岩体在承受荷载时的力学行为及能量演化过程一直是探讨的热点,在承受超过其强度极限的应力后,进入峰后破坏阶段,此时岩体的破坏特征、破坏模式以及伴随的能量演化过程显著不同于峰值前的非线性弹性行为,加载系统的刚度对岩体的破坏模式及能量耗散路径产生重要影响,进而影响岩体的稳定性和安全系数。因此,准确地理解和评价加载系统刚度条件下岩体的峰后破坏行为和能量转换规律对巷道围岩安全性和稳定性评价具有重要意义。
目前,众多学者针对岩石材料峰后破坏特征进行了研究。在试验方面,张志镇等开展不同岩性固定围压的轴向加卸载试验,获得了其弹性能和耗散能的演化及分配规律;杨小彬等研究了不同加载方式下峰后岩样损伤变形、破裂形态及能量演化特征;ZHANG等对不同成因的岩石在峰后强度表现的围压影响进行了研究;TIWARI等基于三轴和真三轴试验,分析了节理及围压对岩石峰后力学行为的影响。在理论方面,岩石峰后破坏的脆性表征以应力跌落速率、能量释放速率为主;宋洪强等研究表明岩石的脆性是指其内部可释放弹性能在峰前阶段的积累与峰后迅速释放的综合表征;张军等通过关联峰前耗散能与峰后断裂能水平,提出了岩石破坏前后力学特性的脆性评价指数;陈国庆等提出了一个综合考虑峰前弹性能积累与峰后释放特性的岩石脆性评价方法;赵毅鑫等则基于能量释放率,为不同赋存深度的试样建立了适用的脆性指数;宋昊等提出了一种基于岩石峰前能量演化及峰后侧向变形特征的岩石脆性评价方法,建立岩石峰前脆性指Bpre及峰后脆性指标Bpost,将两者之积作为岩石脆性评价指标Bm。然而,这些研究主要集中在岩石自身能量释放及破坏特征上,未能充分考虑加载系统刚度对岩体破坏过程的影响。
实际上,岩体的破坏不仅依赖于其自身的能量积累,还受到外部环境能量输入的显著影响。顾金才院士等发现围岩要发生岩爆,不仅需要岩爆体自身积蓄能量,还要周围岩体对其能量进行补充,引起周围岩体对岩爆体释放弹性能,发生失稳破坏;钱七虎、ZHANG等、XU等指出仅靠岩体自身所储存的能量难以诱发动力损伤,需要围岩向岩体提供能量;BLAKE研究发现岩体结构的刚度大于围岩加载系统,破坏时储存在围岩加载系统中的应变能迅速释放并施加到岩体结构上,导致岩爆发生;赵同彬等研究试件破坏刚度准则及试验机储能−释能机制基础上,提出了岩石力学试验机加载刚度伺服调控技术;尹延春等研究了试验机−试件刚度比对煤体破坏特征及冲击倾向性指数测试结果的影响,提出了考虑顶板刚度和供能作用的巷帮冲击危险性评价指数。以上研究表明,加载系统的刚度是影响岩体破坏模式的重要因素,但目前对这一问题的研究仍显不足。
基于此,笔者将岩体和试验系统作为完整结构体来分析,研究二者相互作用对岩体稳定性和破坏模式的影响,从刚度和能量理论的角度,探讨了加载系统刚度对岩体峰后破坏行为及能量演化规律的影响,明确了刚度效应在岩体中的作用。考虑加载系统刚度下岩石峰后破坏过程的能量耗散能与释放能关系,推导出基于加载系统刚度下的岩石破坏程度指标,并利用自主研发的刚性和可变刚度试验机系统,开展侧向约束作用下加载系统刚度对岩石峰后破坏力学行为试验进行了验证,研究结果对于巷道动力灾害的防控具有重要意义。