【摘 要】
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浸水作用下的岩石加载、卸荷力学特性与损伤机理研究一直是岩石力学领域关注的前沿方向,相关研究对于岩体的稳定性控制具有重要的理论意义和工程价值。论文围绕泥质砂岩的水-力耦合特性,系统开展了泥质砂岩在不同含水条件下的单轴、三轴压缩和卸围压力学实验,结合扫描电镜、声发射与核磁共振检测技术探究了不同含水条件对岩石微观结构劣化的影响,进而提出了岩石多线性应变软化本构模型和考虑含水与载荷共同作用的损伤演化模型;
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浸水作用下的岩石加载、卸荷力学特性与损伤机理研究一直是岩石力学领域关注的前沿方向,相关研究对于岩体的稳定性控制具有重要的理论意义和工程价值。论文围绕泥质砂岩的水-力耦合特性,系统开展了泥质砂岩在不同含水条件下的单轴、三轴压缩和卸围压力学实验,结合扫描电镜、声发射与核磁共振检测技术探究了不同含水条件对岩石微观结构劣化的影响,进而提出了岩石多线性应变软化本构模型和考虑含水与载荷共同作用的损伤演化模型;依据湿度场和温度场的相似性原理,结合实验结果和煤矿现场条件,采用ANSYS软件对巷道围岩进行了湿度场与应力场耦合计算,获得了考虑湿度扩散效应和岩石膨胀效应的含水巷道围岩应力以及变形的时空演化规律。论文的主要研究成果如下:（1）通过实验室测试,获得泥质砂岩岩样的基本物理、力学特性和含水率统计规律,总结了不同含水状态下岩石试件的微观结构特征;自主设计新型岩石膨胀试验仪开展了侧限条件下岩石试件轴向膨胀应变实验,得出岩石侧限下轴向自由膨胀应变特征和轴向膨胀系数β=0.09896;推导了岩石考虑时间效应的岩石一维和三维非稳态膨胀修正方程。（2）对不同浸水时间/含水率和不同干湿循环次数处理后的泥质砂岩试件进行单轴压缩试验,结合扫描电镜、声发射和核磁共振检测手段分析了不同浸水损伤泥质砂岩的微观结构和物理性质。实验结果表明水对泥质砂岩力学特征有着比较规律的弱化作用,具体表现为:随着含水率增加,岩石的抗压强度、弹性模量线性降低,抗拉强度缓慢下降,泊松比线性增大,且浸水作用对岩石劣化的影响程度明显小于干湿循环作用;浸水和干湿循环作用在一定程度上可以促使岩石内部孔隙增大,对微观结构是一个累计损失过程。（3）加卸荷实验对比得出:（1）含水泥质砂岩试件单轴、三轴压缩和卸荷实验条件下,岩石的应力-应变曲线均有明显的力学特性转换点;（2）在三轴压缩和卸荷条件下,岩石峰值破坏强度、弹性模量均随着含水率增加而线性降低,且低围压条件下线性关系更好;（3）加载条件下,随着含水率的增加,岩样的破坏模式逐渐由张剪复合破坏转变为剪切破坏;卸荷条件下岩石的破裂为张性、剪性和张剪性复合破裂,并表现出累进性破坏的特征;相比于加载破坏,岩石试件在卸荷时的破坏更剧烈;（4）从能量角度分析:三轴压缩过程中,系统总应变能U近似呈线性增长,而转化成的可释放弹性应变能Ue则呈现先升后降再稳定的趋势,且升降转折点滞后试件破坏点;在围压为20MPa～30MPa之间存在一个阈值,各能量与含水率关系由不明确向线性过渡转变;在卸荷前期岩体内部较完好,卸荷开始后岩体内部裂隙增生、发育、扩展迅速且显著;破坏时刻,耗散能瞬Ud间跃升,且随着卸荷实验的进行,耗散能Ue转化率不断升高。（4）依据实验结果提出了加载与卸荷过程统一的岩石多线性应变软化模型,建立了“线弹性-应变硬化-应变软化-应变残余”多线性本构方程,并对单轴、三轴压缩以及卸荷状态下的应力-应变曲线进行了拟合检验,呈现良好的适应性,且各转折点应力参数随着含水率的变化规律能较好地反应浸水对岩石强度的劣化作用;以损伤力学理论和Weibull统计分布理论为基础,基于Drucker-Prager准则推导了在考虑湿度和载荷共同作用下的含水泥质砂岩损伤模型。（5）从数学角度探讨了温度场与湿度场的相似性,通过ANSYS热应力模块优化反演获得了与湿度场渗透系数等价的泥质砂岩热传导系数k=8.3813×10-3W/m·℃和热膨胀系数β’=1.109×10-5/℃;利用热应力直接耦合法模拟得到了考虑湿度扩散效应和岩石膨胀效应的含水巷道围岩应力以及变形的时空演化规律,模拟结果可有效指导煤矿现场的围岩控制。
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