随着我国能源、交通、资源、国防等领域日益增长的刚性需求，以及“西部大开发”、“一带一路”等国家战略的实施，水利水电、交通、采矿、国防等国家重大工程快速向地下深部拓展。在高应力、高温、高渗透压和扰动应力的深部岩体环境下，岩爆灾害愈发频繁，给施工人员和设备带来了巨大的安全隐患，严重地阻碍了深部岩体工程的发展。因此，开展岩爆实验及其机理研究，对岩爆进行预警以及有效防范具有重要意义，也是岩石力学当前的研究热点之一。

   通过自主研发的真三轴岩爆实验系统，开展了高压条件下水平加载方向不同卸荷面数的滞后性岩爆实验，在室内再现了具有多临空面岩体结构的岩爆现象，基于岩爆多余能量理论，对不同卸荷面数岩爆的储能特征、多余能量、多余能量释放速度、裂纹演化特征进行了研究，揭示了应变岩爆随不同卸荷面数的演化特征。

   针对深部岩体工程具有多个自由面岩体结构岩爆的破坏过程、机制和规律不清的问题，本文确定了多面卸荷岩爆及相关破坏室内模拟试验与分析方法，利用自主研发的新型真三轴岩爆实验系统开展多面卸荷岩爆实验研究，对不同卸荷面数岩爆实验的力学特征、能量特征以及破坏特征进行了研究，实验验证了岩爆多余能量理论以及通过多余能量释放速度来判别岩爆烈度的准确性；针对岩体开挖后法向应力快速解除诱发的快速卸荷效应问题，探索了快速卸荷造成的断裂损伤对多面卸荷岩爆的破坏模式和板裂化特征的影响。

实验系统    

   实验系统采用的是本实验室自主研发的第二代应变岩爆实验系统，如图1所示。该系统可以模拟经历多次开挖快速卸荷产生多个临空面岩体结构的岩爆。该系统也可以在垂向方向和水平一个方向来施加扰动荷载，系统配备了六套伺服加载油缸，可以实现三向独立加载。该实验系统的轴向最大加载力为5000kN，水平方向最大加载力为2000kN。实验系统配备了新型的真三轴夹具，可以实现将试样完全覆盖，极大地消除了试样的端部效应。

岩爆实验系统与试样

应力应变曲线

图2为典型的多面卸荷应变岩爆应力应变曲线图。由图可知砂岩的轴向应力应变曲线可以分为五个阶段：初始压密阶段、线弹性阶段、快速卸荷阶段、屈服阶段、峰后阶段。由图可知，在水平方向应力快速卸荷点轴向应力应变曲线会出现一个卸荷平台，这是由于砂岩在真三轴高压状态下进行水平方向快速卸荷会导致砂岩向卸荷方向产生快速扩容，由于泊松效应砂岩在水平卸荷方向进行扩容则在轴向方向便会缩短，导致轴向应变突增，同时由于轴向应力保持不变便产生了如图中所示的卸荷平台。由图可知，从单面卸荷到四面卸荷轴向应力应变曲线卸荷平台的宽度逐渐增大，表明随着卸荷面数的增加砂岩向卸荷方向产生的扩容现象越明显。
不同卸荷面数岩爆的应力应变曲线

破坏特征

不同卸荷面数岩爆破坏特征

   通过PFC^3D数值模拟与物理模拟实验对应的加载路径，进行了多面快速卸荷岩爆实验数值模拟，来探索试样在真三轴高压加载下进行快速卸荷试样内部裂纹损伤演化。图4为不同卸荷面数岩爆数值模拟在卸荷点颗粒粘结破坏情况的俯视图。

不同卸荷面数岩爆PFC^3D数值模拟在卸荷点的粘结破坏图

能量特征

   将不同卸荷面数岩爆的各部分能量计算结果中的快速卸荷耗散能U_d²、岩爆前存储的弹性应变能U_e、设备峰后输入的能量U_p、残余弹性应变能U_r进行统计生成图5所示的三维曲面图。

各部分随卸荷面数的变化特征

 从单面卸荷到四面卸荷岩爆多余能量ΔE=E_岩爆-E₀分别为：1004.3kJ/m³、535.78kJ/m³、158.64kJ/m³、99.97kJ/m³均大于零，并且ΔE随着卸荷面数的增加逐渐减小，如图6(a)所示。图6(b)显示EERR随卸荷面数增加而增大虽然ΔE逐渐减小，但是由于岩爆时围压约束减弱多余能量的释放速度EERR却在增大，岩爆也会变的更加剧烈。

裂纹演化特征

     通过设置m=RA/AF作为样品破裂过程中的声发射参数指标，因此m=1/k。当k=1.2是分界线的斜率时，m>0.83的事件是剪切裂纹，m<0.83表示拉伸裂纹。基于此，多面卸荷岩爆演化过程中剪切和拉伸裂纹的累计比例随应力应变关系如图7所示。

不同卸荷面数岩爆裂纹演化特征

结论

1)岩爆的发生相较于岩石单轴加载静态破坏，主要是由于多余能量ΔE的产生，多余能量ΔE取决于岩石在岩爆前所存储的弹性应变能、峰后设备输入的能量以及残余弹性应变能，随着卸荷面数的增加，ΔE逐渐减小，但多余能量释放速度EERR却增大，导致岩爆现象变得更为剧烈；

2)在真三轴高压加载条件下进行快速卸荷，会使应力应变曲线出现卸荷平台，卸荷损伤主要以张拉破坏为主，并主要集中在临空面附近，随着卸荷面数的增加卸荷损伤逐渐增大；

3)在砂岩的损伤演化过程中，拉伸裂纹占据主导地位，而在最终临近岩爆阶段，剪切裂纹曲线的斜率大于拉伸裂纹，表明剪切裂纹是导致试样失稳破坏的关键因素。