研究背景：

近年来，随着水电开发、矿山开采和公路等工程建设的迅速发展，深部岩石工程越来越常见[2]。同时由于地表深度附近可开采的能源的减少，人们必须在更深的地层里进行能源的开采，随着开采深度的增加，岩石的结构构造与其所处的环境都会发生较大的变化，工程灾害的日趋增多，使得与深部开采相关的岩石力学问题已成为国内外学者研究的重点。在已有的研究中，高地应力，高地温，高孔隙水压,还有强烈的开采扰动即三高一扰动是改变岩石基本参数和力学特征的主要原因[2,5,11]。分析这些因为赋存深度增加对岩石力学特征，岩石结构带来的影响，才能得到深层岩石的强度准则以及岩石抵抗破坏能力的变化规律。

地应力的大小和方向是采矿工程的基础，人们发展了一系列的假说来认识地应力场的变化规律[2]。不论这些假说到底正确与否，从这些假说的共同点以及大量实验数据中我们可以发现无论是水平应力还是垂直应力都是随着深度的增加而增加。高地应力是赋存深度大的岩石所面对的地质条件，同时随着深度的增加，岩层所处位置离地核的距离减少，使得温度上升，大约在地下每深100m会增加3摄氏度，由于岩石周围应力的增加，使得孔隙水压力增加，即形成了深部岩石高地应力，高地温和高孔隙水压力的状态。

在这样的情况下首先岩石的结构和构造以及基本参数会在长期的高地应力，高地温和高孔隙水压力作用下发生变化，对于碳酸盐岩样品来说，存在着110摄氏度到120摄氏度的温度阈值，超过后其渗透率会成倍增加，而对于花岗岩来说，温度阈值在60摄氏度到70摄氏度之间，由于组成花岗岩的各种矿物的热膨胀系数不同，过高的温度会使花岗岩出现裂纹[19]，砂岩的热开裂温度阈值则在150摄氏度左右[20]。对于孔隙比随赋存深度的变化，将岩石孔隙率随地层深度变化的数据做成曲线图，得到岩石孔隙率与地层深度关系用四次多项式关系描述比较合适，同时观察分析曲线和数据可以得出这样的结论：岩石孔隙率随着地层深度的增加逐渐减少且减少的幅度也越来越小。并且可认为在6000m到7000m以下的岩石孔隙率为常数[7]。

而孔隙比的减少，意味着岩石本身的结构构造发生了变化，即变得更加致密，也是深层岩石在力学实验中由脆性变为延性的原因，反应了随着赋存深度的增加组成岩石的颗粒会变得更细。与岩石的其他基本力学性质相比，泊松比是一个弹性常数，其意义一般为被低估的。然而，在岩石力学中，有相当多的不同领域需要事先了解或估计泊松比的值[8]。

在北京门头沟大台煤矿玄武岩的单轴压缩实验中[4]，通过实验数据用国际岩石力学学会(ISRM)推荐的方法进行弹性模量、泊松比估算, 从而得到泊松比，弹性模量与赋存深度的关系曲线，玄武岩的泊松比随着赋存深度的增加而减少，而玄武岩的弹性模量则随着赋存深度的增加而增加。最重要的还是岩层强度的变化情况，在实验对象为北京门头沟急倾斜煤层地板不同深度的玄武岩的实验中[4]，单轴压缩强度随着赋存深度的增加而增加。在三轴实验和劈裂实验中，通过计算公式和莫尔圆的绘制可以得到玄武岩单轴抗拉强度，粘聚力，内摩擦角随着岩石的赋存深度的增大而增大。造成其物理力学参数差异的根本原因是岩浆侵入固结后, 在长期地质年代作用下, 由于玄武岩所处地质环境的不同, 尤其由于赋存深度不同引起的地应力环境的差异, 深部的玄武岩因为自重和高地应力导致致密程度增加、孔隙率减少, 强度等参数明显增大, 但变形参数(如泊松比)则有所下降[4]。而对煤系地层不同深度范围的泥岩和砂岩进行力学参数分析研究之后[9]，发现泥岩与砂岩随赋存深度变化其力学参数的改变与上述相似，同时赋存深度的变化对砂岩力学参数的影响大于泥岩的力学参数，并且在赋存深度为1000m时，岩石的力学性质会发生较大变化。姜晨光等通过对不同赋存深度的花岗岩体岩石试样的岩石力学参数进行分析[10]，也得出了随着赋存深度的增加，花岗岩的抗拉强度，抗压强度，弹性模量均存在随赋存深度增大而增大的现象。

在基本力学参数随赋存深度改变的条件下，岩石的破坏形式会随赋存深度的增加发生改变，V.Palchik证明了多孔脆弱砂岩的强度随着孔隙率的增加减小，随着弹性模量的增加增大[16]，而在北京门头沟大台煤矿玄武岩的实验中[5]，随着赋存深度的增加，岩石单轴压缩实验的应力应变曲线会发生一定的变化，在赋存深度较小时，岩层的弹性模量较大，泊松比较小，岩石表现为脆性。此时试样整体承载力达到峰值时，应力应变曲线图即为不稳定曲线Ⅱ，仅出现单个破坏面。当赋存深度较大时，虽然Ⅱ类破坏仍占据主要部分，但是Ⅰ类形式的破坏也开始出现，这是因为高地应力的作用下，较小的颗粒不断向下富集，使得深部玄武岩的延性较好，裂隙也更加的少，深部的玄武岩破坏后产生的颗粒较多且多处贯通，消耗的能量更多，因此深层玄武岩的抵抗破坏的能力也强于浅层的玄武岩。同时随着岩层赋存深度的增加, 岩石破坏的表现也随之发生改变, 根据 Cleary 的研究成果, 发现岩石由浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转化为深部开采条件下由侧向应力控制的断裂生长破坏,即由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破坏, 以及由浅部的脆性力学响应转化为深部的潜在的延性行为力学响应[4],同时高地应力，高地温和高孔隙水压力的存在，使得深层岩体中存在着高压气体，长期处于高压状态的孔隙水和其中的气体使得在开采深部岩体的时候可能会出现岩爆或矿震，即动态的突然破坏，对此，应该对软岩爆破技术进行研究，达到预先模拟爆炸环境的特点和隐患以降低损失和工程灾害[13]。在三点弯曲荷载的作用下[6]，对于多数浅部玄武岩试样，当荷载达到峰值的90%到95%时出现破坏，裂纹从预制缺口出现进而延伸向加载端，最终形成一条主裂缝。随着赋存深度的增加，玄武岩的断裂能有增大的趋势，且玄武岩开始从多处起裂，当接近峰值荷载时这些裂缝相互贯穿，形成一条主裂纹并导致试件破坏，与上述的单轴压缩实验结果吻合，都说明了随着岩石赋存深度的增加，岩石的破坏形式由脆性破坏变为延性破坏。同时对于不同赋存深度的玄武岩来说，岩石类材料断裂韧性敏感度也不同，随着赋存深度的增加，拉伸强度对动态断裂韧性的影响更加明显，即在相同的扰动的情况下，深部岩石更难保持稳定状态，更容易发生断裂失稳破坏[11]。在这样的情况下，必须研究一种可以描述深层岩体强度的强度准则。

对于一般的岩体强度，我们可以对其进行估算，利用岩石完整性系数[1]

岩体完整性系数确定后可以计算准岩体强度，Hoek和Brown根据岩体性质的理论和实践经验，用实验法导出了岩体破坏时主应力之间的关系，可得到岩体的单轴抗压强度，单轴抗拉强度，剪应力， Hoek曾指出，m与库伦-莫尔判据中的内摩擦角非常类似，而s则相当于内聚力c值。这时显然估算出来的岩体强度偏低，特别是在地围压下及较坚硬完整的岩体条件下，估算的强度会明显偏低。但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙化岩体，Hoek认为这一方法估算的是合理的,H.Saroglou,G.Tsiambaos则对Hoek-Brown破坏准则进行了一定的修正，将岩石的各向异性与破坏准则联系起来，通过引进一个新的参数来表达岩石各向异性的影响，从而使破坏准则在应用于各向异性的岩石时更加准确[18]。同时我们也需要认识到在孔隙比相同的情况下，不同形状的孔隙比也会对岩层的强度造成一定的影响，因此在探讨岩层强度时，了解岩层孔隙的形状特别是其中的囊泡和裂缝是十分有必要的[14]，还有岩层受到的扰动也会对其的强度产生影响，H.Sonmez,C.Gokceoglu通过Hoek所制定的关于扰动系数的评定，对变形模量和强度进行计算[15]。H.Karakul,R.Ulusay,N.S.Isik研究了荷载施加方向与岩石结构面的角度对岩石强度的影响[17]。考虑到深层岩体的特殊性，周小平等[3]给出了深层岩体强度准则，考虑了裂纹间的相互作用根据研究成果确定了n,b,d与RMR的关系，提出了根据M，H，Yu等考虑中间主应力的影响方法所得的深部岩体破坏准则，并由此求得岩体的单轴抗拉强度和单轴抗压强度。经过了理论值与高应力状态下深部岩石实验值得对比分析该准则在高应力状态下比统一强度理论和Hoek—Brown准则更接近实验值，因而说明该准则既适用于浅部岩体的脆性破坏，也适用于深部岩体的延性或脆性破坏。