1、 高围压高孔隙水压作用下岩石卸荷蠕变特性研究及其工程应用重庆大学博士学位论文学生姓名：蒋海飞指导教师：刘东燕 教授专 业：土木工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二 O一四年五月Study of Unload Creep Properties of Rock under High Confining Pressure and High Water Pore Pressure and Its engineering application A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requir
2、ement for theDegree of Doctor of EngineeringByJing HaifeiSupervised by Prof. Liu DongyanSpecialty: Civil EngineeringCollege of Civil Engineering of Chongqing University, Chongqing China Fridy 2014 中文摘要摘 要随着基础工程建设中深埋隧道不断涌现，如秦岭隧道、锦屏引水隧道、青藏铁路新关角隧道等，高应力高水压条件下隧道安全施工问题日益突出。在高应力高水压共同作用下，深埋隧道围岩体的力学响应有别于浅部岩体
3、。深埋隧道围岩围岩裂缝的产生、扩展以及围岩变形破坏等现象，已经引起国内外专家的关注，但对其成因尚缺乏深入分析研究。基于此，本文在前人研究的基础上，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，系统研究了砂岩在高围压高孔隙水压作用下卸荷过程瞬时变形强度特征以及长期流变力学特性，根据试验结果建立了适用于描述高围压高孔隙水压下砂岩卸荷强度特性的 Hoek-Brown 强度准则参数m、s的经验模型和可以考虑孔隙水压作用效应的非线性黏弹塑性卸荷蠕变模型。以某受岩溶水影响的深埋隧道开挖工程为背景，通过大型有限差分软件 FLAC3D ，应用本文的试验与理论研究成果对其进行数值计算分析。主要研究内容和成果如下
4、：利用岩石材料刚性伺服 试验机 MTS815对某深部砂岩岩样进行了单轴加载、常规三轴加载、升轴压卸围压和不同孔隙水压作用下定轴压卸围压瞬时力学特性进行了研究，分析了不同加载条件下岩样变形强度特征，重点研究了高围压高孔隙水压下砂岩卸荷破坏围压与偏应力强度之间关系，得到了 Hoek-Brown准则参数m、s随破坏围压变化的经验模型，使得含有经验参数模型的 Hoek-Brown 准则，能更好地描述高围压高孔隙水压下砂岩卸荷强度特性。采用 RLW-2000 岩石流变试验机，对砂岩进行了不同孔隙水压下定轴压卸围压蠕变试验，基于试验结果，研究了应力水平和孔隙水压对砂岩蠕变变形特性的影响。重点研究了定轴压卸
5、围压过程，不同孔隙水压作用下砂岩卸荷蠕变过程瞬时变形、蠕变变形、瞬时变形模量、体积蠕变变形和蠕变速率的变化规律。通过研究高 围压下不同孔隙水 压作用时，砂岩定 轴压卸围压蠕变过程黏弹性阶段变形模量的变化规律，得到了变形模量随时间和水压变化的非线性表达式，令 Kelvin 模型中弹性元件的弹性系数满足此表达式，再将其与虎克体串联，得到一个改进的非线性广义 Kelvin 模型，分析了该模型的基本力学特性，推导了模型的本构方程和蠕变方程。该模型能较好的描述高围压高孔隙水压下砂岩黏弹性蠕变特性。用指数函数对不同孔隙水 压作用下定轴压卸围压 加速蠕变曲线进行拟合，得到加速蠕变段非线性经验蠕变方程，在将该
6、方程与线性黏性元件蠕变方程进行对比分析，得到一个非线性黏性元件，其黏滞系数是关于时间和孔隙水压的表达I重庆大学博士学位论文式。将该非线性黏性元件通过应力触发方式和塑性元件并联构成一个非线性黏塑性模型，即改进的非线性 Bingham 模型，分析了模型的力学特性。该模型可以描述不同孔隙水压下砂岩卸荷加速蠕变特性。将改进的非 线性广义 Kelvin模型和非线性 Bingham 模型进行串联，建立一个适用于描述高围压不同孔隙水压作用下砂岩卸荷蠕变特性的非线性黏弹塑性蠕变模型，该模型能较好地反映加速蠕变特征，推导了模型的本构方程和蠕变方程。利用高围压不同孔隙水压作用下砂岩卸荷蠕变试验结果，采用基于 Qu
7、asi-Newton算法（BFGS）的 MATLAB 编程实现对非线性黏 弹塑性蠕变模型参数的辨识，辨识效果比较理想。基于拉格朗日有限差分理论，推导了高围压高孔隙水 压下非线蠕变模型的有限差分形式，采用基于 Hoek-Brown 准则参数m、s经验模型的 Mohr-Coulomb为屈服准则，结合 FLAC3D 良好的二次开发环境对非线性粘弹塑性蠕变模型进行了二次开发。对比蠕变试验曲线与由该模型得到的数值试验曲线，二者较为吻合，验证了二次开发程序的正确性。利用非线性粘 弹塑性蠕 变模型二次开发计算程序， 对某受岩溶水影响的深埋隧道开挖施工过程围岩变形进行了数值分析。关键词：砂岩，高围压，高水压，
8、强度准则，蠕变模型，数值模拟II英文摘要ABSTRACT Deep tunnels are appeared constantly in the construction of infrastructure, such asQinling tunnel, the water diversion tunnel of Jinpin, the New GuanJiao tunnel of theqinghai-tibet railway etc. Under the condition of high stress and high underground waterpressure, tunnel
9、 construction safety problem is increasingly prominent. Under the actionof high ground stress and high water pressure, the mechanics response of cavernsurrounding rock mass is different from the shallow rock mass. The deformation andfailure mechanism of the deep buried tunnel has attracted the atten
10、tion of experts indomestic and overseas, but the research of the cause is not yet an in-depth. Thus, by theindoor test, the method of combining the theoretical analysis and numerical simulation,This article carry out the systematically research on the unloading characteristic ofsandstone in instanta
11、neous deformation failure, strength and creep under high confiningpressure and high pore water pressure. According to the experimental results, aexperienced Model of Hoek Browns parameters and a nonlinear visco-elastoplasticunloading creep constitutive model reflectign the pore water pressure effect
12、 arepresented. Finally, take the deep buried tunnel excavation engineering influenced by thedeep karst water as the background, experiment and theoretical research results of thispaper was applied to the numerical analysis by the software FLAC3D. The mainresearch contents and results are as follows:
13、Through the rigid MTS815 servo testing machine, the instantaneous mechanicscharacteristics of a deep sandstone from Chongqing were studied by the test of uniaxialloading, conventional triaxial loading, riding axial unloading confining pressure andthe fixing axial unloading confining pressure at diff
14、erent water pore pressure. anew-experienced Model of Hoek Browns parameters suitable for unloading of rock waspresented.By the RLW - 2000 rock rheology testing machine, the creep characteristic ofsandstone was studied in the process of fixing axial unloading confining pressure atdifferent water pore
15、 pressure.Based on the result, the influence on unloading creep bythe different stress and water pore pressure were analysized. And the research was mailyfocused on the change rule of instantaneous deformation, creep strain, instantaneousdeformation modulus, volume creep strain and the creep rate at
16、 the different water porepressure in the fixing axial unloading confining pressure.III重庆大学博士学位论文Through the analysis of change rule of deformation modulus at the visco-elasticstage in fixing axialunloading confining pressure creep test, a expression ofdeformation modulus changed with water pore pres
17、sure and time was presented. Andassume the Hooker of Kelvin can be expressed by this expression, then put thisimproved Kelvin with an another Hooker in series to compose a nonlinear generalizedKelvin model. This model can better describe the high confining pressure high porewater pressure under the
18、action of sandstone viscoelasticity creep property.Using exponential function to fit the accelerating creep curves in the test offixing axial unloading confining pressure at the different water pore pressure. And bythe analogy of this fitting result and the liner equation of visco element, a nonline
19、arelement was obtained. Its viscous coefficient was a function of water pressure and time.Put this nonlinear element with a plastic element in parallel to construct a nonlinearBingham model. The model can describe different accelerated creep property ofsandstone under pore pressure unloading.Connect
20、 nonlinear generalized Kelvin and nonlinear Bingham in series toestablish a nonlinear viscoelastic plastic creep model which can reflect creep proportiesunder high confining pressure high water pressure. And according to the creep testresults, the quasi - Newton algorithm based on MATLAB (BFGS algor
21、ithm) waschoosed to identify the parameters of creep curves at different pore water under highconfining pressure, the identification effect is ideal.By the Lagrange finite difference theory, this article deduced the the finitedifference form of nonlinear visco-elastic plastic creep the model. Mohr -
22、 Coulombyield criterion on basic of the parameters model of Hoek-Brown was adopted to theestablishment a complex non-linear visco-elastic plastic model, and combined withFLAC3D secondary development environment the composite model was secondarydeveloped. Finally, It can be verified that the correctn
23、ess of the secondary modeldevelopment by using the creep test curve and the model simulation experiment.Numerical analysis of the rock surrounding deformation in the excavationconstruction process of deep bury tunnel infuencede by the karst water in southwestwas carried out by using the nonlinear vi
24、scoelastic plastic creep model secondarydevelopment application.Keywords: sandstone; high confining pressure; high water pore pressure; strengthcriterion; reep model; numerical simulationIV目 录目 录中文摘要I英文摘要. III1 绪 论. 11.1 选题依据及研究意义 . 11.2 国内外研究现状 . 11.2.1 岩石卸荷力学特性研究 11.2.2 岩石蠕变力学性质研究 71.3本文研究内容和创新点 1
25、21.3.1研究内容 . 121.3.2 研究技术路线 132 高围压高孔隙水压下岩石卸荷变形特性试验研究 . 152.1 引言 . 152.2 试验概况 . 152.2.1 试验设备及试件制备 152.2.2 试验方案及试验结果 162.3 砂岩卸荷变形破坏特性分析 . 222.3.1 应力应变分析 222.3.2 变形特征 242.3.3 强度特征 312.3.4 破坏特征 322.4 HOEK-BROWN准则在岩石卸荷强度中的适用性研究 . 332.4.1 Mohr-Coulomb准则和 Hoek-Brown准则对比分析. 332.4.2 岩石卸荷过程 Hoek-Brow准则参数m、s的
26、经验模型 . 362.5 本章小结 . 393 高围压高孔隙水压下岩石卸荷蠕变特性试验研究 . 413.1 引言 . 413.2 试验概况 . 423.2.1 试验设备 423.2.2 试验方法 433.2.3 试验方案 453.3 试验结果 . 453.4 岩石三轴卸荷蠕变特性分析 . 53V重庆大学博士学位论文3.4.1 不同初始卸荷围压下卸荷蠕变特性分析 533.4.2 不同孔隙水压作用下卸荷蠕变特性分析 563.5 本章小结 . 724 高围压高孔隙水压下岩石非线性蠕变本构模型 734.1 引言. 734.2 线性蠕变模型 . 754.2.1 线性元件基本力学特性 754.2.2 典型
27、元件线性组合蠕变模型 774.3 高围压高孔隙水压下非线性蠕变本构模型研究 . 784.3.1 非线性蠕变本构模型建立方法 784.3.2 非线性的广义 Kelvin模型. 794.3.3 非线性 Bingham模型 . 874.3.4 非线性粘弹塑性模型 914.4 模型参数参数识别 . 944.4.1 参数辨识方法 944.4.2 模型参数辨识及对比分析 954.5 本章小结 . 995 高围压高孔隙水压下岩石蠕变本构模型的 FLAC3D二次开发 1015.1 引言. 1015.2 高围压高孔隙水压作用下砂岩非线性蠕变本构计算模型 . 1025.3 岩石非线性黏弹塑性计算模型的数值实现 .
28、 1055.4 岩石非线性蠕变本构 FLAC3D二次开发 . 1085.4.1 FLAC3D本构模型的运行原理169 . 1085.4.2 非线性粘弹塑性蠕变模型二次开发概述164 1085.4.3 岩石非线性蠕变模型数值试验验证 1105.5 本章小结 . 1126 高应力高水压段隧道施工期围岩时效变形数值模拟分析. 1136.1 引言. 1136.2 工程概述 . 1136.3 隧道开挖过程数值模拟分析 . 1146.3.1 计算模型 1146.3.2 计算参数 1166.3.3 初始地应力场及边界条件 1176.3.4 隧道围岩开挖过程数值模拟分析 118VI目 录6.4 施工期隧道围岩
29、变形数值模拟结果分析 . 1226.5 本章小结 . 1287 主要结论与展望 . 1297.1 主要结论 . 1297.2 后续工作展望 . 131致 谢. 133参考文献. 135附 录. 145A. 作者在攻读博士学位期间发 表的论文目录. 145B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研 项目. 145VII重庆大学博士学位论文VIII1 绪 论1 绪论1.1选题依据及研究意义随着我国交通、水利等基础工程的大规模建设，石油煤炭资源的大规模深部开采，高应力高水压作用下的岩石工程问题日益增多。以秦岭隧道、青藏铁路新关角隧道为代表的交通铁路建设工程，以雅砻江锦屏引水隧洞、南水北调西线工程为代表的
30、西部水利水电工程，都具有高地应力、高水压力特点。如锦屏二级引水隧洞最大埋深 2525m，实测最大地应力值 42.1MPa，最大水压 10.2MPa。规划中的南水北调西线工程的隧道埋深多在 4001100m 以上，最大埋深 1150m ，开挖时可能遇到约 50.0MPa 的水平应力。建设中的大岗山 电站地下厂房区，最大主应力达26.9MPa。对于这类高地应力高水压的水电工程，如何保 证地下围岩稳定性是迫切需要解决的关键科学问题1-3。深部岩体处于三向高应力状态，呈现出与低应力时不一样的变形强度特性：流变特性明显增大，在较大的应力差条件下，即使硬岩也会发生明显的流变效应；强度曲线的非 线性特征，在
31、低 围压下，岩石大都服从 线性 Mohr-Coulomb强度准则，但在高围压呈现出明显的非线性；延性破坏特征，在 较低围压下强度峰值后表现为脆性破坏的岩石，随着围压的提高逐渐转化为延性破坏。因此，深部岩石工程近场围岩在开挖卸荷后会产生明显的瞬时变形和时效变形。目前，有关岩石变形强度的研究大都基于常规加载试验，但岩石在加载与卸荷条件下的力学特性存在明显差异，特别是高应力状态下尤为明显。主要表现为：力学参数不同，加卸荷试验得到的力学参数存在明 显差异，卸荷应力状态下，受拉损伤起重要作用，岩体强度参数明显偏低；屈服条件及强度准则不同，不同的力学状态下，岩石强度准则存在明显区别。基于此，对高应力、高水
32、压作用下岩石卸荷力学强度特性以及卸荷条件下的蠕变特性进行研究。通过较为系统的试验研究、理论分析和数值模拟，建立反映工程岩体长期变形特点的本构模型，描述岩石材料的变形破坏与时间之间的演化规律，并利用新建蠕变模型对某受岩溶水影响的深部隧道开挖过程围岩变形进行数值模拟分析。1.2国内外研究现状1.2.1岩石卸荷力学特性研究岩石卸荷试验 研究1重庆大学博士学位论文Swanson(1971)4对岩样进行了卸围压强度试验，认为岩石强度不受应力路径的影响。陈顒等(1979) 5进行了多种应力路径下的岩石强度试验，表明应力路径和体积膨胀对岩石强度有显著影响。陈旦熹等(1982)6研究了卸围压条件下岩石变形强度
33、特性，认为应力路径主要对变形特征影响显著，对强度却没有明显的影响。王贤能(1998) 7等通过位移控制和力控制两种方式对岩样进行了常规三轴卸载试验，得到了岩石卸荷变形特征和破坏特征。李天斌和王兰生(1993)8研究了玄武岩在卸荷条件下的变形破坏特性，发现随着破坏点围压的增大，岩样逐渐由张性破坏转化为张剪性破坏，扩容更加强烈。任建喜、葛修润等（2000）9, 10利用自行研制、与CT机配套专用的三轴试验机，首次完成了岩石卸荷 损伤、断裂破坏全过程试验，得到了卸荷条件下岩石损伤扩展的初步规律。李建林、孟庆义（2001）11通过岩石卸荷试验得到了卸荷过程应力-应变关系，并研究了抗拉强度和变形模量的各
34、向异性特性。沈军辉等（2003）12通过室内岩石试验研究了岩体卸荷变形破坏特征，研究表明岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，主要破坏形式为张性破裂。谢红强等（2003）13通过对比分析加卸载两种力学状态下的全程应力-应变特性，并通过引入损伤力学理论，得到了岩石卸荷过程损伤演化方程。徐林生（2003）14采用卸荷试验探讨了岩爆过程岩石的变形破坏特征，研究结果可为分析岩爆的力学机制提供重要依据。代革联等（2004）15对加卸载作用下砂岩破坏细观机理进行了对比研究，发现岩石卸荷损伤破坏具有突发性，卸围压破坏导致的扩容比加载破坏时大。高春玉等（2005）16对大理岩进行了一系列的加卸载三
35、轴试验研究，研究表明大理岩在卸荷条件下变形模量减小，相同围压下强度减小，内粘聚力 出现大幅减小， 值略有增加，卸荷 过程脆性特征增强塑性特征减弱。周小平等（2005）17通过实验和理论相结合的手段研究了岩石卸荷过程力学特性，认为岩石卸荷时存在裂纹张开，裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少，岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需应力小。张伟（2005）18通过试验研究了岩石加卸荷对岩石弱化破坏的影响，发现增加轴向应力或减小最小主应力条件下岩石试样的变形会随之增大，卸荷破坏时的岩石强度较加载破坏c时更低。张黎明等（2006）19 对岩石进行了常规三轴加载后保持轴向变形不变的卸围压试验研究，结果表明
36、岩石峰前卸围压岩样表现出脆性剪切破坏特征，而峰后卸围压则表现出张剪破坏特征，相对于峰后卸围压峰前卸围压破坏更具突发性，卸荷过程岩石破坏时轴向承载力对围压很敏感，反映了试件沿破裂面摩擦滑动的结构效应。秦玉春等（2006）20对大理岩进行了保持轴向应力不变的卸围压试验，讨论了卸围压时围压与弹性模量、泊松比、轴向应变的关系，并指出大理岩在卸围压过程中轴向变形随围压呈非线性特征。李建林等（2007）21利用自行研发的三轴试验设备对节理岩体进行了相似模型试验，对卸荷岩体应力-应变关系和抗拉21 绪 论强度、变形模量的各向异性特征及其尺寸效应、流变特性、卸荷强度准则进行了试验研究。李宏哲（2007）22对
37、锦屏大理岩开展了卸围压试验研究，研究表明相同初始应力条件下，卸荷更容易导致岩石破坏，体积变形几乎按照侧向变形的规律增大，卸围压过程中泊松比近似按照多项式关系增长，变形模量初始变化不明显，屈服前很小的围压减小量便会引起变形模量急剧减小。张宏博（2007）23针对隧道开挖过程不同工况进行了模拟试验，深入研究了不同卸荷应力路径下的岩石强度及破坏特征。黄润秋等（2008）24基于岩石卸荷试验，研究了卸荷条件下岩石应力-应变全过程曲线和破坏特征，研究表明卸荷开始阶段发生强烈的回弹变形，具有较强的张性破坏特征，各级别的张裂隙较为发育，剪切破裂面追随张拉裂隙发展。陈秀铜等（2008）25为探悉深埋引水隧洞围
38、岩在高地应力、高水压力条件下的稳定性，对隧道围岩岩体大理岩、砂岩和板岩进行了常规三轴试验、峰前峰后卸围压试验以及高水压下的卸荷试验，并对卸荷过程强度和变形特征进行了较为系统的对比分析，认为卸荷后岩石的粘聚力内摩擦角均有较大幅度降低，有水压时降低更明显。汪斌等（2008）26对锦屏大理岩开展了单轴加卸载、三轴压缩以及高应力下峰前、峰后卸围压试验研究，研究表明岩石卸荷破坏所需偏应力增量要小于三轴常规压缩破坏情况，并根据岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果，从细观角度揭示了脆性岩石在不同路径下微观破坏机制。刘豆豆等（2009）27对锦屏水电站辅助洞内的白山组大理岩进行了常规三轴和峰前、峰后卸围压试验，
39、研究表明无论是峰前还是峰后卸围压过程岩石均表现出脆性破坏特征，但峰前卸围压破坏脆性特征更为明显，卸荷扩容量要大于加载扩容量。吕颖慧（2009）28对大岗山水电站花岗岩进行了二种卸荷方案的力学特性试验研究，卸荷试验中，开始卸荷点处的变形模量较常规三轴压缩试验已发生一定的损伤劣化，其损伤因子与初始围压呈近似线性关系，而该点处的泊松比所表现出的损伤劣化效应却不明显，相比较于常规三轴压缩试验，卸荷时的抗剪强度参数 值减小而 值增大，其变化量与卸荷方式有关。张黎明（2009）29对闪长岩进行了升轴压卸围压试验研究，研究表明卸荷试验没有明显轴向应变强化阶段，轴向峰值应变较小，弹性模量随围压减小呈非线性降低
40、，泊松比随围压减小呈非线性增大。冯学敏（2009）30基于卸荷松弛机制的定性分析，结合岩石极限拉应变室内试验提出了以岩石极限拉应变作为卸荷松弛判别准则。李宏哲等（2010）31以锦屏水电站深埋隧道开挖稳定性分析为背景，对大理岩进行了卸荷变形特性试验，试验表明无论加载还是卸荷，岩样破坏前都经历显著的体积膨胀过程。黄润秋等（2010）32通过室内三轴卸荷试验和破裂断口的SEM细观扫描分析，研究了高应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩的变形破坏以及强度特征的影响，研究表明卸荷速率和初始围压越大岩石的张拉脆性断裂越明显。陈卫忠等（2010）33对花岗岩进行了常规三轴和不c3重庆大学博士学位论文同卸荷速率下峰
41、前、峰后卸围压试验，试验表明卸荷速率越快脆性破坏越强烈，发生岩爆的可能性越大。王瑞红等（2010）34进行了砂岩三轴卸荷破坏试验研究，发现卸荷时岩样变形模量随着卸荷量的增加可降低5%-24%左右，二者之间可用指数函数拟合，相比于加载破坏粘聚力c降低了4%左右，内摩擦角 增加了12%左右。张凯等（2010）35通过室内试验研究了卸荷速率对岩样强度的影响，提出用屈服接近速率来统一表征加卸荷下应力增加或减小的速率。黄伟等（2010）36通过高围压下岩石卸荷试验研究了卸荷条件下岩石扩容特征，用数据拟合方法得到不同卸荷试验下模型曲线。梁宁慧等（2011）37对裂隙岩体进行了卸荷渗流试验，探讨了裂隙岩体渗
42、透系数在卸荷过程的变化规律，验证了裂隙岩体在加卸荷过程渗透系数的迟滞现象，推导了卸荷量与渗透系数之间的关系式，并对式中试验系数进行了优化计算。刘建等（2011）38针对重庆鱼嘴砂岩，对比研究了定轴卸围和常规压缩过程的变形强度特性，研究表明加载破坏时峰前扩容量相对峰后较小，而卸荷破坏偏应力峰值前扩容量明显较大，卸荷条件下c比加载条件下低1.2%，值则高4.8% ，但残余变形阶段c值都大大减小， 值则变化不大。王在泉等（2011）39对灰岩进行了加轴压卸围压试验，研究了不同卸围压速度对灰岩变形特征和力学参数的影响。郭印同等（2012）40对盐岩进行了卸围压试验研究，研究表明，岩样卸荷初始阶段，轴向
43、和径向应变增加相对缓慢，且应变值随围压的降低呈线性增加，接近破坏峰值强度时，轴向与径向应变值急剧增加，卸荷试验能引起试样更大的变形，更容易导致试样变形破坏。黄达等（2012）41采用三维激光扫描和扫描电镜技术，并结合分形理论，研究了高应力条件下大理岩卸荷破裂性质及破裂面的细微观形态特征，阐述主破裂面粗糙度分形维与卸荷岩体强度间的相关规律。由上可见，近年来有关岩石卸荷试验研究成果众多，但在岩石加卸荷过程中考虑水对卸荷强度试验影响的资料相对较少，主要有以下一些成果：李世平(1995) 42通过三轴试验，表明岩石中孔隙水的渗透率在全应力应变过程中是应变的函数，并提出了一个岩石的渗透率 -应变方程。彭
44、苏萍等(2003)43通过砂岩的孔隙水压渗透规律试验研究，建立了砂岩应力应变与渗透率之间的关系。郑纲(2004)44对软岩和硬岩进行了三轴渗透试验，研究了渗流量、围压、轴压及水压的变化规律。程宜康(2004)45利用自行研制的岩石渗透试验装置与 MTS815 岩石力学伺服试验系统相配套，通过试验研究了单轴峰后给定应变状态下岩样的非Darcy流渗透特性。梁宁慧等（2005）46提出了一种岩石在渗流作用下的卸荷试验方法，通过试验得到卸荷量与渗透系数之间的内在关系，建立了卸荷过程应力-渗透关系方程。汤平等（2005）47分析了水及开挖卸荷对节理裂隙岩体破坏稳定性的影响。李志敬（2009）48对锦屏大
45、理岩、砂岩和板岩分别进行了高围压下，有、41 绪 论无孔隙水压作用时峰前卸荷试验，试验表明，孔隙水压降低了岩石裂隙面及破坏面上的有效正应力，加速了岩石的破裂，降低了岩石的强度。总体上看，目前常规低应力下卸荷试验开展较多，但高围压、高孔隙水压共同作用下岩石卸荷的变形强度特征研究开展较少。岩石卸荷强 度准则研究通过岩石强度理论可以判断岩石材料内某点在复杂应力状态下是否发生破坏。从广义上来说，岩石破坏包含了由弹性状态到塑性状态的转变过程，一般由屈服准则和破坏准则组成。岩石类材料常用的强度准则有莫尔-库伦强度(M-C)准则，格里菲斯（ Griffith）强度准则，德鲁克一普拉格 (D-P)强度准则和霍
46、克 -布朗（Hoek-Brown）经验强度准 则等。 1900 年由莫尔 (Mohr) 和库仑(Columb)提出的Mohl-Columb破坏准则，其表述为49：1 3 C （1.1）通常认为，M-C 强度准则能够比较真实地反映了岩石 类工程介质的强度特征，它既适用于塑性岩体也适用于脆性岩体的剪切破坏，缺点是忽略了中间主应力的影响。Mogi(1971)50 、许东俊(2003) 51等对岩石进 行了真三轴实验， 试验证实了中间主应力效应及其区间性，可见莫尔库仑强度则是一种不完整的强度准则。格里菲斯(Griffith) 于 1920 年提出了 Griffith 强度准 则52，该准则基于脆性材料
47、的破坏是由于材料中微小裂纹尖端有拉应力集中导致裂纹产生和扩展的结果，并建立了强度准则：(1 3) 3 1 3 f2 81 （1.2）格里菲斯强度准则是针对玻璃等脆性材料提出来的，因而只适用于研究脆性岩石的破坏，虽然证实它用于表示岩石材料损伤增长的起始条件更为合适，但对于一般的岩石材料，该强度准则并不适用53。1952年德鲁克(Drueker)和普拉格 (Prager)提出的 Drucke-Prager 准则，由于它考虑了中间主应力对破坏的影响并具有完整的数学表达式，因而得到了广泛的应用。Drucker-Prager准则的表达式为：I1 J 2 C （1.3）由于该准则实质是三剪强度理论，不能反
48、应强度的各向异性，不能区分岩石的拉伸子午线与压缩子午线的区别，与岩石的三轴实验结果不符，辛克维奇、俞茂宏、陈惠发等都指出采用德鲁克一普拉格准则是不合理的54, 55 。20世纪 6070 年代，世界各国提出了多种适用于工程岩体的经验公式，在众5重庆大学博士学位论文多的经验准则中，Hoek 和 Brown提出的强度准则 56-59，由于考虑了小主应力对强度的影响，能够更好地描述岩体的非线性破坏特征，目前在工程中应用最为广泛。其表达式为：F 1 3 mc3 sc2（1.4）Hoek-Brown强度准则除了能 够适用于完整均质岩石材料外，还适用于节理化岩体和非均质岩体等，比莫尔一库仑强度准则更适用于
49、岩体材料，在岩石边坡和地下程中得到广泛采用。但 Hoek-Brown 强度准则没有考虑中间主应力的影响60。陶履彬(1998) 61研究了三峡花岗岩在卸荷条件下变形强度特性，回归得到卸荷破坏的强度经验准则。陈忠辉等（2004）62通过引入连续介质损伤力学理论，利用岩石微元体强度的 Weibull统计 分布，建立了一个考虑岩石各向异性特征的损伤模型和弹脆性本构方程。刘杰等（2005）63对地质材料模型、石膏模型和砂浆模型进行了模型试验，通过分析试验数据，拟合得到岩体卸荷增量本构，并在有限元分析程序 ADIDA中嵌入该本构关系，应用于工程实际。黄润秋等（2008）24基于岩石卸荷试验认为卸荷条件下岩石的本构模型可分为四各阶段：弹性段、卸荷屈服段、峰后脆性段和理想塑性段，通过将 Griff
