不同卸荷速率条件下岩爆迟滞性与突发性规律实验及模拟研究

由于岩爆现象的复杂性，岩爆问题仍然是岩石力学世界性难题，以加载实验结果来解释岩爆机理与实际岩爆发生时存在的既有加荷又有卸荷有一定差异。本项目抓住深部洞室开挖导致具有岩爆倾向的岩体内应力差增大诱发岩爆这一主线，通过大量不同卸荷速率、不同卸荷应力水平、不同卸荷初始围压条件下增轴压、同时卸围压三轴实验及PFC 细观数值仿真模拟，揭示复杂加卸荷条件下岩石变形破坏机制，探索卸荷速率、卸荷应力水平、卸荷初始围压与岩体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。在此基础上利用能量原理建立能反映弹性区岩体卸荷导致应变软化区岩体失稳破裂模型，该模型能揭示卸荷条件下的岩爆发生机理，描述岩体破坏过程与岩爆宏观特征现象的内在相关性。结合具体工程，提出基于岩爆迟滞性及突发性规律的岩爆预测方法。

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，探讨岩体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。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的总能量高于单轴压缩吸收的总能量，而峰前卸荷破坏岩样吸收的总能量低于常规三轴吸收的总能量。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的，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，给出了不同应力路径下岩石破坏的预警应变值。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。项目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。