深埋硬岩劈裂破坏的强度准则和动静载荷组合作用机理研究

In the excavation process of deep brittle hard rock, there are a lot of special geological disasters which failure mode was dominated by splitting-tension damage type, such as pillar splitting, rock mass spalling and strain-type rock burst etc., which has brought great risk to the engineering construction. The special high in-situ stress environment for deep hard rock and excavation disturbance were main causes of disasters above. However, it is unable to give a reasonable explanation for these disasters by using existing strength criteria or single dynamic & static mechanical theory. In the researching process of this project, theoretical analysis, true triaxial tests and acoustic emission monitoring will be applied. On the basis of splitting failure and shear failure under compression loads must be distinguished clearly, the specific strength criteria for rock splitting failure will be explored. A rockburst tendency criterion-energy storage consumption index will be modified, and the dynamic & static load combination mechanism of rock splitting failure can be concluded in the experimental studies with large size rock true triaxial hydraulic servo testing.

深埋脆性硬岩工程开挖过程中，出现了很多破坏模式均为劈裂张拉型破坏为主的特殊地质灾害现象，诸如矿柱劈裂剥落、围岩片帮板裂、应变型岩爆等等，给工程建设带来了很大危害。上述灾害的发生和深部硬岩所处的特定应力环境即高地应力和工程开挖扰动有关，利用现有的强度准则或纯动、静力学理论均无法给出合理的解释。本项目以研究深部硬岩的劈裂破坏作为主线，采用理论分析、真三轴加卸载试验、动态扰动试验、声发射监测等手段，在明确岩石受压必须区分劈裂破坏和剪切破坏两种不同模式的基础上，探寻岩石劈裂破坏的强度准则，并以劈裂破坏时的抗压强度值对能量储耗指数判据进行修正，利用大尺寸岩石真三轴电液伺服诱变试验机进行三维加卸载条件下的破坏试验和动态扰动诱发深埋洞室围岩破坏模拟试验，阐释岩石劈裂破坏的动静载荷组合作用机理。

深入认识岩爆和板裂等围岩非常规破坏现象的发生机理有助于为深部工程安全高效建设提供科学的理论指导。岩爆和板裂破坏现象在很多情况下属于劈裂张拉型破坏模式（岩爆也存在剪切型破坏），而且跟高地应力环境和开挖扰动密切相关。以上述认识作为研究主线，本项目开展了5个方面的研究：（1）构建了以319个典型案例为基础的岩爆实录数据库，并进行了系统统计和分析。结果表明，围岩弹脆性越明显、地应力越大、开挖扰动越大是诱发岩爆的三个关键因素。（2）初步建立了岩石劈裂破坏的强度准则和考虑率效应的岩石动态强度准则。基于岩石材料受压发生剪切破坏和张拉破坏的内在联系，初步提出了岩石劈裂破坏的粘聚力强度准则。对于岩石在动载下发生剪切型破坏现象，分别提出了低应变率和高应变率段的动态强度准则。（3）提出了基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据。利用14种岩石进行了一次加卸载单轴压缩试验，发现了岩石受压破坏过程中的线性储能规律，提出了基于剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据，同时还提出了岩石室内试验时的岩爆倾向性等级划分标准和基于加卸载响应比理论的动态滞后时间比指标的岩爆倾向性预警方法。（4）提出了高应力硬岩卸载诱发岩爆的剪切-张拉模式转换机制和强度弱化效应。针对花岗岩和红砂岩分别进行了三维高应力卸载压缩试验，结果表明，快速卸载会引起围岩从剪切破坏向张拉破坏转换，进而导致强度弱化，卸载速度越快弱化效应越明显。（5）进行了两种动态扰动诱发深埋洞室围岩劈裂模拟试验。首先模拟了深部巷道侧壁岩石在预静载下承受外力扰动的劈裂和断裂试验，分别得到了外力扰动诱发预静载岩石劈裂破坏的强度弱化效应和减韧效应规律。另外，分别进行了三维应力下考虑洞室空间效应（圆形、直墙拱形和矩形）的应力调整试验，成功模拟和实时记录了深部巷道围岩发生岩爆和板裂的演化过程。上述研究结果对深化深部围岩岩爆和板裂破坏机理的认识提供了新的思路和水平。