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不同应力路径下深部岩石卸荷力学特性真三轴试验：变形、破坏与参数演化

一、引言

1.1研究背景与意义

随着浅部资源的逐渐减少和地下空间开发的不断深入，深部资源开采与地下工程建设已成为全球关注的焦点。深部岩体处于“高地应力、高渗透压、高温度”的复杂环境中，其力学特性与浅部岩体存在显著差异，而深部岩石卸荷力学特性的研究，对保障深部工程的安全稳定至关重要。

在深部地下工程中，如深埋隧道、深部矿井开采等，岩体开挖会导致其原有的应力状态发生改变，产生卸荷效应。这种卸荷过程使得岩石的力学响应变得极为复杂，进而引发诸如岩爆、大变形、坍塌等工程灾害。因此，深入了解深部岩石在不同应力路径下的卸荷力学特性，能够为深部工程的设计、施工以及灾害防治提供坚实的理论依据和技术支持。

真三轴试验作为一种能够模拟岩体在三维应力状态下力学行为的有效手段，能够更真实地反映深部岩体在实际工程中的受力情况。通过真三轴试验，可以精确研究不同应力路径下岩石的变形、强度、破坏机制以及能量演化等力学特性，为揭示深部岩石卸荷力学行为的本质提供关键数据和理论基础。因此，开展不同应力路径下深部岩石卸荷力学特性的真三轴试验研究，具有重要的科学意义和工程应用价值。

1.2国内外研究现状

在深部岩石力学领域，国内外学者围绕岩石的力学特性开展了大量研究。在真三轴试验方面，国外学者HAIMSON等通过真三轴试验对岩石的力学性质和岩爆机理进行了研究，为后续的相关研究奠定了基础。国内学者周火明等进行了大理岩原位真三轴试验，深入探究了深埋隧洞围岩卸载路径的破坏特性。DU等通过真三轴加卸载试验，明确了岩石试件的岩性、尺寸和中间主应力大小对试件破坏特征与峰值强度的显著影响。

在不同应力路径下岩石力学特性的研究中，汪斌等通过室内岩石三轴加卸载试验，研究了高应力下应力路径对强度参数的影响规律；ALEJANOLR等研究了岩石卸荷扩容特性及其剪胀角变化规律，并提出了岩石剪胀角函数；刘新荣等研究了卸荷条件下砂岩的应力-应变特征、强度变形特征等，并推导了卸荷本构模型；TSOUTHRELISCE等利用单轴及三轴加卸载试验，研究了岩石变形破坏特征及能量演化规律。

然而，当前研究仍存在一定不足。一方面，对于岩石在不同加卸载路径下的变形破坏规律对比分析不够系统全面，不同应力路径之间的相互影响和作用机制尚未完全明确；另一方面，加卸载过程中岩石力学参数的演化规律研究还不够深入，难以准确描述岩石在复杂应力条件下的力学行为变化。此外，深部岩石的多场耦合效应（如热-水-力耦合）在真三轴试验及力学特性研究中的考虑还不够充分，而实际深部工程中这些因素往往对岩石力学行为有着重要影响。

1.3研究内容与方法

本研究旨在通过真三轴试验，系统深入地探究不同应力路径下深部岩石的卸荷力学特性，具体研究内容包括：

试验方案设计：精心选取具有代表性的深部岩石，如砂岩、花岗岩等，制备高质量的岩石试件。依据实际深部工程的应力状态，科学设计多种真三轴试验方案，涵盖不同的加载、卸载路径以及应力水平，全面模拟深部岩石在工程开挖过程中的应力变化情况。

力学特性分析：在真三轴试验过程中，运用高精度的测量仪器，实时精确测量岩石试件在不同应力路径下的应力-应变关系、变形特征、强度特性以及破坏模式。深入分析不同应力路径对岩石力学行为的影响规律，明确各因素之间的内在联系。

结果讨论：结合试验结果，深入讨论深部岩石卸荷力学特性的内在机制，对比不同应力路径下岩石力学行为的差异，探讨岩石力学参数的演化规律。将试验结果与实际工程案例相结合，验证研究成果的可靠性和实用性，为深部工程的设计与施工提供切实可行的建议。

本研究采用的主要方法包括：

真三轴试验：利用先进的真三轴试验设备，严格按照设计的试验方案对岩石试件进行加载和卸载，确保试验数据的准确性和可靠性。在试验过程中，密切监测试件的变形和破坏过程，记录关键数据。

数据处理：运用专业的数据处理软件，对试验获得的大量数据进行整理、分析和统计，绘制直观清晰的图表，揭示数据之间的内在规律。采用合适的数学模型对试验数据进行拟合和分析，量化岩石的力学特性参数。

理论分析：基于岩石力学的基本理论，对试验结果进行深入的理论分析，解释岩石在不同应力路径下的力学行为机制。结合已有研究成果，建立适用于深部岩石卸荷力学特性的理论模型，为工程应用提供理论支持。

二、真三轴试验原理与设备

2.1真三轴试验原理

真三轴试验是一种能够模拟岩体在三维应力状态下力学行为的重要试验方法。在实际的深部岩体工程中，岩体受到来自三个不同方向的主应力作用，且三个主应力的大小通常是不相等的，分别记为最大主应力\sigma_1、中间主应力\sigma_2和最小主应力\sigma_3，且满足\sigma_1\sigma_2\sigma_