高应力下脆性岩石的卸荷力学响应分析理论及应用研究

通过卸荷脆性岩石力学试验及此过程中声发射信号的检测，基于试验数据的分析，研究高应力下脆性岩石的卸荷变形破裂模式，揭示其内在的产生和演化机制。在此基础上，综合利用所发展的脆性岩石破裂强度模型和损伤断裂力学等理论，提出能够反映高应力下脆性岩石卸荷破裂机制和变形特征的力学模型，发展相应的非线性数值计算方法，通过模拟水工隧洞、地下厂房大型洞室群等水电建设工程中由高应力诱导脆性岩石的卸荷力学响应过程，并与现场揭示的围岩力学响应相对比，验证模型的合理性，并深入再认识高应力下地下工程中脆性岩石的卸荷破裂变形响应模式和力学响应机制。本研究采用了试验技术、机制识别、理论重构以及数值模拟技术等集成方法和手段，识别的高应力下脆性岩石的卸荷破裂模式与产生机制，提出的相应力学模型和数值方法，为我国水电建设及相关的如交通、核废料及能源地下储存等工程的设计和施工提供关键的理论支持，具有重要的理论意义和广泛的应用价值。

高应力条件下脆性岩石的卸荷力学特性及其变形破坏演化机制研究是热点课题，本项目通过一系列的脆性岩石卸荷力学试验、声发射测试和CT扫描等试验和测试，获得了高应力下脆性岩石卸荷变形、强度、能量演化响应和变形破坏模式特征以及岩石力学参数（变形参数、强度参数和扩容参数等）演化规律，从宏细观相结合的角度识别了高应力下脆性岩石的卸荷损伤渐进破裂力学响应机制，建议了裂纹起裂应力和裂纹失稳扩展应力两个特征应力门限的综合确定方法，提出了高应力环境下脆性岩石损伤控制加卸载试验的控制方法以及不同卸载应力路径下脆性岩石的真三轴试验技术。基于上述研究成果，定义了与应力状态相关的内变量，提出了考虑应力状态效应的岩石力学参数随内变量演化的方程。将卸荷损伤变量引入到所提出的广义多轴应变能强度准则中，建立考虑卸荷损伤破裂的屈服准则。采用有限差分弹塑性增量理论、内变量演化理论、多重屈服塑性力学理论以及损伤力学理论，构建了脆性岩石硬化-软化损伤力学模型理论，发展了脆性岩石卸荷力学响应描述的非线性数值计算方法，并通过算例验证了所提出的模型理论与计算方法的正确性。将上述所提出的力学模型理论及其数值计算方法直接应用于锦屏二级深埋引水隧洞等高地应力区地下洞室中，通过模拟由高应力诱导的脆性岩石卸荷力学响应行为，验证了所提出理论和方法的适应性与合理性，所获得的研究成果为工程建设提供了重要技术支撑和科学依据。