巷道遭遇火灾等突发性高温灾害的情况，以及灭火过程中围岩的快速冷却过程等。岩石内部温度急剧变化会产生温度应力，进而对岩石造成损伤3。而岩石作为一种典型的脆性材料，其抗拉强度远远小于抗压强度4，在受到动荷载作用后常发生张拉破坏。因此，对高温热处理后岩石的动态拉伸特性展开研究具有十分重要的工程意义。目前，国内外学者利用间接拉伸方法对热处理后岩石的动
12、态拉伸特性展开了大量研究，刘石5等对高温后大理岩开展了动态巴西劈裂试验，试验结果表明在相同加载条件下，大理岩动态拉伸强度随着温度的升高呈先增大后减小的趋势；黄彦华6等研究了温度对花岗岩物理力学特性的影响，结果表明随着温度的升高，花岗岩的拉伸强度呈先增大后减小的趋势；YIN T B7等通过微观角度对花岗岩动态拉伸强度随温度的变化规律做出了相应解释；YAO W8等利用试验数据，建立了龙游砂岩的动态拉伸强度与加载速率和温度之间的关系。在岩石的动态拉伸特性及能量耗散的综合研究方面，平琦9等对砂岩试样在动态拉伸过程中的能量特征进行了分析与研究，表明试样吸收的能量随着应变率的增大而增大；曹丽丽10等对煤系
13、砂岩进行了动态巴西圆盘试验，发现砂岩破坏所需耗散能随着加载速率的增大而增大；刘运思11等研究了层状板岩的破坏特征与能量耗散规律，结果表明加载速率越大，岩体耗能密度越大，所吸收的能量越多。上述对岩石的动态拉伸特性及能量耗散的综合研究主要集中在常温岩石方向，而对于不同温度热处理后岩石的动态拉伸特性及能量耗散的研究鲜少涉及，因此笔者利用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统，对热处理后花岗岩的动态拉伸特性及能量耗散规律进行研究，探讨了温度、冲击速度与动态拉伸强度及能量之间的规律，为深部岩体工程的稳定性研究提供一定的参考。1 试验概况 1.1 试样制备及热处理 试验所用花岗岩均质性较好、外观无明显裂隙。根
14、据国际岩石力学学会(ISRM)的标准12，将花岗岩岩块加工成50 mm25 mm巴西圆盘试样(图1)，并控制试样高度误差在0.03 mm范围内。25 200 400 600 800 图1 热处理后花岗岩试样 Fig.1 Granite sample after heat treatment 根据学者们对花岗岩温度损伤的研究成果13-14及预试验结果，利用KRX-17B箱式电阻炉(图2)，将加工完成的试样分别进行5个温度级别(25，200，400，600，800 )的热处理。为使试样受热均匀，将升温速率设置为2/min。待加热至目标温度值后，保持恒温1 h，随后自然冷却至室温。花岗岩试样经历不同
15、温度处理后的表观特征如图1所示，其基本物理力学参数见表1。1.2 SHPB试验装置与基本原理 本次试验利用昆明理工大学50 mm分离式霍普金森压杆试验系统对花岗岩动态拉伸力学性能开展研究，试验设备如图3所示。该设备主要由加 卢俊平等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.3(2023)：033012 033012-3 图2 KRX-17B箱式电阻炉 Fig.2 KRX-17B box type resistance furnace 表1 热处理后花岗岩基本物理力学参数 Table 1 Basic physical and mechanical parameters of granite a
16、fter heat treatment 温度/密度/(gcm-3)静态抗压强度/MPa 静态拉伸强度/MPa 25 2.61 70.21 10.77 200 2.57 78.78 8.40 400 2.52 62.72 6.01 600 2.51 38.21 5.56 800 2.50 29.99 1.93 载装置、应力传递装置和数据处理系统3个部分组成，其中入射杆、透射杆均由密度7.81 g/cm3的40Cr高强度合金钢构成，其基本物理参数为：长2 m，纵波波速5 100 m/s，弹性模量210 GPa。动态应变仪数据处理装置吸收杆应变片3/4号应变片1/2号透射杆垫块试样入射杆速度测试仪纺锤型子弹动力加载装置氮气瓶 图3 SHPB试验装置 Fig.3 SHPB test device 在岩石动态巴西劈裂试验中，可运用三波法计算岩石动态抗拉强度15，即 2tPDH=(1)式中，t为动态抗拉强度，MPa；P为试样两端压杆作用有效荷载，N；D，H分别为试样的直径和高度，mm。基于一维应力波理论16，花岗岩试样两端压杆作用有效荷载可表示为()1222irttAEAEPPPAE+=(2)式中
