基于能量原理与折迭突变理论的卸荷岩爆机理及预测研究

岩爆问题是岩石力学世界性难题，目前学者多以加荷实验结果来解释和预测岩爆，与实际岩爆发生时的卸荷应力路径有一定差异。项目针对深部地下工程开挖卸荷过程中迫切需要解决的岩爆灾害机理及其预测问题，通过不同卸荷应力路径、不同卸荷控制方式、不同卸荷速度条件下的岩石三轴卸荷实验、声发射测试、破裂断口电镜扫描及细观数值仿真研究，揭示卸荷条件下岩石变形破坏与能量耗散机制，建立岩石的细观断裂方式和破坏力学机制与宏观岩爆特征及其烈度的对应关系。基于能量守恒原理，在突变理论框架内，建立以实验结果为基础，更符合实际岩爆本质的卸荷岩爆预测折迭突变模型。该模型能反映岩爆灾害具有的破坏开始阶段裂纹发展的迟滞性及最终失稳的突发性规律，探索岩爆从迟滞阶段到突发阶段的征兆及转化条件，并给出岩爆预测的力学判据和能量释放表达式。研究成果对于深化岩爆机理认识、预测与防治岩爆灾害具有重要的理论意义和实用价值。

通过不同加卸荷应力路径下大理岩破坏的三轴试验、声发射测试、破裂面三维扫描和颗粒流细观数值仿真，系统研究了加卸荷路径下大理岩的变形特征、屈服面演化规律及能量耗散机制，构建了大理岩破坏过程的能量演化模型，分析岩体动力失稳的发生条件和发生过程。. 随着卸荷速率增加，大理岩破坏的峰值应力差减小；随着卸荷初始围压升高，大理岩破坏的峰值应力差增大。体积变形对卸荷围压的变化更敏感，卸荷破坏是体积扩容所致。大理岩的声发射特征与其承载的应力路径密切相关，卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增，在大规模声发射出现前期会出现平静期，两者会交替发生。大理岩破坏面具有分形特性，不同应力路径下大理岩破裂面分形维数值相差不大。根据广义塑性力学理论，利用试验数据确定加卸荷两种应力路径下大理岩在子午平面上的屈服函数形式，给出了q方向上剪切屈服面和p方向上体积屈服面的数学表达式。常规三轴压缩岩样吸收总能量高于单轴压缩吸收总能量，而峰前卸荷破坏岩样吸收总能量低于常规三轴吸收总能量。卸荷速率增加，大理岩吸收总能量变化率、弹性能变化率和耗散能变化率都减小。岩石破坏的驱动能量（存储的可释放弹性能）主要是在卸荷之前的加荷过程积聚，加荷过程存储的能量对岩石卸荷破坏起到决定作用。根据弹性能和耗散能的演化特征，构建了大理岩破坏过程的能量非线性演化模型。采用细观颗粒流程序PFC2D对大理岩破坏过程进行数值模拟，分析加卸荷应力路径下裂纹孕育、扩展、聚集和贯通过程，探讨了三维颗粒流程序PFC3D模拟大理岩破坏的可行性。基于岩体动力失稳的两体系统模型，分析岩体动力失稳的发生过程，给出岩体动力失稳的临界条件，对失稳过程中弹性能的释放特征进行了图解。研究成果对于深化卸荷岩体破坏机理认识、预测与防治岩体动力灾害具有理论意义和实用价值。