静水压下热损伤大理岩动态拉伸特性研究

夏开文，蔡英鹏，徐 颖，王 帅，潘永庆

静水压下热损伤大理岩动态拉伸特性研究

夏开文1, 2，蔡英鹏1, 2，徐 颖1, 2，王 帅1, 2，潘永庆3

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学建筑工程学院，天津 300350；3. 中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130021)

处于高温高地应力等复杂地质环境下的深部围岩，可能遭受爆破、地震等动态荷载影响，在岩石工程开挖区附近多导致张拉破坏，因此，研究热损伤岩石在不同地应力条件下的动态拉伸特性，在深部岩石工程中具有重要意义．选取均质细粒房山大理岩，利用自主研发的多功能分离式霍普金森压杆(SHPB)系统，进行4种温度(25℃、250℃、450℃、700℃)损伤梯度下，4种静水压环境(0MPa、5MPa、10MPa和20MPa)下，房山大理岩巴西圆盘试样动态加载试验．研究结果表明：①随着温度的增加，房山大理岩内部微裂纹增多，矿物成分由CaMg(CO3)2向CaCO3和MgO转变，密度和波速均随着损伤温度的增加而逐渐降低；②静水压条件下试样拉伸应力曲线呈现为双峰特征，这主要是由于侧向围压的存在抑制了试样的劈裂，使试样拉伸破坏后继续承载造成的；③在固定围压环境下，各温度梯度下热损伤大理岩的动态拉伸强度均具有明显的率相关性；同时动态拉伸强度随着温度的升高而明显降低；④在固定温度下，围压的存在明显提高了房山大理岩动态拉伸强度，但拉伸强度的增幅随着围压的增加而减弱．此外，当试样的热处理温度超过450℃后，动态拉伸强度的围压效应小于25℃和250℃热处理情况．这可能与高温处理后的岩石在高围压状态下发生了脆性向延性转变有关．

深部岩石动力学；热损伤；动态拉伸强度；分离式霍普金森压杆；房山大理岩

岩石是构成地球的基本材料，地球上99%的岩石都处于600℃和1GPa以上的高温高压状态[1]．此外，岩石作为一种准脆性材料，其抗拉强度远远小于抗压强度，在深部地下岩石工程中，巷道变形失稳、岩爆等一些受动力扰动后地质灾害的发生往往由岩石的张拉破坏造成．随着深部岩石开采深度的增加，岩层地应力提高，温度上升，深部岩体表现出与浅部不同的力学特性[2-3]．此外，处于高温高地应力等复杂地质环境下的深部岩石工程，在受到爆破、地震等动态荷载作用后，在开挖区附近多导致张拉破坏．因此，对高温高压状态下岩石的动态拉伸特性展开研究具有重要意义．

目前，研究岩石拉伸特性的方法有两种：直接拉伸方法和间接拉伸方法．由于直接拉伸相较于巴西圆盘劈裂试验，存在操作复杂、费时费力、经济性差以及试验过程中容易造成样品一端应力集中和破坏等缺点[4]，巴西圆盘劈裂试验逐渐成为岩石动态拉伸强度测试标准方法[5-6]．鉴于岩石拉伸特性对于地下岩石工程建设具有重要意义，国内外大量学者不仅高度关注其静态特性，对于岩石的动态拉伸强度也逐渐引起广泛重视[5,7-10]．在温度对岩石动态拉伸特性影响方面，刘石等[11]对高温损伤后大理岩进行了巴西圆盘劈裂试验，指出高温后大理岩的动态劈裂破坏形式受到冲击加载速率和温度的共同影响；黄彦华等[12]针对高温后含预制缺陷岩石的裂纹扩展特征进行了研究，通过对花岗岩圆盘试样预制孔洞并进行巴西圆盘劈裂试验，探讨了温度和孔洞分布对花岗岩的物理、力学特性及裂纹演化特征的影响；Yin等[13]研究了热处理对劳伦特花岗岩物理性能和抗拉强度的影响，发现随着加热温度升高，试样密度、纵波波速和静态拉伸强度均减小，而动态拉伸强度先升高后降低，并从矿物成分及微裂纹角度对上述现象做出了相应解释；Yao等[14]开展了考虑温度和加载率等因素影响的巴西圆盘试验，建立了关于龙游砂岩动态拉伸强度随温度、加载率变化的本构模型，并进一步利用X射线、CT技术及图像处理技术，对龙游砂岩温度损伤程度给予跟踪描述及量化表征．

深部岩石工程中的围岩不仅受到温度的影响，更重要的是受到地应力的作用[1,15]．夏开文等[3]将深部岩石力学试验中试样的围压状态分为4种类型：轴向围压、侧向围压、静水压和三轴围压状态．在侧向围压对岩石动态拉伸特性影响方面，袁超[16]、刘世奇[17]进行了花岗岩试样侧向围压下动态直接拉伸试验，试验结果显示：对于同一侧向压力，花岗岩的抗拉强度与直接拉伸弹性模量随应变速率增加而呈现增加趋势；对于同一应变速率，其抗拉强度与直接拉伸弹性模量随侧向压力增加而呈现递减趋势．Wu等[15]对花岗岩巴西圆盘试样施加静水压约束，探讨了岩石动态拉伸强度随静水压(最高20MPa)变化的演化规律. 夏开文等[18]通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度，结果表明：动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加，同时，在相同加载率下，动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小，而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关．李夕兵等[2]在国内较早开展了温压耦合作用下岩石的动态力学特性研究，对20～300℃和不同轴向静压作用下粉砂岩的动态压缩强度进行研究，探究了温压耦合作用下岩石的动态强度变化规律．

综上所述，众多学者对温度和应力作用下岩石的动态拉伸特性进行了大量研究．但是由于受到加载装置的限制，在模拟地应力条件下的动态拉伸试验中，仅能实现对样品的轴向加载[19]，而难以实现围压加载，因此对于围压作用下热损伤岩石的动态拉伸特性的研究依然不够系统．而且，当前的研究多集中于温度或轴向应力单方面对岩石动态拉伸特性影响，缺乏综合考虑二者影响的研究．深部岩石工程中围岩尤其是处于深部硐室远场区的岩石多处于高温高地应力状态，因此有必要对围压状态下热损伤后岩石的动态拉伸特性展开系统研究．笔者通过自主研发的带围压功能的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)系统，对不同静水压条件下热损伤大理岩的动态拉伸特性进行系统研究，探讨不同温度损伤、不同地应力条件下大理岩动态拉伸破坏演化规律，为深入开展深部岩石动力学的研究提供一定理论依据．

1 试样制备

1.1 试样的选取与制备

试验样品为细颗粒大理岩，取自北京房山地区，俗称汉白玉．不仅在深部地下工程如隧道开挖、矿冶爆破中会经常遇到大理岩，且由于该种岩石其均质性和完整性较好，还广泛用于建筑物的基础，如历史建筑和桥梁装饰．目前，国内外学者对房山大理岩进行了大量相关研究，其主要矿物成分和物理力学性质相对明确[20-22]．本试验选取均匀完整的房山大理岩石块，参照国际岩石力学与工程学会(ISRM)推荐方法[5]以及中国爆破行业协会标准《岩石材料巴西圆盘试样动态拉伸强度测试方法》(T/CSEB 0001—2018)[6]的相关要求，将房山大理岩石块制成48mm×24mm圆盘状试样，并对所有试样端面进行剖光．加工后大理岩试样如图1所示，试样的基本物理力学参数见表1[20]．岩石样品的水分来源于吸附空气中游离的水分子．由于岩石从完整均质岩块上取样，除温度处理不同外，其他加工、制备、储藏条件均一致，故认为各级温度处理试样初始含水率一致．

图1 典型大理岩圆盘试样(450℃)

表1 大理岩基本物理力学参数

Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of marble

1.2 试样热处理

依据前人对大理岩温度损伤研究成果及大理岩经历不同温度损伤的变化情况，选取了4个级别温度(25℃、250℃、450℃、700℃)对试样进行热处理．温度加载试验在天津大学岩石力学实验室GWL 1200℃高温电炉中完成．为避免热冲击造成的不均匀损伤，将加热速度控制在2℃/min．当炉温达到设定温度后，保持恒温120min，再自然冷却至室温．

大理岩在不同温度处理阶段具有不同的热损伤过程[20]．利用天津大学岩石力学实验室自备的电子天平、游标卡尺及声波测速仪，分别测量各级温度损伤后试样的质量、体积和纵波波速，得到房山大理岩密度和波速随温度损伤变化曲线，如图2所示．可以看出，随着处理温度的提高，大理岩密度和波速均呈下降趋势．试样经过250℃高温后，密度有微弱下降，幅度为0.148%，主要是因矿物内部的结晶水析出所致；经过450℃温度损伤后，密度进一步降低，降低幅度为0.633%，相较于250℃下降幅度有所增加，分析认为，大理岩在450℃经历了内部各种矿物的不均匀膨胀，导致岩石内部微裂纹增加，体积有所增大，密度降低．当热处理温度为700℃时，密度大幅降低，幅度高达3.944%．

波速随着温度的下降趋势则与密度相反，250℃时，波速大幅降低，幅度为52.6%；当处理温度超过450℃时，波速降低幅度逐渐减小．各级温度荷载下的波速相较于常温状态，分别下降52.6%、69.8%和79.4%．

由图2可知，当热损伤温度小于等于450℃时，岩石的纵波波速下降较密度明显，分析认为上述损伤阶段主要为试样内部微孔隙的增加，而纵波波速相较于密度对微孔隙增加反应更加敏感，故纵波波速比密度下降更加明显．而试样经过700℃温度损伤后，密度急剧降低，而波速降低幅度有限．这是由于试样内部矿物成分发生化学反应，比如CO2的释放而导致样品质量减小，同时样品的体积基本保持不变，所以这种改变对密度影响更为显著．

图2 不同温度下大理岩密度与纵波波速曲线

通过XRD物相分析不同温度下试样的矿物成分变化．常温条件下该大理岩试样的主要矿物成分为白云石(97%)，含少量石英(3%)，检测结果如图3(a)所示．图3(b)则展示了不同温度损伤后的大理岩XRD图谱，可以看出随着处理温度的增加，试样中主要矿物CaMg(CO3)2发生分解，含量逐渐降低，说明白云石含量逐渐降低；当处理温度达到700℃时，试样内部主要矿物白云石的特征峰消失，其主要矿物成分为MgO和CaCO3，这是由于CaMg(CO3)2在700℃时发生分解产生CO2所致，这也是导致试样密度明显降低的原因[23-24]．

图3 大理岩XRD分析结果

2 试验装置与方案

2.1 试验装置

作为国际岩石力学学会推荐的岩石动力学标准测试装置，分离式霍普金森压杆(SHPB)已成为测试岩石各种动态力学参数的主要工具[5-6]．试验采用天津大学岩土工程研究所自主研发的50mm多功能分离式霍普金森压杆系统进行动态加载试验[25]，该系统由发射系统、杆件系统、围压装置、轴压装置及信号记录系统组成[26]，试验装置如图4所示．该系统所有杆件材质均为马氏体钢，弹性模量211GPa，纵波波速5280m/s．入射杆、透射杆分别长3.0m和1.8m，吸收杆长0.5m，子弹长0.35m．围压装置由围压缸、轴压缸和液压油泵组成，围压缸最大工作压力60MPa[26]．

图4 SHPB系统示意

在试验过程中，改变子弹发射所需的气压实现对样品不同冲击速度的动态加载；通过改变轴压缸和围压缸的油压值，实现对样品不同静水压状态的加载．为保证样品能够维持在入射杆和透射杆之间，轴压缸的加载要略高于围压缸的加载值．信号记录系统包括粘贴在透射杆、入射杆以及试样端面上的应变片、应变放大器以及可以实时同步记录储存信号的示波器．

为避免空气中的水分和围压缸内的液压油渗入试样孔隙，影响最终测试结果，动态试验前将所有试样进行蜡封处理，然后安放于围压缸中入射杆和透射杆之间．

2.2 动态力平衡及数据处理

为忽略动态测试中的惯性效应，首先要使试样两端实现动态力平衡．采用直径9.0mm、厚1.5mm的C11000铜片将入射波形状由矩形波变为正弦波. Frew等[27]对SHPB压缩试验中的脉冲整形技术有过详细讨论．图5为典型杆端力平衡曲线，其中图5(a)为围压为0MPa时杆端力平衡曲线，可见试样两端力平衡较好，可忽略其惯性效应．

图5(b)为围压为20MPa时杆端力平衡曲线，与图5(a)不同的是，入射波与透射波起点均高于0kN．这是由于在对试样进行施加静水压时，入射杆和透射杆均处于预压状态，且预加载力值等于设定的静水压力值对应的加载力，例如：20MPa对应的杆端预加载力为39.27kN(图5(b)中虚线框)，当采用直流耦合(DC)进行应变数据采集时，二者的波形起点则为杆中的预应力值[28]．

基于一维应力波理论，试样与入射杆接触面的动态力1和试样与透射杆接触面处的动态力2为

式中：为杆的弹性模量；为杆截面面积；i()、r()和t()分别为入射波、反射波、透射波的应  变[4-6]. Chen 等[28]的理论研究结果显示，发射杆速度和预加荷载对围压状态下力平衡的计算公式有影响，在本套试验装置条件下，预加载应力小于60MPa时，力平衡条件为

因此上述静水压条件下力平衡的条件为1＝2．

此外，图5(b)中围压条件下透射杆信号是在DC模式下采集获得，其起始值为透射杆中预加静水压力值．根据Wu等[15]对巴西圆盘试样受力分析可知，静水压下巴西圆盘试样动态拉伸应力与预加静水压无关，即在进行动态拉伸强度取值时，应减去预加载荷．值得一提的是，若使用的是交流耦合(AC)，透射波信号则直接从0起跳，无需修正．

因此，当试样两端达到力平衡，试样中惯性效应可忽略时，其动态拉伸应力可由静态公式求得，即

式中：为时间；()为试样动态拉伸应力；pre为预轴向力，其中当无围压状态时，pre＝0；为巴西圆盘样品的直径；为样品的厚度．

由上述试验步骤以及式(1)～(4)，可得各温度及静水压条件下试样的动态拉伸应力随时间的变化曲线．不同静水压下典型拉伸应力-时间曲线见图6．加载率由峰值前线性部分的斜率确定(如图中红色虚线所示)[5-6]．

图6 典型拉伸应力-时间曲线

3 试验结果分析

3.1 试样破坏模式

在充分考虑地应力对应的埋深深度以及试验数据有效性，将该试验中静水压的状态设定为4个，分别为0MPa、5MPa、10MPa、20MPa，对应的埋深深度约为0m、175m、350m、700m．经过温度预处理的圆盘试样，分别进行上述4个围压条件下的动态拉伸加载试验．图6(a)为无围压下动态拉伸应力-时间曲线和破坏试样．试样的破坏模式是岩石破坏机理的直观指标[29]．该试样在受轴向动态冲击加载后，其圆盘试样均沿直径方向劈裂成2个半圆，其劈裂面平行于加载力方向，且无明显端部压裂破坏，如图6(a)所示．同时其动态拉伸应力曲线呈现出单峰特征，与常规动态拉伸应力-时间曲线形态一致[30]．该峰值应力即为动态巴西圆盘拉伸强度．

与图6(a)不同的是，静水压条件下动态拉伸应力曲线出现2个峰值．在围压状态下，当试样受到沿入射杆轴向方向的动态加载后，试样内部首先产生微裂纹，并沿着杆轴向扩张直至破坏，从而形成第1个峰值；由于动态加载时间极短，试样周围的液压油无法瞬时卸载，对试样裂纹扩张及劈裂存在抑制作  用[15]．通过图6(b)中试样的破碎形态可知，试样除了劈裂成两部分外，其与杆接触的两端有压裂区域．这是由于试样在受拉劈裂后，在静水压的作用下继续承受荷载，直至发生压缩破坏，因此出现第2个波峰．可见，静水压条件下第1个峰值对应的拉应力为动态拉伸强度．

3.2 基于温度-围压-加载率的动态拉伸强度力学模型

为合理量化描述围压、温度和加载率对大理岩动态拉伸强度的影响，客观分析强度与围压、温度及加载率之间的变化规律，基于图7和图8所示的动态拉伸强度与围压、温度和加载率之间的关系，提出了如下公式来拟合试验结果，并进一步解释岩石在热损伤后静水约束条件下的动态拉伸行为．

3.3 动态拉伸强度热损伤效应

根据上述方法获得的各静水压条件下房山大理岩的动态拉伸强度见图7．由图7可知，固定静水压条件下，各温度荷载下试样的动态拉伸强度均具有明显的率相关性，且随着温度的增加，拉伸强度整体呈下降趋势．例如：由图7(a)中拟合曲线可知，当加载率为800GPa/s、围压为0MPa时，25℃、250℃、450℃和700℃温度荷载下的动态强度分别为30.43MPa、28.44MPa、26.66MPa和24.50MPa，与常温状态下大理岩的动态拉伸强度相比，250℃、450℃和700℃下的强度分别下降6.54%、12.39%和19.65%．随着损伤温度的增加，岩石动态拉伸强度的降低幅度也逐渐增加．

分析认为，在250℃温度损伤条件下，试样波速出现大幅降低，但密度仅出现微弱下降，表明造成密度降低的原因是由于试样中缺陷增加，但是缺陷多表现为没有体积的微裂纹．微裂纹的出现是由于矿物的不均匀膨胀，使得试样内部开始出现微裂纹，微裂纹的出现也导致了拉伸强度的降低．

当温度荷载升高到450℃后，大理岩的动态拉伸强度进一步下降，这也是由于岩石的不均匀膨胀造成的．由于试样微裂纹的出现和发展，使得动态拉伸强度进一步弱化．

当温度荷载升至700℃时，试样内部主要矿物成分由单一CaMg(CO3)2向两种主要矿物CaCO3和活性MgO转变[24]．恒温保存2h后，仍会存有少量未分解的白云石，在3种矿物并存下，矿物颗粒连接相比于450℃时更加弱化，岩石总孔隙增加，促使微裂纹进一步扩展，这由试样密度明显下降和波速进一步下降可知(图2)．由于矿物成分的改变和岩石内部孔隙裂纹的增加，最终导致试样动态拉伸强度在700℃时弱化效应更为显著[18,24]．

3.4 动态拉伸强度静水压效应

为进一步探究静水压条件对不同温度损伤后试样的动态拉伸强度影响规律，将上述试验结果整理成固定温度下，动态拉伸强度与静水压和加载率的关系，如图8所示．图8(a)～(d)对应的固定温度分别是常温条件下(25℃)、250℃、450℃和700℃．可见固定温度下，随着静水压的增加，拉伸强度呈整体增加趋势．例如：由图8(a)中拟合曲线可知，在常温条件、加载率为1000GPa/s时，0MPa、5MPa、10MPa和20MPa静水压对应的动态拉伸强度分别为33.12MPa、44.99MPa、49.00MPa和53.28MPa.与0MPa相比，5MPa、10MPa和20MPa下的动态拉伸强度分别提高35.81%、47.92%和60.87%，可知在固定温度荷载下，静水压越高，试样的动态拉伸强度越大，说明围压的存在对提高岩石拉伸强度作用明显；图8(b)、(c)和(d)均有相似的趋势．这一趋势与静水压下花岗岩试验动态拉伸强度一致[15]．这是由于围压的存在不仅对岩石初始裂隙产生压实作用，同时在岩石受动态加载时对裂纹的扩展起到抑制作用，从而提升了试样的拉伸强度．

同时，由图8(a)可以看出，当加载率为1000GPa/s时，常温试样在静水压由0MPa升至5MPa时，相应的动态拉伸强度增幅最大，为35.81%，当静水压增至10MPa和20MPa时，相应增幅逐渐减小，分别为8.92%和8.73%．可见，随着围压的进一步增加，围压对试样拉伸强度的弱化效应会逐渐减弱．该现象在静水压下花岗岩的动态拉伸强度中也被发现[15]．

这种高应力条件下围压效应逐渐减弱的现象在高温处理的大理岩试样中同样存在，且较低温条件下明显．根据各温度下单独拟合结果，当热处理温度为450℃时，静水压由5MPa提升到20MPa时，动态拉伸强度增加幅度(16.8%)小于常温和250℃热处理情况(15.7%)．这可能是由于高温处理后的岩石，在高围压下岩石材料由脆性逐渐向延性转变造成的[31].由此可以推断，当达到一定深部时，岩石的拉伸强度不会随着地应力的增加而明显增加，但仍会受加载率的显著影响．同时，初始损伤大的岩石，强度受围压作用而增强的效应会有所减弱．

4 结 论

通过采用改进的带围压SHPB装置对4种温度(25℃、250℃、450℃、700℃)损伤后的大理岩进行了常规物理力学性质测试、XRD测试及不同静水压下动态拉伸试验，主要结论如下．

(1)房山大理岩在经历各级温度荷载后，其密度在450℃之后急剧下降，纵波波速在250℃下降明显，250℃之后下降较平缓．700℃后主要矿物成分由原来的碳酸钙镁(CaMg(CO3)2)转换成碳酸钙(CaCO3)和氧化镁(MgO)．

(2)在本试验条件下，围压影响作用下的试样拉伸应力曲线表现出双峰特征，这主要是由于侧向围压的存在抑制了试样的劈裂，使试样拉伸破坏后继续承载造成的，第1个峰值对应的拉伸应力为动态拉伸 强度．

(3)热损伤房山大理岩动态拉伸试验结果表明，受温度损伤后的房山大理岩，在不同静水压下动态拉伸强度均具有明显的率相关性．温度对大理岩具有明显的热损伤效应，在同一围压和同一加载率情况下，随着热处理温度的增加，动态拉伸强度出现不同程度的弱化现象，当热处理温度超过450℃时，拉伸强度弱化现象更为明显．

(4)在固定温度下，静水压的存在对房山大理岩的动态拉伸强度有显著的提升作用．然而，动态拉伸强度的增幅随着围压的增加而有所减弱，即随着地下工程埋深的增加，岩石的动态拉伸强度将不再显著增加，但仍存在明显的率相关性．当试样的热处理温度为450℃和700℃时，动态拉伸强度的围压效应小于常温(25℃)和250℃热处理情况．这可能与高温处理后的岩石在高围压状态下发生了脆性向延性转变有关．

［1］ 陈 颙，黄庭芳，刘恩儒. 岩石物理学[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

Chen Yong，Huang Tingfang，Liu Enru. Rock Physics[M]. Hefei：University of Science and Technology of China Press，2009(in Chinese).

［2］ 李夕兵，尹土兵，周子龙，等. 温压耦合作用下的粉砂岩动态力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29(12)：2377-2384.

Li Xibing，Yin Tubing，Zhou Zilong，et al. Study of dynamic properties of siltstone under coupling effects of temperature and pressure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(12)：2377-2384(in Chinese).

［3］ 夏开文，徐 颖，陈 荣. 考虑深部赋存条件的岩石动态破坏试验研究进展[J]. 隧道与地下工程灾害防治，2019，1(1)：58-75.

Xia Kaiwen，Xu Ying，Chen Rong. Dynamic tests of rocks subjected to simulated deep underground environments[J]. Hazard Control in Tunnelling and Underground Engineering，2019，1(1)：58-75(in Chinese).

［4］ 夏开文，周传波. 岩石动态力学参数测试综述[J]. 工程爆破，2014，20(2)：43-53.

Xia Kaiwen，Zhou Chuanbo. Review of testing methods for dynamic rock mechanical properties[J]. Engineering Blasting，2014，20(2)：43-53(in Chinese).

［5］ Zhou Y X，Xia K，Li X B，et al. Suggested methods for determining the dynamic strength parameters and mode-I fracture toughness of rock materials[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2012，49：105-112.

［6］ 中国爆破行业协会. T/CSEB 0001—2018 岩石材料巴西圆盘试样动态拉伸强度测试方法[S]. 北京：冶金工业出版社，2018.

China Society of Explosives and Blasting. T/CSEB 0001—2018 Testing Method for Determining Dynamic Tensile Strength of Rock Materials by the Brazilian Disc Specimen[S]. Beijing：Metallurgy Industry Press，2018(in Chinese).

［7］ Huang S，Xia K，Yan F，et al. An experimental study of the rate dependence of tensile strength softening of Longyou sandstone[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2010，43(6)：677-683.

［8］ Dai F，Huang S，Xia K，et al. Some fundamental issues in dynamic compression and tension tests of rocks using split Hopkinson pressure bar[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2010，43(6)：657-666.

［9］ Zhang Q B，Zhao J. A review of dynamic experimental techniques and mechanical behaviour of rock materials[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2014，47(4)：1411-1478.

［10］ Xia K，Yao W. Dynamic rock tests using split Hopkinson(Kolsky)bar system—A review[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2015，7(1)：27-59.

［11］ 刘 石，许金余，白二雷，等. 高温后大理岩动态劈裂拉伸试验研究[J]. 岩土力学，2010，34(12)：3500-3504.

Liu Shi，Xu Jinyu，Bai Erlei，et al. Experimental study of dynamic tensile behaviors of marble after high temperature[J]. Rock and Soil Mechanics，2010，34(12)：3500-3504(in Chinese).

［12］ 黄彦华，杨圣奇. 高温后含孔花岗岩拉伸力学特性试验研究[J]. 中国矿业大学学报，2017，46(4)：783-791.

Huang Yanhua，Yang Shengqi. The tensile mechanical behavior of granite containing pre-existing holes after high temperature treatment[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2017，46(4)：783-791(in Chinese).

［13］ Yin T B，Li X B，Cao W Z，et al. Effects of thermal treatment on tensile strength of Laurentian granite using Brazilian test[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2015，48(6)：2213-2223.

［14］ Yao W，Xu Y，Wang W，et al. Dependence of dynamic tensile strength of Longyou sandstone on heat-treatment temperature and loading rate[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2015，48(10)：3899-3915.

［15］ Wu B，Yao W，Xia K. An experimental study of dynamic tensile failure of rocks subjected to hydrostatic confinement[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2016，49(10)：3855-3864.

［16］ 袁 超. 有侧压力岩石动态直接拉伸试验及动态断裂力学研究[D]. 湘潭：湖南科技大学，2013.

Yuan Chao. The Experiment of Dynamic Direct Tensile Test for Rock Under Lateral Pressure and Dynamic Fracture Mechanics Study[D]. Xiangtan：Hunan University of Science and Technology，2013(in Chinese).

［17］ 刘世奇. 有侧向压力的花岗岩动态直接拉伸力学特性研究[D]. 武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2007.

Liu Shiqi. Studies on Dynamic Tensile Properties of Granite Under Confining Pressure[D]. Wuhan：Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，2007(in Chinese).

［18］ 夏开文，姚 伟. 预加载下岩石的动态力学性能研究[J]. 工程爆破，2015(6)：7-13.

Xia Kaiwen，Yao Wei. Dynamic mechanical properties of rock under pre-load[J]. Engineering Blasting，2015(6)：7-13(in Chinese).

［19］ Gong F Q，Si X F，Li X B，et al. Dynamic triaxial compression tests on sandstone at high strain rates and low confining pressures with split Hopkinson pressure bar[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2019，113：211-219.

［20］ 高龙山，徐 颖，吴帮标，等. 温度损伤大理岩不同含水条件下的动态压缩特性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2018，37(增2)：3826-3833.

Gao Longshan，Xu Ying，Wu Bangbiao，et al. Dynamic compression strength of thermal damaged Fangshan marble on dry and saturated conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2018，37(Suppl 2)：3826-3833(in Chinese).

［21］ 宋小林，谢和平，王启智. 大理岩动态破裂试样破坏应变[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2953-2959.

Song Xiaolin，Xie Heping，Wang Qizhi. Failure strain of Brazilian disc samples of marble under dynamic split tests[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(16)：2953-2959(in Chinese).

［22］ Yao W，He T，Xia K. Dynamic mechanical behaviors of Fangshan marble[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2017，9(5)：807-817.

［23］ 陈国飞，杨圣奇. 高温后大理岩力学性质及其破坏规律研究[J]. 工程力学，2014，31(8)：197-204.

Chen Guofei，Yang Shengqi. Study on failure mechanical behavior of marble after high temperature[J]. Engineering Mechanics，2014，31(8)：197-204(in Chinese).

［24］ 王 冲，刘勇兵，曹占义. 白云石煅烧组织的转变过程[J]. 材料热处理学报，2013，34(2)：25-28.

Wang Chong，Liu Yongbing，Cao Zhanyi. Structure transformation of calcining dolomite[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment，2013，34(2)：25-28(in Chinese).

［25］ 王奇智，夏开文，吴帮标，等. 预制平行双节理类岩石材料板动态破坏试验研究[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2019，52(10)：1099-1108.

Wang Qizhi，Xia Kaiwen，Wu Bangbiao，et al. Dynamic failure of simulated rock mass plate containing two parallel cracks[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2019，52(10)：1099-1108 (in Chinese).

［26］ 徐 颖，夏开文，王 帅，等. 一种带吸能装置可模拟原位应力环境的分离式霍普金森压杆：中国，CN110057696A [P]. 2019-07-26.

Xu Ying，Xia Kaiwen，Wang Shuai，et al. A Split Hopkinson Press Bar with Energy Absorption Devices That Can Be Analogous to In-Situ Stress Environment：CN，CN110057696A[P]. 2019-07-26(in Chinese).

［27］ Frew D J，Forrestal M J，Chen W. Pulse shaping techniques for testing brittle materials with a split Hopkinson pressure bar[J]. Experimental Mechanics，2002，42(1)：93-106.

［28］ Chen R，Yao W，Lu F，et al. Evaluation of the stress equilibrium condition in axially constrained triaxial SHPB tests[J]. Experimental Mechanics，2018，58(3)：527-531.

［29］ Xu Y，Yao W，Xia K，et al. Experimental study of the dynamic shear response of rocks using a modified punch shear method[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2019，52：2523-2534.

［30］ Xia K，Yao W，Wu B. Dynamic rock tensile strengths of Laurentian granite：Experimental observation and micromechanical model[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2017，9(1)：116-124.

［31］ 张强星，刘建锋，曾 寅，等. 温度-应力耦合条件下膏岩渗透性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2019，38(9)：1-9.

Zhang Qiangxing，Liu Jianfeng，Zeng Yin，et al. Experimental investigation on permeability of gypsum rock under temperature-stress coupling[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2019，38(9)：1-9(in Chinese).

Experimental Study of Dynamic Tensile Failure of Thermally Damaged Fangshan Marble Subjected to Hydrostatic Confinement

Xia Kaiwen1, 2，Cai Yingpeng1, 2，Xu Ying1, 2，Wang Shuai1, 2，Pan Yongqing3

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；3. China Water Northeastern Investigation，Design and Research Corporation Limited，Changchun 130021，China)

The environment of rocks in deep engineering applications is characterized by high temperatures and high in-situ stresses. During excavation，these rocks are affected by blasting，excavation unloading，earthquakes，and other dynamic loads. Therefore，understanding the dynamic tensile characteristics of thermally damaged rocks under in-situ stress conditions is crucial. In this study，Brazilian disk(BD)specimens made of homogeneous fine-grained Fangshan marble(FM) were heat-treated at various temperatures(25℃，250℃，450℃，and 700℃). Subsequently，a modified split Hopkinson pressure bar(SHPB)system with hydrostatic confinement was utilized to conduct dynamic tests on the BD specimens. Four groups of thermally damaged samples under hydrostatic confinements of 0MPa，5MPa，10MPa，and 20MPa were tested at different loading rates. The results showed the following. ①With an increase in the heat-treatment temperature，the internal microcracks in the marble increased and the mineral composition changed from CaMg(CO3)2to CaCO3and MgO. The density and longitudinal wave velocity values of the specimens decreased owing to increases in the heat-treatment temperature. ②The tensile stress-time curves of tests with confining pressure had two peaks，whereas those of tests without confinement had only one peak. This difference is mainly caused by the existence of lateral confining pressure，which suppresses the occurrence of splitting in the specimens such that the specimens continue to bear load even after tensile fracture. ③Under a given confining pressure，the dynamic tensile strength of the thermally damaged FM specimens increased with the loading rate. Further，the dynamic tensile strength decreased with increases in the treatment temperature at a given hydrostatic confining pressure and loading rate. ④At a given treatment temperature，the dynamic tensile strength increased with the confining pressure. However，the increment of the tensile strength decreased with the hydrostatic confinement. In addition，when the heat-treatment temperature of the sample exceeded 450℃，the confining pressure effect of the dynamic tensile strength was clearly lower than those at 25℃ and 250℃. This may be due to the brittle-to-ductile transition of the rock under high confining pressure after high-temperature treatment. These results indicate the dynamic tensile failure characteristics of thermally damaged rocks under hydrostatic confinement and provide theoretical guidance for ensuring the safety of deep-rock engineering construction and disaster prevention.

deep rock dynamics；thermal damage；dynamic tensile strength；split Hopkinson pressure bar (SHPB)；Fangshan marble

TU45

A

0493-2137(2020)11-1136-10

10.11784/tdxbz202001002

2020-01-02；

2020-03-23.

夏开文（1973—  ），男，博士，教授，kaiwen@tju.edu.cn.

徐 颖，maggie_xu@tju.edu.cn.

国家自然科学基金青年基金资助项目(51704211)；国家自然科学基金资助项目(51879184).

Supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China(No. 51704211)，the National Natural Science Founda-tion of China(No. 51879184).

(责任编辑：金顺爱)