深部围岩在工程施工采挖前承受静应力作用，采挖过程中承受卸荷、动荷载和应力调整等各种扰动作用，其受力全路径完全不同于浅部围岩。《深部岩石动力学行为与动态强度准则》在系统分析岩石常规动力学行为的基础上，详细阐述深部围岩在各种扰动作用下的动力学行为和破坏特征，模拟岩爆、板裂破坏过程并揭示其形成机制，构建深部岩石动态强度准则。

目录
“岩石力学与工程研究著作丛书”序
“岩石力学与工程研究著作丛书”编者的话
前言
第1章 绪论 1
1.1 深地工程 1
1.2 深部工程地质灾害 2
1.3 深部岩石动力学问题 5
1.3.1 深部岩石动力学定义 6
1.3.2 深部围岩受力“岩-环-人”三要素 7
1.3.3 深部围岩应力状态及路径 9
1.4 动静组合加载下岩石力学行为研究进展 12
1.5 深部围岩扰动破坏试验力学行为研究进展 15
1.6 岩石动态强度准则研究进展 17
参考文献 18
第2章 常规加载下岩石动力学行为 31
2.1 岩石准静态加载试验方法 31
2.1.1 单轴压缩试验 31
2.1.2 劈裂拉伸试验 32
2.1.3 断裂试验 35
2.1.4 点荷载试验 37
2.2 岩石冲击加载试验方法 38
2.2.1 SHPB压缩试验 38
2.2.2 SHPB劈裂拉伸试验 39
2.2.3 SHPB断裂试验 42
2.2.4 SHPB点荷载试验 43
2.2.5 SHPB试验理想加载应力波形 43
2.2.6 SHPB试验应力均匀化确定方法 48
2.2.7 SHPB试验试样长度确定方法 50
2.2.8 试样*大长度和岩石波速的对应关系 52
2.3 巴西圆盘试验中岩石拉伸模量解析算法 54
2.3.1 静态劈裂试验中岩石拉伸模量解析算法 54
2.3.2 冲击劈裂试验中岩石拉伸模量解析算法 61
2.4 岩石抗压强度率效应 65
2.4.1 准静态范围岩石压缩试验 66
2.4.2 动态范围岩石压缩试验 68
2.5 岩石抗拉强度率效应 70
2.5.1 准静态范围岩石劈裂拉伸试验 70
2.5.2 动态范围岩石劈裂拉伸试验 74
2.6 岩石断裂韧度率效应 75
2.6.1 准静态范围岩石断裂试验 75
2.6.2 动态范围岩石断裂试验 77
2.7 岩石点荷载强度率效应 78
2.7.1 准静态范围岩石点荷载试验 78
2.7.2 动态范围岩石点荷载试验 79
2.8 岩石动态增加因子模型 80
2.8.1 传统动态增加因子模型 80
2.8.2 动态增加因子统一模型 84
参考文献 89
第3章 动静组合加载下岩石力学行为 92
3.1 动静组合加载下岩石压缩力学行为 93
3.1.1 低频扰动下预静载岩石压缩特性 93
3.1.2 冲击扰动下预静载岩石压缩特性 102
3.1.3 “三轴卸荷+冲击扰动”下岩石压缩特性 111
3.2 动静组合加载下岩石张拉力学行为 118
3.3 动静组合加载下岩石断裂力学行为 124
3.3.1 低频扰动下预静载岩石断裂特性 124
3.3.2 冲击扰动下预静载岩石断裂特性 127
参考文献 130
第4章 深部围岩扰动破坏试验力学行为 133
4.1 岩柱式岩爆破坏过程及特征 133
4.2 洞壁式岩爆破坏过程及特征 142
4.2.1 “卸荷扰动+应力调整”组合作用下洞壁式岩爆试验 142
4.2.2 “内部卸荷+应力调整”组合作用下洞壁式岩爆试验 156
4.2.3 采挖后应力调整扰动下洞壁式岩爆试验 170
4.2.4 冲击扰动下洞壁式岩爆试验 180
4.3 洞壁式板裂破坏过程及特征 194
4.3.1 “卸荷扰动+应力调整”组合作用下洞壁式板裂试验 194
4.3.2 采挖后应力调整扰动下洞壁式板裂试验 203
参考文献 235
第5章 深部岩石动态强度准则 241
5.1 岩石静态强度准则 242
5.1.1 静态Mohr-Coulomb强度准则 242
5.1.2 静态Hoek-Brown强度准则 244
5.1.3 岩石抗剪强度参数试验方法 244
5.2 深部岩石低应变率动态强度准则 264
5.2.1 低应变率动态Mohr-Coulomb强度准则 264
5.2.2 低应变率动态Hoek-Brown强度准则 270
5.3 深部岩石高应变率动态强度准则 274
5.3.1 高应变率动态Mohr-Coulomb强度准则 274
5.3.2 高应变率动态Hoek-Brown强度准则 280
参考文献 282

第1章绪论
　　作为固体力学的一个分支，岩石力学是以研究岩石材料在各种因素作用下变形和破坏特性为主的一门学科，同时，岩石力学又是一门工程实践性很强的学科。岩石力学涉及的其他学科和工程领域较广泛，尤其与矿山建设、水利水电、铁路交通、土木建筑以及防护工程等一系列工程建设的关系极为密切，它在地学领域中也占有重要地位[1，2]。虽然1962年在奥地利成立了国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics，2017年更名为国际岩石力学与工程学会，即International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering，ISRM简称不变)，但是1985年我国在成立岩石力学学科学会时没有按照国际惯例成立“中国岩石力学学会”，而是正如学会**届理事长陈宗基先生所说，“岩石力学的研究对象是地球介质，用通俗的语言来表达，就是石头、岩石 密切结合国家的基本建设、重大工程、国防工程、煤炭工程等，为国民经济服务，解决工程中的岩石力学问题，才能使岩石力学这门学科得到更好的发展，所以我们学会不是单纯地定名为岩石力学学会，而是叫做岩石力学与工程学会”[3]。因此，岩石力学的研究和发展必须紧紧围绕当前及未来岩石工程中一些亟待解决的重大问题展开。
　　1.1深地工程
　　随着浅部矿产资源的不断消耗和交通、铁路、水电、国防及核废料处置工程的开发建设，国内外越来越多的矿山和隧道(洞)重大工程趋向深地或深部发展[4-7]。例如，在矿山开采方面，目前国外开采深度超千米的金属矿山有百余座，南非、加拿大、美国和俄罗斯等是世界上金属矿采深井*大的国家[8]。我国在2004年以前千米深井仅有8座，而在2021年时已超过80座[9]。目前，开采深度超过1000m的金属矿山已接近20座，如河南灵宝崟鑫金矿*大开采深度达到1600m，云南会泽铅锌矿开采深度为1500m，吉林夹皮沟金矿开采深度为1500m，辽宁抚顺红透山铜矿竖井井底深度为1600m，本溪思山岭铁矿主井开采深度超过1500m，中金山东纱岭金矿开采深度达到1633m等[10]。深部资源开采是矿山发展的必由之路，并已成为常态[11]。在交通建设方面，瑞士Gotthard铁路隧道*大埋深达到2350m[12]，我国川藏铁路拉林段巴玉隧道*大埋深2073m[13]，大瑞铁路高黎贡山隧洞*大埋深接近1200m[14]。在水电建设方面，锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞*大埋深达到2525m[15]，引汉济渭秦岭输水隧洞*大埋深约2000m[16]，江边水电站引水隧洞*大埋深1678m[17]，滇中引水工程中香炉山隧洞*大埋深1450m[18]。世界各国为了搭建前沿科学深地实验平台，美国杜赛尔地下实验室埋深1500m，中国锦屏地下实验室埋深达到2400m[19]。基于国家未来资源能源安全和重大战略需求，我国将有大量的资源开采和空间利用等深地重大岩石工程持续向地下发展。
　　1.2深部工程地质灾害
　　在上述深部工程建设背景上，必须要提出几个需要回答的问题。*先要明确存在哪些不同于浅部的深部工程地质灾害“新”现象，其次要明确深部工程地质灾害“新”现象背后的岩石力学“新”科学问题，*后要明确目前对岩石力学“新”科学问题对应哪些需要解决的关键问题。只有把上述问题回答清楚，才能明确当前研究目的和意义，使研究立意站在较高起点上，也能使研究内容更加具有时效性和针对性。
　　岩爆是深部工程采挖过程中出现的一种典型工程地质灾害[20-22]。岩爆发生时，围岩内原先存储的弹性能突发性地急剧释放，导致岩片爆裂并弹射崩出，常常给施工人员和设备带来灾难性后果，严重阻碍工程的顺利进行[23-26]。例如，巴基斯坦的Neelum-Jhelum水电工程引水隧洞贯通，该工程施工过程中共遭遇过200多次岩爆，其中*严重的岩爆相当于一场三级地震，隧洞及全断面隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)设备严重受损，致使工程停工修复达七个月之久；中铁隧道集团承建的中亚地区*长隧道—卡姆奇克隧道，在施工的两年多时间内遇到中等强度以上的岩爆超过3000次，*严重的一次岩爆使隧道坍塌近2000m3；我国*大埋深2525m的锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞施工中发生750多次岩爆，其中“11 28”极强岩爆灾害造成多名施工人员遇难，TBM严重损坏，抢险救援过程长达35天[24]；川藏铁路拉林段桑珠岭隧道岩爆频率一天*高可达20次，岩爆飞出距离可达40m，重达4t的开挖台车被震跳；川藏铁路拉林段巴玉隧道全长13073m，正洞预测岩爆段共计12242m，占全长的94%，其中中等及强烈岩爆段9136m，形态多样，在世界隧道施工史上均属罕见[27]。在这些岩爆隧洞施工过程中，施工人员必须戴钢盔、身穿防弹衣。图1.1为乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道强岩爆现场[28]。图1.2为我国锦屏Ⅱ级水电站辅助隧洞强岩爆现场[25]。
　　围岩板裂破坏是深部工程采挖过程中出现的另一种典型工程地质灾害[29-32]。板裂主要表现为围岩被近似平行于自由面的裂隙切割，形成一层层近似平行于采挖面的薄板状岩片，而且随着板裂过程的发展，会在洞壁形成一个V形槽。板裂破坏虽然没有岩爆剧烈，但是严重影响工程稳定性。在我国，锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞、排水隧洞施工期间，洞壁围岩板裂破坏现象严重[33，34]；我国某大型地下洞室出现了50余例玄武岩板裂破坏[35]；西南地区一座跨度34m、高88.7m的大型地下厂房在两年多的逐层开挖过程中持续出现板裂破坏[36]；锦屏地下实验室二期工程(埋深2400m)7#和8#隧洞也遇到明显的板裂破坏[37]；7座深部金属矿山开采过程中也发生了板裂破坏[38]。图1.3和图1.4分别为2700m南非金矿掌子面板裂破坏[39]和深部铜矿隧道侧壁板裂破坏[40]。
　　岩爆和板裂破坏是深部工程中两种典型的岩石破坏形式[34]，两者之间的相互作用机制受到研究者的广泛关注，也成为研究的热点问题。Nemat-Nasser等[41]通过理论和试验研究了预制裂隙尖端萌生的裂纹在压应力场中的扩展规律，并对研究结论在板裂及岩爆中的应用进行了有益探讨。Dowding等[30]认为隧道*大切向应力与小试件无侧限抗压强度之比小于0.35时，脆性岩石中可能发生板裂破坏和岩爆。侯哲生等[12]在锦屏Ⅱ级水电站观测到明显的板裂化岩爆爆坑。谭以安[42]提出了围岩“劈裂成板—剪断成块—块片弹射”的岩爆渐进破坏过程。冯涛等[43]提出了洞室岩爆机理的层裂屈*模型，认为岩爆的发生与分裂层屈*断裂有关。Diederichs等[44]认为板裂破坏可以是剧烈的，也可以是非剧烈的，围岩板裂破坏可以发生在应变型岩爆之前，并为应变型岩爆能量的突然释放创造条件。左宇军等[45]提出了洞室层裂屈*岩爆的突变模型。伍法权等[46]认为开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂，指出在有张应力的条件下，岩体的剪破裂角会减小，直至为零，这是刀口状破裂乃至板裂和拱裂发生的力学原因。吴世勇等[33]和Gong等[47]认为锦屏Ⅱ级水电站排水隧洞、引水隧洞的工程围岩主要破坏方式为板裂破坏，包括剧烈的板裂化岩爆与非剧烈的板裂化片帮。周辉等[48]进行了深埋隧洞板裂屈*岩爆机制及物理模拟试验研究，认为开挖卸载作用导致围岩板裂化结构的形成，有可能形成以岩板压折、岩块弹射为特征的岩爆现象。宫凤强等[49]利用含预制孔洞红砂岩立方体试样进行了圆形隧洞板裂屈*岩爆的模拟试验研究，观察到了岩爆发生前洞壁围岩岩片的板裂和折断现象。Li等[50]基于粒子的数值流形方法，对隧道围岩的板裂破坏和由板裂引起的岩爆进行了数值研究。陈炳瑞等[51]发现在岩石“时滞型”破坏前，岩样表面会持续发生剥落和掉块现象，和现场发生的时滞型岩爆现象十分吻合。
　　因此，虽然岩爆和板裂破坏存在不同的表现形式，但在一定条件下两者联系很紧密，围岩板裂破坏有时作为岩爆的一种前兆现象。岩爆和板裂破坏在同一工程甚至同一性质的围岩中也可能分别发生，两者之间的相互作用机制既和深部岩石采挖过程密切相关，又受工程断面形状、原岩应力条件和岩石性质的影响。只有在科学再现岩爆和板裂破坏的试验基础上，明确两者的诱发机理，才能合理解释两者的相互作用机制。
　　1.3深部岩石动力学问题
　　**的岩石理论主要是岩石静力学理论，是在连续介质固体力学理论基础上发展起来的。岩石静力学理论是研究岩石在静力荷载作用下的应力-应变、力学响应、破坏特性和强度准则的理论。这些静力荷载可能来自岩石自身的重量、周围岩石的挤压，或是工程活动中施加在岩石上的力。在岩石静力学中，通常将岩石视为一种固体材料，并考虑其宏观的力学性质，如弹性、塑性和弹塑性等。这些性质决定了岩石在受到静力荷载时的变形和破坏行为。岩石静力学理论主要是通过刚性伺服试验机获得的全应力-应变*线及各种力学参数来描述和分析岩石力学行为、损伤破坏过程，所有的参数(如强度、刚度、弹性模量、蠕变系数和黏聚力等)不体现动力荷载效应。
　　岩石动力学理论是研究岩石在各种动力荷载作用下所表现的力学效应及破坏特性的理论。动力荷载包括各种人为荷载(如爆破、冲击和振动等)和自然荷载(地震)。岩石动力学理论关注岩石在动力荷载作用下的物理力学特性，如声波(弹性波、塑性波、体波和面波等)的传播特性，以及岩石的动态强度、动态弹性模量和动态泊松比等动力学参数[52]。岩石动力学参数的获取与应变率或加载率以及对应的试验机密切相关(包括气动快加载机、分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)试验系统、轻气炮、粒子速度测试仪和平板撞击试验装置等)，加载率越高，试验原理及装置越复杂。岩石动力学还格外关注岩石在动力荷载作用下产生的破坏过程及后果，旨在揭示岩石的动态力学性质，为工程设计与施工提供科学依据，降低事故发生的风险。
　　无论静力学理论还是动力学理论，都是通过分析荷载作用下岩石的应力分布、应变状态、破坏过程及结果，为岩石工程的稳定性分析和设计提供理论基础及解决手段。一般来说，所有的力学问题都属于动力学范畴，只有当材料的惯性效应可忽略时，才能作为静力学问题处理。岩石静力学及动力学理论主要适用于浅部岩石工程，即无需考虑荷载作用前岩石初始应力状态，也不考虑应力路径的影响。
　　1.3.1深部岩石动力学定义
　　岩石力学必须紧密结合工程实际，研究深部工程中出现的工程地质灾害。*先要明确深部的概念。在岩石力学与工程领域，深部没有明确的界定，*初以工程所在的绝对深度为指标进行定义，但这种做法以单一的绝对深度为指标界定深部区间。钱七虎[53]认为基于分区破裂化现象来界定深部岩体工程，可以得到深部岩体工程明确的具体概念。王明洋等[54]将地下坑道*大支撑压力区出现初始破裂特征深度作为“深部”界定条件。何满潮[55]认为深部是指工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其以下的深度区间。谢和平等[56]认为深部的界定需要结合应力状态、应力水平和原岩性质共同确定，并提出极限开采深度应从工作面环境温度、巷道变形控制以及采动岩体能量聚集灾变等方面综合确定。李夕兵等[8]认为深部的界定应根据科学产能要求和资源赋存条件，并囊括高应力、高地温和高井深等综合因素，是一个涉及现有经济技术条件和资源开采条件，并与时间和地域密切联系的系统问题。从上述深部概念界定考虑因素可以看出，一种是学术界从力学角度出发，主要考虑深部岩体破坏特征及地应力水平；一种是工业界从工业生产角度出发，认为“深部”是一个相对术语，界定标准随时间、采矿工业发达程度和资源赋存条件而不断变化[8]。深部概念在力学上表现为人为采挖前工程所处的高地应力或高初始应力环境，这是深部岩石力学区别于浅部岩石力学的核心要点。本书认为深部岩石动力学是研究高应力岩石在人为及自然动力荷载(如爆炸、冲击、振动和地震)作用下力学响应及破坏特性的理论。在考虑