高地应力条件下岩石卸荷变形破坏过程的能量机制研究

工程开挖、河谷下切及支护结构损伤均会致使岩体卸荷，对卸荷过程中岩石变形破坏机理的正确认识是岩体工程稳定性评价及灾害防治的关键基础问题。针对高地应力环境下岩石的不同卸荷过程，本项目拟通过室内三轴卸荷、物理模型及破裂面电镜扫描试验，结合理论及数值分析，探究不同初始应力状态、不同卸荷速率及不同卸荷应力路径下岩石变形破坏过程中的能量转化与传递规律，建立岩石强度、变形等参数与能量间的定量关系，揭示卸荷条件下岩石力学参数弱化的能量机理；确定岩石破坏块度及破裂面粗糙度分形维数与能量间的定量关系，揭示岩石卸荷破坏的宏-细-微观多尺度破裂特征及能量机理，建立岩石卸荷破坏程度及破裂方式的能量预测指标；基于损伤能量耗散率及剩余能量指标，建立综合考虑初始应力状态、卸荷速率及卸荷应力路径的岩石卸荷破坏能量判据。研究成果在高地应力地区大型岩体工程稳定性评价及岩爆预测等方面具有重要理论意义和应用前景。

高地应力是我国西南地区的重要地质环境条件。随着西部大开发和大量深部岩体工程开挖，高应力环境中岩体开挖稳定性评价是近年来岩石力学及工程地质界的重要科学问题。项目以锦屏I级地下厂房和高边坡开挖为理论研究基地，通过岩石三轴卸荷、单轴压缩和裂隙岩体卸荷试验、岩石破裂面三维激光扫描和电镜扫描测试，结合断裂力学及能量原理，研究了高应力卸荷条件下岩石、裂隙岩体的卸荷力学性质及多尺度损伤破裂特征，阐述了卸荷损伤破裂的应变能耗散及释放规律及过程机制。.岩石卸荷力学性质方面：研究了卸荷速率、初始应力状态和卸荷应力路径对岩石变形、峰后应力脆性跃落、强度和破裂形态、破裂面细观粗糙度及微观特征的影响规律；阐述了卸荷过程中岩石变形模量、泊松比弱化和声波波速衰减规律；揭示了高应力条件下岩石快速卸荷破裂变形本质—峰值点附近及峰后强烈地向卸荷方向回弹变形和体积扩容。建立了卸荷条件下岩石变形破裂演化机制和本构模型。.裂隙岩体卸荷力学性质方面：研究了两种不同卸荷应力方式下不同倾角单裂隙岩体和不同倾角组合的双裂隙岩体的变形、强度、裂隙扩展和岩桥贯通演化模式；阐述了卸荷条件下裂隙扩展的差异卸荷回弹变形机制；结合能量原理，阐述了卸荷所形成的拉剪应力状态下裂隙扩展的断裂力学机理，并推导了裂隙起裂和动态扩展的应力强度因子。.岩石卸荷变形破裂的能量转化机制方面：研究了卸荷速率及初始应力状态对岩石卸荷损伤破裂过程中的能量吸聚、耗散及释放的影响规律；揭示了高应力卸荷条件下岩石峰前储存较多弹性应变能和相对较少的损伤耗能，而峰后弹性应变能快速大量释放和耗散的能量转化特征；定量描述了岩石破裂块度分形维与能量耗散及释放的相关性；建立了高应力卸荷条件下岩石损伤破裂的能量转化过程机制模型。.在岩石卸荷力学性质及本构模型研究的基础上，基于Griffth应变强度准则的弹脆塑性模型，提出了考虑脆性岩石卸荷破裂峰后显著扩容特性（剪胀）和岩石力学参数动态弱化的高应力岩体工程开挖数值模拟方法，并实例验证。.项目研究较好地达到了预期研究目标，已发表Sci论文1篇，Ei论文16篇。研究成果在高应力地区岩体工程开挖稳定性评价及灾害预警方面具有重要的理论意义和应用前景，也丰富了岩石力学理论研究。