花岗岩力学特性的温度效应试验研究(1)
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主要进行实时高温作用下（常温～850 ℃）以 及高温作用冷却后（常温～1 200 ℃）岩石单轴压缩 试验。实时高温下单轴压缩试验分为常温（25 ℃）、 125、300、550、800、850 ℃ 6 组，每组 3 个试样。 高温作用后单轴压缩试验分为常温（25 ℃）、200、
500、800、1 000、1 200 ℃ 6 组，每组 3 个试样。 2.2.1 实时高温下单轴压缩试验
2 试验概况
2.1 试验试样 本试验所用花岗岩岩样采自山东省兖州矿区
济二井，主要成分为长石，以含钙钠长石为主，有 部分钾长石，同时含有部分伊利石、辉石和少量其 他矿物。限于加热炉内部空腔的容积，按照国际岩 石试验试样尺寸的标准，将试样加工成直径为 25 mm，高为 50 mm 的圆柱体。用磨片机及砂纸对 试件的两端进行仔细研磨，使上下表面平行度在 0.05 mm 以内，表面平面度在 0.02 mm 以内。岩样 常温下纵波波速为 4 000 m/s 左右，完整性和均匀 性相对较好。此种花岗岩常温下平均密度为 2.76 g/cm3，平均单轴抗压强度为 191.9 MPa。 2.2 试验设备及方法
线较吻合。
关 键 词：岩石力学；高温；热-力耦合因子；力学性质；本构模型
中图分类号：TU 45；O 34
文献标识码：A
Experimental study of temperature effect of mechanical properties of granite
ZHANG Zhi-zhen1, 2, GAO Feng1, 2, XU Xiao-li3
Abstract: According to experiments on granite under uniaxial compression at high temperatures (normal to 850 ℃) and after high temperatures (normal to 1 200 ℃) cooling and reloading, the mechanical properties of granite have been researched. The variations of uniaxial compressive strength, elastic modulus, longitudinal wave velocity, cut-slip strain with temperature are analyzed; then the effects of thermo-mechanical coupling are studied. Some results are achieved: (1) The peak strength and elastic modulus decrease continuously at high temperature. (2) Reloading after high temperature, the strength changes little from 25 ℃ to 600 ℃, then decreases suddenly at about 800 ℃. (3) The longitudinal wave velocity decreases gradually as temperature rises. (4) The cut-slip strain is small, and varies little below 800 ℃, then increases rapidly and the granite presents distinct plastic behavior over 800 ℃. (5) Based on the proposed concept of thermo-mechanical coupled factor, one-dimensional nonlinear thermo-mechanical coupled damage constitutive equation is established; and model curves are in agreement with experimental curves. Key words: rock mechanic; high temperature; thermo-mechanical coupled factor; mechanical properties; constitutive model
3 试验结果及分析
3.1 应力-应变曲线的变化规律 由图 1、2 可知，与常温下相似，实时高温作
用下和高温作用冷却后，花岗岩单轴受压应力-应变 曲线亦大致经历 4 个阶段：压密阶段、线弹性阶段、 弱化阶段和破坏阶段。
由图 1 可以看出，实时高温作用下花岗岩的应 力-应变曲线形状几乎一致，非弹性变形过程相对较 短，当应力达到峰值时，岩样迅速破裂，呈脆性破 坏；温度升高，直线段的斜率降低，表明弹性模量 随着温度的升高而降低；温度超过 550 ℃以后，峰
本文拟从实时高温下及高温后冷却两种情形 的单轴试验结果出发，分析温度和应力对岩石应力应变曲线、弹性模量、峰值应力等物理力学量的耦 合作用，提出热-力耦合因子概念，用以定量刻画加 载过程中热-力耦合损伤的非线性效应，为预测和评 估高温岩体工程的安全性、深部开采和井壁围岩稳 定性、火灾后岩体工程结构的损伤及其加固提供科 学依据。
高温作用后岩石单轴压缩试验采用中国矿业 大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室的 MTS815.02 电液伺服材料试验系统。岩样加载采用 电液伺服位移控制方式对岩样实施加载，位移加载 速率为 0.001 5 mm/s。加载过程中利用 TeststarII 控 制程序按预定要求完成试验过程，同时记录相关物 理量的值。
(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China; 2. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 3. School of Architecture and Civil Engineering, Nantong University, Nantong, Jiangsu 226019,China)
2348
岩土力学
2011 年
值明显减小，轴向应变呈现出增大的趋势，主要是 因为岩样的脆性减弱而延性增强。从热-力学的角 度，当温度升高时，岩石晶体质点的热运动增强， 质点间的结合力相对减弱，质点容易位移，故塑性 增强而强度降低。
第 32 卷第 8 期 2011 年 8 月
文章编号：1000－7598 (2011) 08－2346－07
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.32 No.8 Aug. 2011
花岗岩力学特性的温度效应试验研究
张志镇 1, 2，高 峰 1, 2，徐小丽 3
（1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008； 2.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116；3.南通大学 建筑工程学院，江苏 南通 226019）
第8期
张志镇等：花岗岩力学特性的温度效应试验研究
来自百度文库
2347
温度的变化进行了研究；寇绍全等[7]系统地研究了 经过热处理的 Stripa 花岗岩的力学特性，得到了工 程中需要的基本力学参数；林睦曾等[8]研究了岩石 的弹性模量随温度升高而变化的情况；Oda 等[9]研 究了在温度作用下岩石的基本力学性质；Lau[10]研 究了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压 强度随温度的变化规律以及破坏准则；许锡昌等[11] 通过试验，初步研究了花岗岩在单轴压缩状态下主 要力学参数随温度（20～600 ℃）的变化规律；朱 合华等[4]通过单轴压缩试验，对不同高温后熔结凝 灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行 了研究，分析比较 3 种岩石峰值应力、峰值应变及 弹性模量随温度的变化规律，并研究了峰值应力与 纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系。但这些研 究大多停留在定性解释，要认清温度-应力耦合作用 的定量机制，从而更好地服务于工程实践，仍有许 多工作要做[12－14]。
20 世纪 70 年代以来，国内外学者从不同角度 和层次，通过理论和试验研究温度对岩石力学性质 的影响，取得了丰硕成果。Alm 等[5]考察了花岗岩 受到不同温度热处理后的力学性质，并对花岗岩在 温度作用下微破裂过程进行了讨论；张静华等[6]对 花岗岩弹性模量的温度效应和临界应力强度因子随
收稿日期：2010-05-04 基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（No. 2010CB226804，2011CB201205）；江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目 （No.CX10B_134Z）；国家自然科学基金项目（No. 50909093，50974125）。 第一作者简介：张志镇，男，1987 年生，博士，主要研究方向为非线性力学与煤岩动力灾害防治。E-mail: zzzcumt@163.com
1引言
温度是影响岩石力学特性的重要因素之一[1]。 地热的开发与利用、高温核废料处理、地下矿山煤 和瓦斯爆炸、岩石地下工程灾后重建及大都市圈的 大深度地下空间开发利用等工程所处的地质环境都 不可避免地涉及到高温下岩石的强度及变形特性， 其相关力学参数是岩石地下工程开挖、支护设计、
围岩稳定性分析不可或缺的基本依据，这就需要考 虑岩石在高温作用下及高温后的物理力学性质[2－4]。
实时高温下单轴压缩试验采用中国矿业大学深 部岩土力学与地下工程国家重点试验室的 MTS810 电液伺服材料试验系统以及与之配套的高温炉 MTS652.02 来实现，该高温炉整体高度为 220 mm， 热区域高度为 185 mm，热区域宽度和深度都为 62.5 mm，标距长度 50mm，施加的温度范围为 100～ 1 400 ℃。
摘 要：通过实时高温（常温～850 ℃）加载和高温（常温～1 200 ℃）后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验，对不同
高温下花岗岩的力学性质进行了研究，分析了两种情况下单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、剪切滑移应变等随温度的变
化规律，并研究了热-力耦合效应。研究结果表明：（1）在实时高温加载作用下单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发
试验方法类似于常温下的单轴压缩试验，不同 的是试样加热、恒温及加载均在加热炉中进行。岩 样以 2 ℃/s 的升温速率分别升温至预定温度，为确 保岩样受热均匀，参照国内外学者的实际经验，将 岩样恒温 20 min。然后在均匀温度场中采用电液伺 服位移控制方式对岩样实施加载，直至岩样破坏为 止，位移加载速率为 0.001 5 mm/s。加载过程中利 用 TeststarII 控制程序来按预定的要求完成试验过 程，同时记录相关物理量的值。 2.2.2 高温作用后岩石单轴压缩试验
生连续劣化；（2）高温作用冷却后再加载，花岗岩在常温～600 ℃区间峰值强度变化不大，800 ℃左右岩样强度突然降低；
（3）纵波波速随加热温度的升高而逐渐降低；（4）剪切滑移应变在 800 ℃之前相对较小，且变化不大，之后便迅速增大，
表现出明显的塑性；（5）提出了热-力耦合因子的概念，并借助其提出了一维非线性热-力耦合本构模型，模型曲线和试验曲
高温后岩样制备利用高温炉 MTS652.02，以 2 ℃/s 的升温速率分别升温至预定温度，将岩样恒 温 20 min，然后在炉内自然冷却至常温，取出后将 两探头用凡士林耦合于试样两端，采用美国 PAC 公 司的声发射仪探头自发激波功能测定纵波波速，即 一探头发射激波，另外一端接收，用试样长度除以 延迟时间得到纵波波速。
500、800、1 000、1 200 ℃ 6 组，每组 3 个试样。 2.2.1 实时高温下单轴压缩试验
2 试验概况
2.1 试验试样 本试验所用花岗岩岩样采自山东省兖州矿区
济二井，主要成分为长石，以含钙钠长石为主，有 部分钾长石，同时含有部分伊利石、辉石和少量其 他矿物。限于加热炉内部空腔的容积，按照国际岩 石试验试样尺寸的标准，将试样加工成直径为 25 mm，高为 50 mm 的圆柱体。用磨片机及砂纸对 试件的两端进行仔细研磨，使上下表面平行度在 0.05 mm 以内，表面平面度在 0.02 mm 以内。岩样 常温下纵波波速为 4 000 m/s 左右，完整性和均匀 性相对较好。此种花岗岩常温下平均密度为 2.76 g/cm3，平均单轴抗压强度为 191.9 MPa。 2.2 试验设备及方法
线较吻合。
关 键 词：岩石力学；高温；热-力耦合因子；力学性质；本构模型
中图分类号：TU 45；O 34
文献标识码：A
Experimental study of temperature effect of mechanical properties of granite
ZHANG Zhi-zhen1, 2, GAO Feng1, 2, XU Xiao-li3
Abstract: According to experiments on granite under uniaxial compression at high temperatures (normal to 850 ℃) and after high temperatures (normal to 1 200 ℃) cooling and reloading, the mechanical properties of granite have been researched. The variations of uniaxial compressive strength, elastic modulus, longitudinal wave velocity, cut-slip strain with temperature are analyzed; then the effects of thermo-mechanical coupling are studied. Some results are achieved: (1) The peak strength and elastic modulus decrease continuously at high temperature. (2) Reloading after high temperature, the strength changes little from 25 ℃ to 600 ℃, then decreases suddenly at about 800 ℃. (3) The longitudinal wave velocity decreases gradually as temperature rises. (4) The cut-slip strain is small, and varies little below 800 ℃, then increases rapidly and the granite presents distinct plastic behavior over 800 ℃. (5) Based on the proposed concept of thermo-mechanical coupled factor, one-dimensional nonlinear thermo-mechanical coupled damage constitutive equation is established; and model curves are in agreement with experimental curves. Key words: rock mechanic; high temperature; thermo-mechanical coupled factor; mechanical properties; constitutive model
3 试验结果及分析
3.1 应力-应变曲线的变化规律 由图 1、2 可知，与常温下相似，实时高温作
用下和高温作用冷却后，花岗岩单轴受压应力-应变 曲线亦大致经历 4 个阶段：压密阶段、线弹性阶段、 弱化阶段和破坏阶段。
由图 1 可以看出，实时高温作用下花岗岩的应 力-应变曲线形状几乎一致，非弹性变形过程相对较 短，当应力达到峰值时，岩样迅速破裂，呈脆性破 坏；温度升高，直线段的斜率降低，表明弹性模量 随着温度的升高而降低；温度超过 550 ℃以后，峰
本文拟从实时高温下及高温后冷却两种情形 的单轴试验结果出发，分析温度和应力对岩石应力应变曲线、弹性模量、峰值应力等物理力学量的耦 合作用，提出热-力耦合因子概念，用以定量刻画加 载过程中热-力耦合损伤的非线性效应，为预测和评 估高温岩体工程的安全性、深部开采和井壁围岩稳 定性、火灾后岩体工程结构的损伤及其加固提供科 学依据。
高温作用后岩石单轴压缩试验采用中国矿业 大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室的 MTS815.02 电液伺服材料试验系统。岩样加载采用 电液伺服位移控制方式对岩样实施加载，位移加载 速率为 0.001 5 mm/s。加载过程中利用 TeststarII 控 制程序按预定要求完成试验过程，同时记录相关物 理量的值。
(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China; 2. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 3. School of Architecture and Civil Engineering, Nantong University, Nantong, Jiangsu 226019,China)
2348
岩土力学
2011 年
值明显减小，轴向应变呈现出增大的趋势，主要是 因为岩样的脆性减弱而延性增强。从热-力学的角 度，当温度升高时，岩石晶体质点的热运动增强， 质点间的结合力相对减弱，质点容易位移，故塑性 增强而强度降低。
第 32 卷第 8 期 2011 年 8 月
文章编号：1000－7598 (2011) 08－2346－07
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.32 No.8 Aug. 2011
花岗岩力学特性的温度效应试验研究
张志镇 1, 2，高 峰 1, 2，徐小丽 3
（1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008； 2.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116；3.南通大学 建筑工程学院，江苏 南通 226019）
第8期
张志镇等：花岗岩力学特性的温度效应试验研究
来自百度文库
2347
温度的变化进行了研究；寇绍全等[7]系统地研究了 经过热处理的 Stripa 花岗岩的力学特性，得到了工 程中需要的基本力学参数；林睦曾等[8]研究了岩石 的弹性模量随温度升高而变化的情况；Oda 等[9]研 究了在温度作用下岩石的基本力学性质；Lau[10]研 究了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压 强度随温度的变化规律以及破坏准则；许锡昌等[11] 通过试验，初步研究了花岗岩在单轴压缩状态下主 要力学参数随温度（20～600 ℃）的变化规律；朱 合华等[4]通过单轴压缩试验，对不同高温后熔结凝 灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行 了研究，分析比较 3 种岩石峰值应力、峰值应变及 弹性模量随温度的变化规律，并研究了峰值应力与 纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系。但这些研 究大多停留在定性解释，要认清温度-应力耦合作用 的定量机制，从而更好地服务于工程实践，仍有许 多工作要做[12－14]。
20 世纪 70 年代以来，国内外学者从不同角度 和层次，通过理论和试验研究温度对岩石力学性质 的影响，取得了丰硕成果。Alm 等[5]考察了花岗岩 受到不同温度热处理后的力学性质，并对花岗岩在 温度作用下微破裂过程进行了讨论；张静华等[6]对 花岗岩弹性模量的温度效应和临界应力强度因子随
收稿日期：2010-05-04 基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（No. 2010CB226804，2011CB201205）；江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目 （No.CX10B_134Z）；国家自然科学基金项目（No. 50909093，50974125）。 第一作者简介：张志镇，男，1987 年生，博士，主要研究方向为非线性力学与煤岩动力灾害防治。E-mail: zzzcumt@163.com
1引言
温度是影响岩石力学特性的重要因素之一[1]。 地热的开发与利用、高温核废料处理、地下矿山煤 和瓦斯爆炸、岩石地下工程灾后重建及大都市圈的 大深度地下空间开发利用等工程所处的地质环境都 不可避免地涉及到高温下岩石的强度及变形特性， 其相关力学参数是岩石地下工程开挖、支护设计、
围岩稳定性分析不可或缺的基本依据，这就需要考 虑岩石在高温作用下及高温后的物理力学性质[2－4]。
实时高温下单轴压缩试验采用中国矿业大学深 部岩土力学与地下工程国家重点试验室的 MTS810 电液伺服材料试验系统以及与之配套的高温炉 MTS652.02 来实现，该高温炉整体高度为 220 mm， 热区域高度为 185 mm，热区域宽度和深度都为 62.5 mm，标距长度 50mm，施加的温度范围为 100～ 1 400 ℃。
摘 要：通过实时高温（常温～850 ℃）加载和高温（常温～1 200 ℃）后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验，对不同
高温下花岗岩的力学性质进行了研究，分析了两种情况下单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、剪切滑移应变等随温度的变
化规律，并研究了热-力耦合效应。研究结果表明：（1）在实时高温加载作用下单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发
试验方法类似于常温下的单轴压缩试验，不同 的是试样加热、恒温及加载均在加热炉中进行。岩 样以 2 ℃/s 的升温速率分别升温至预定温度，为确 保岩样受热均匀，参照国内外学者的实际经验，将 岩样恒温 20 min。然后在均匀温度场中采用电液伺 服位移控制方式对岩样实施加载，直至岩样破坏为 止，位移加载速率为 0.001 5 mm/s。加载过程中利 用 TeststarII 控制程序来按预定的要求完成试验过 程，同时记录相关物理量的值。 2.2.2 高温作用后岩石单轴压缩试验
生连续劣化；（2）高温作用冷却后再加载，花岗岩在常温～600 ℃区间峰值强度变化不大，800 ℃左右岩样强度突然降低；
（3）纵波波速随加热温度的升高而逐渐降低；（4）剪切滑移应变在 800 ℃之前相对较小，且变化不大，之后便迅速增大，
表现出明显的塑性；（5）提出了热-力耦合因子的概念，并借助其提出了一维非线性热-力耦合本构模型，模型曲线和试验曲
高温后岩样制备利用高温炉 MTS652.02，以 2 ℃/s 的升温速率分别升温至预定温度，将岩样恒 温 20 min，然后在炉内自然冷却至常温，取出后将 两探头用凡士林耦合于试样两端，采用美国 PAC 公 司的声发射仪探头自发激波功能测定纵波波速，即 一探头发射激波，另外一端接收，用试样长度除以 延迟时间得到纵波波速。