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我国国民经济持续快速发展催生水利水电、交通、采矿等领域出现了大量浅埋和深埋长大隧洞(隧道)、巷道和采场等工程,合理揭示开挖前后围岩应力场和位移场的演化规律是隧洞(隧道)和巷道的稳定性分析的关键,而岩石材料的屈服研究是其中最为基础、也是最为重要的工作。目前经典的屈服准则对于认识岩石的屈服性质和分析工程的安全性具有一定的意义,但考虑岩石的内摩擦特性和应力状态的影响,从应变能角度构建符合不同应力条件下岩石屈服性质的屈服准则还需进一步研究。针对上述问题,本文以浅埋和深埋隧洞(隧道)和巷道为工程背景,分析了浅埋和深埋岩石的力学特点,通过现有的常规三轴试验数据的研究,构建了以低应力条件单剪应变能屈服准则和高应力条件三剪应变能屈服准则为基础的考虑内摩擦和应力状态的岩石应变能屈服准则,并结合岩石的屈服特性对提出准则的性质进行了深入分析,最后基于提出的岩石应变能屈服准则建立了适用于硬岩的损伤模型。本文的主要研究成果概述如下: (1)以浅埋隧洞(隧道)/巷道为工程背景,鉴于很多情况(如低圈压和低静水压力条件)下岩石屈服主要沿最大主剪应力作用面上发生(即单剪破坏模式)的试验事实,推导了与屈服密切相关的单剪剪切应变能;考虑岩石破裂的剪切滑移和体应变增大现象,依托绿泥石片岩试验结果,研究了与屈服相关的单剪剪切应变能和体积应变能的数值关系,以此为基础建立了低围压和低静水压力条件下的岩石单剪应变能屈服准则;通过与经典的单剪屈服准则进行对比分析,指出提出的准则是多种经典的单剪屈服准则的一般形式;对提出的准则进行了数值模拟和与试验结果的对比分析,结果表明它可较好地描述线性岩石材料的屈服特性,屈服应力的计算结果与试验结果较为吻合。 (2)以深埋隧洞(隧道)/巷道为工程背景,鉴于高围压和高静水压力条件下岩石非线性力学特征显现,以及深部岩石应力路径和破坏形态的复杂性,综合考虑岩石的内摩擦性质和三个复合滑动面的剪切特征,推导了与屈服密切相关的三剪剪切应变能;考虑岩石破裂的剪切滑移和体应变增大现象,依托T2b大理岩常规三轴试验结果,研究了与屈服相关的三剪剪切应变能和体积应变能的数值关系,以此为基础建立了高围压和高静水压力条件下的岩石三剪应变能屈服准则;通过对经典的三剪屈服准则进行对比分析,指出提出的准则是多种经典的岩石三剪屈服准则的一般形式;对提出的准则进行了数值模拟和与试验结果的对比分析,结果表明它可较好地描述非线性岩石材料的屈服特性,屈服应力计算结果与试验结果较为吻合。 (3)结合岩石的屈服特性,对岩石应变能屈服准则的性质进行了全方面的探讨和分析,主要有:岩石应变能屈服准则的强度预测能力,应用提出的准则对岩石参数相关性的表达,岩样离散性对准则精度的影响分析,岩石屈服条件下力学参数取值的探讨,屈服应力计算误差的探讨与分析,中主应力效应分析。 (4)根据损伤与塑性演化存在相似机制,将岩石应变能屈服准则作为损伤阈值的判定准则;基于Rabotnov对损伤变量的定义和Lemaitre应变等效性假设,并考虑未损伤部分的应力-应变关系符合广义胡克定律,提出了简化形式的硬岩损伤力学方程;为了更好地表达硬岩从低围压到高围压条件下的脆-延转化特性,提出了改进的Mazars损伤演化方程;基于锦屏T2b大理岩常规三轴压缩试验结果,对损伤模型参数进行求解,并分别与基于Mazars损伤演化方程和Mohr-Coulomb准则为损伤阈值判定准则的损伤模型进行了对比分析。