目前,高地应力、高地下水压作用下硬脆性岩石的破坏过程机理和能量机制是岩石力学与工程领域的前言课题。但由于水-力耦合作用机制极为复杂,前期相关研究工作极少。鉴于此,以典型实际工程为研究背景,本文拟通过开展硬脆性岩石试验研究,深入系统地认识其力学特性和渗透特性、变形破坏规律、内部破裂发展演化的规律以及能量变化规律和能耗演化特征。在这些试验研究的基础上,基于颗粒离散元理论,从细观力学角度,并结合宏观现象深入研究岩石的破裂及能量机制。主要获得以下研究结果:(1)随着含水率的增大,砂岩声发射活动的集中程度和强度也有所降低,岩石吸收总能量的增速和总量减少。弹性能增速在储能阶段随含水率的增加而减小,但不同含水率作用下岩石在应力跌落阶段的弹性能释放速率大致相同。岩石的储能极限随含水率的增大而减小,不同含水率作用下岩石的峰前和峰后能量耗散速率大致相当。表征岩石由压密阶段进入弹性变形阶段的特征点A和岩石由弹性阶段进入弹塑性阶段的起裂点B的应力值随着含水率的增大而减小。表明随着含水率的增大,岩石的脆性破坏特征减弱,塑性增强。(2)水力耦合作用下,砂岩的声发射率和AE能率随着水压的增大更为集中,强度也更高。声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,表明水压会刺激岩石裂纹的产生和扩展以及促进应变能的释放。岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量随水压的增大而增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。说明在水力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石的脆性破坏特征增强。(3)饱水岩石的峰值强度低于干燥岩石,随着水压的增大岩石的峰值强度逐渐减小。饱水岩石的峰值应变高于干燥岩石,但随着水压的增大岩石的峰值应变降低。这是因为一方面水压升高相当于有效围压降低,另一方面水压会促使岩体裂隙形成并扩展,进而加速岩石破裂,水压越高,效应越明显,从而造成岩石在较小变形下便发生破坏。(4)岩石的峰值强度和峰值应变随着卸荷速率的增大而降低,卸荷速率对岩石的环向扩容影响较大,随着卸荷速率的增大,岩石破坏时刻发生的扩容更为显著。低卸荷速率条件下,环向应变和体积应变曲线较为柔和,表明环向扩容和裂纹扩展是一个逐渐发展的过程,而随着卸荷速率的增大,环向应变和体积应变曲线的拐点更为突然,表明岩石的脆性随着卸荷速率的增大而增大。(5)岩石的变形破坏过程中的渗透演化规律是内部细观损伤演化和宏观裂纹相互作用的结果。加载初期岩石具有一定的渗透性,此后随着裂纹的压密闭合和应力场的增大,渗透率略微下降。岩石进入弹塑性变形阶段后,随着裂纹的萌生扩展,渗透性越来越好,当岩石达到破坏时刻,渗透率急剧增大。岩石各个阶段的渗透率值水平随着水压的增大而增大。这是因为水压会促进岩石内部裂隙扩展,从而增大或增加了渗透通道,水压越高,渗透通道扩展效应越显著,岩石的渗透性能也越好。(6)不同卸荷速率和不同水压条件下岩石的声发射率特性变化不大,但AE能率水平随着水压的增大而增大。表明水压能促进应变能的释放,增强岩石的脆性破坏特征。和常规三轴试验相比,卸荷三轴试验中AE能率水平明显提高,且随着卸荷速率的增大而增大。表明卸荷试验中岩石破坏阶段能量释放更快更多,岩石破坏更为突然。(7)水-力耦合作用下,花岗岩的储能极限不仅降低,且随着水压的增大,能量储存的速率也会下降。岩石峰后应力跌落阶段的能量释放速率则随着水压的增大而有所升高,卸荷速率越大,释能速率也越大。这是因为随着水压和卸荷速率的增大,岩石的脆性破裂特征增强,裂纹扩展的速率加快和张性破裂的增多,有利于岩石内部可释放弹性应变能的瞬间释放。(8)采用PFC3D破裂源机理对岩石的破裂及其能量机理进行了分析,在无水压条件下,岩石内部的颗粒黏结破裂导致的能量释放是整体性的,在施加端部水压后,在施加水压的下部裂纹和能量释放明显较上部多,表明水压能刺激岩石内部裂纹的萌生和扩展。水-力耦合作用下,岩石内部裂纹和能量释放更为集中,随着水压的增大,张性破裂所释放的能量比例明显提升。水压能够刺激岩石内部张拉裂纹的产生和加速岩石的破裂,剪切裂纹则受到抑制。(9)硬脆性岩石的冲击动能曲线呈现出明显的“主震型”特点,最大瞬时冲击动能随着水压的增大而增大,表明水压能增强岩石内部能量的释放。岩石达到峰值强度点的弹性能极值随着水压的增大而减小,不同水压条件下,岩石峰后的弹性能跌落速率和耗散能增长速率大致相当。