夜雨聆风同行佳作共赏
思想掘进
方法匠心
视野裂变
No.1 研究亮点
1、亮点一：系统装备创新： 创新性地改进了真三轴电液伺服测试系统并自主设计了孔内加卸载装置，成功实现了真实三维地应力环境下孔壁液压的伺服加载与极速卸载，完美再现了深部地下工程开挖过程中的卸载扰动路径。
2、亮点二：揭示最优与最劣开挖朝向： 系统量化并对比了不同三维主应力方向与孔洞轴向的组合对面岩力学响应的影响，明确界定孔洞沿中间主应力方向布置时最易失稳（最危险布置），而沿最大主应力方向布置时抗压稳定性最佳（最安全布置）。
3、亮点三：阐明渐进破坏与多阶段演化机制： 深入揭示了孔洞周围岩体在不同主应力朝向下的破坏机制差异。指出孔洞垂直于最大主应力布置时表现出显著的V型槽剥落（剪切破坏为主），而平行于最大主应力时则产生周向剥裂和轴向张拉开裂（拉-剪复合破坏），并精细划分了各自演化的四个典型阶段。
No.2 摘要
为全面认识孔洞方向与应力路径对受开挖扰动岩石力学响应及破坏特征的影响，对含圆孔（30 mm）的立方体岩石试样（100 mm × 100 mm × 100 mm）进行了一系列真三轴加卸载试验 。改进了真三轴电液伺服测试系统，以实现通过内部孔洞进行加卸载 。实验方案包括：孔洞朝向不同方向的真三轴压缩试验；孔洞朝向最危险方向的真三轴内孔加卸载试验；以及孔洞朝向最安全方向的单轴压缩、三轴压缩及真三轴内外孔加卸载综合试验 。研究发现，孔洞沿中间主应力方向布置的岩石试样最容易发生破坏，而孔洞沿最大主应力方向布置的试样最稳定 。在内孔加卸载条件下，岩石在破坏过程中表现出增强的塑性，且岩石破坏的严重程度随应力路径复杂性的增加而增加 。当孔洞沿最小和中间主应力方向布置时，孔壁附近的岩石破坏经历微裂纹萌生、裂纹扩展与局部剥落、V型槽形成及完全破坏四个阶段 。当孔洞沿最大主应力方向布置时，破坏过程则包括周向裂纹萌生、裂纹扩展、周向剥落破坏及孔洞压裂破坏四个阶段。
No.3 研究方法
（一）岩石试样
为保证试样的均质性，实验所用的岩石材料全部取自巨大岩块，包括大理岩（变质岩）、花岗岩（岩浆岩）和砂岩（沉积岩） 。首先加工出直径50 mm、长100 mm的标准圆柱体试样以及直径50 mm、厚25 mm的圆盘试样，每种类型准备5个平行试样；通过单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验，详细测定了材料的杨氏模量、泊松比、抗拉强度、内聚力、内摩擦角以及不同围压（30 MPa和60 MPa）下的抗压强度等基础物理力学参数（例如，大理岩、花岗岩和砂岩的单轴抗压强度分别为129.22 MPa、126.24 MPa和97.79 MPa） 。为了模拟深部硬岩真实的三维应力状态，制备了尺寸为 $100 mm \times 100 mm \times 100 mm$、中心带有直径30 mm圆孔的空心立方体试样，且试样的六个面均经过严格抛光，以最大程度地减小加载过程中的端面摩擦约束和边界效应 。选用30 mm孔径的原因在于：地下工程中开挖扰动的影响区通常为开挖半径的3至5倍；本实验中试样宽度与孔径之比为3.33，刚好满足此影响区下限标准 。受限于真三轴实验在室内环境对设备超高加载能力及大尺度样品取样控制的挑战，采用边长100 mm且孔径介于25至50 mm的立方体岩样是目前被广泛认可和应用的尺度 。
（二）实验设备
本研究建立了一套专用的测试系统，用于探究深部硬岩在真三轴围压下由开挖卸载引发的破坏特征 。该测试系统主要由三部分组成：(1) 孔内加卸载装置：孔洞内安装有液压胶囊，用于将液压传递至孔壁，同时有效防止液压油直接侵蚀接触岩石试样 ；(2) 加载盒：包含六根加载杆，可将三轴围压精准传递至立方体试样的六个端面，并配备三个引伸计以记录试样在三个方向上的变形量 ；(3) 真三轴加载主机：包含一个加载推车（可根据试样位置沿X方向前后移动，施加前后端面的X向围压）以及一个方形承载框架（负责对试样的左右端面和上下端面分别施加Y向和Z向围压） 。
（三）实验方法与路径
众所周知，深部开挖卸载通常包含两个典型阶段：隧道开挖面边界约束释放引起的瞬时卸载阶段，以及开挖完成后由相邻隧道继续开挖或区域应力重分布引起的后续应力调整卸载阶段 。为了在力学上真实再现深部巷道围岩的应力演化，本研究设计了三种核心加卸载路径 ：
(1) 孔洞朝向不同方向的真三轴压缩试验（TTC-DD）： 针对空心大理岩试样，将孔洞分别沿最大、最小和中间主应力方向布置，施加初始水平应力（σx=20 MPa，σy=40 MPa），通过模拟不同隧道轴线走向，找出围岩极易破坏的“最危险布置”和响应稳定的“最安全布置” 。
(2) 最危险布置方向下的真三轴测试（TTC-MD & TTC-MDHU）： 确定孔洞沿中间主应力方向为最危险布置后，对大理岩、花岗岩和砂岩试样进行常规真三轴压缩（TTC-MD）和真三轴孔内加卸载试验（TTC-MDHU）；初始三维应力设定为σx=20 MPa，σy=40 MPa、σz=20 MPa 。此阶段通过卸载孔内压力，模拟了巷道开挖瞬间边界约束释放引发的瞬时卸载扰动过程 。
(3) 最安全布置方向下的综合卸载测试（UC-MS, TTC-MS, TTC-MSHU, TTC-MSLU）： 针对花岗岩试样，在孔洞沿最大主应力（最安全）方向布置、且初始应力场设定为均匀状态（σx=σy=20 MPa）的条件下，分别开展单轴压缩、真三轴压缩、真三轴孔内加卸载，以及孔内压力与侧向围压综合卸载试验 。此处的侧向围压卸载专门用于模拟巷道达到暂时稳定后，因相邻巷道施工或区域应力调整而产生的后续应力卸载阶段 。
（四）加卸载控制参数与细节
单轴与常规三轴压缩试验均采用力控加载，加载速率恒定为 2 kN/s ；孔内应力通过应力控制方式施加至孔壁，速率为 0.2 MPa/s，且与外部三轴应力同步加载，以真实模拟开挖前的应力状态 。对于卸载过程，采用“极速卸载”模式：孔内液压以 200 MPa/s 的极高率卸载，外部围压以 100 kN/s 的速率卸载，精准再现了瞬态开挖引起的应力调整与卸载扰动 。为确保试样在预定的卸载阶段发生破坏，特定的轴向加载（Z向）被精心设计：在真三轴孔内单卸载测试（TTC-HU）中，卸载前需将Z向应力继续提升至1.1倍的真三轴峰值强度（1.1 σzc），使岩石处于临界高应力状态，既防止了轴向加载阶段的提前破坏，又显著增强了试样对内孔卸载引起应力重分布的敏感性 ；而在真三轴内外孔综合卸载测试（TTC-LU）中，卸载前则将Z向应力提升至单轴与真三轴抗压极限的平均值，这一中间态应力水平确保了试样能在孔内卸载第一阶段后依然保持稳定，而在随后的外部侧向围压卸载阶段才被诱发破坏，从而实现了两阶段卸载诱发破坏过程的有效分离与观察 。
No.4 结论
（1）岩石试样的承载能力和破坏模式随孔洞相对于主应力方向的布置而发生变化 。当孔洞沿中间主应力方向布置时，试样最容易发生破坏；而沿最大主应力方向布置时，则提供最高的稳定性 。具体而言，孔洞沿中间和最小主应力方向布置时，以剪切破坏为主导；而当其沿最大主应力方向布置时，破坏模式转变为拉-剪复合型破坏 。（2）孔内应力的存在提高了岩石试样的裂纹闭合应力与裂纹损伤应力，促进了预存微裂纹的闭合，同时抑制了新裂纹的萌生和扩展 。这一效应显著提升了试样的承载能力，减少了峰值强度处的应变积累，推迟了整体失稳的发生，并使得破坏过程呈现出更强的渐进性特征 。（3）不同的应力环境极大影响了围岩的承载能力和失稳模式 。在单轴压缩下，围岩缺乏侧向约束，表现出承载力低、失稳迅速的特点，极易发生严重的脆性破坏 。引入围压和孔内应力后，围岩承载力显著增强，峰后变形能力增加，破坏过程由突发性失稳向渐进式破坏转变 。然而，如果在内孔卸载之后进一步卸载围压，会加剧围岩内部的应力重分布，从而极易引发突发性失稳与严重破坏 。这表明在深部隧道开挖中，卸载顺序和应力调整路径对控制围岩稳定性起着至关重要的作用 。（4）岩石试样的破坏演化过程亦受孔洞方向影响，可归纳为两种情况 。当孔洞垂直于最大主应力方向时，孔壁附近的破坏过程通常经历四个阶段：微裂纹萌生、裂纹扩展与局部剥落、V型槽形成及完全破坏 。相反，当孔洞平行于最大主应力方向时，破坏过程依次为周向裂纹萌生、裂纹扩展、周向剥落破坏及孔洞压裂贯通破坏 。
No.5 主要图表
END
引用格式：
Wang S, Xiao Y, Zhou Z, et al. Responses and failure characteristics of rock containing a circular hole under multi-path coupled true triaxial loading and unloading[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2026, 171: 107498.
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