原岩应力是地下矿山施工设计和围岩稳定性分析的重要参数之一,套孔应力解除法因其操作难度低、适用范围广、数据可靠性高等特点,成为当前采矿工程领域最常用的原岩应力测量方法。然而,随着我国矿产资源开发向深部推进,岩体逐渐呈现显著的非线性时效变形特征,导致基于瞬时线弹性假设的传统原岩应力解算方法适用性降低。因此,开展岩石时效变形特征研究,揭示岩石应力释放时效机制,在此基础上优化传统瞬时线弹性原岩应力解算方法,对提高复杂环境下原岩应力测量精度,指导矿山开采设计,保障矿产资源安全和高效开发具有重要意义。 本文以国家自然科学基金重点项目为依托,开展了花岗岩和粉砂岩的单调加载试验和分级加卸载流变试验,分析了不同应力水平和不同围压下岩石的时效变形特征,构建了非线性强化-损伤黏弹塑性流变本构模型;揭示了岩石蠕变及应力释放时间效应的宏-细观机制;提出了考虑岩石应力释放时效性的套孔解除原岩应力解算优化方法,并在新疆大明天湖铁矿和宁夏红墩子煤矿进行了应用。论文取得的主要成果如下: (1)基于花岗岩和粉砂岩的单调加载试验结果和特征应力值,设计了岩石的单轴和三轴分级加卸载流变试验,提出了考虑黏塑性变形累积效应的蠕变曲线修正方法,根据各类变形的物理意义与形成机理,定量分离了岩石在流变过程中的瞬时弹性应变、瞬时塑性应变、黏弹性应变和黏塑性应变,分析了不同应力水平和不同围压下岩石的时效应变及其变形速率随时间的发展规律,揭示了岩石在不同特征应力区间内的流变演化特征。 (2)明晰了岩石流变过程中黏弹性应变率的非线性特征以及黏塑性应变的塑性强化和损伤特征,构建了非线性强化-损伤黏弹塑性流变本构模型,并提出了模型参数的确定方法。该模型能够准确描述岩石在衰减蠕变、稳态蠕变、加速蠕变以及应力释放后应变恢复阶段的变形演化特征。 (3)分析了岩石在不同围压下的蠕变破坏宏-细观形态,阐述了岩石蠕变破坏机制,提出了岩石在三轴加卸载流变过程中时滞能量的计算方法,厘清了能量演化与应力和时间的关联特征,明晰了岩石时效变形恢复以及弹性能滞后释放的机理;基于构建的黏弹塑性流变本构模型,进行了 PFC颗粒接触模型的二次开发,探究了三轴加卸载流变过程中岩石接触力链、颗粒位移和裂隙分布随时间的演化规律。基于颗粒骨架和颗粒链接键的细观空间行为及其宏观表象响应特征,揭示了不同特征应力区间内岩石蠕变及应力释放时间效应的宏-细观机制。 (4)基于新建流变本构模型,修正了传统瞬时线弹性孔壁应变关系式,提出了应力-时间关联岩石非线性力学参数确定方法和空心包体应变计时效非线性应变计算方法,给出了套孔应力时效解除原岩应力测量规范化流程,建立了考虑应力释放时效性的原岩应力解算优化理论;研发了非线性-时效解算自适应迭代算法及配套解算软件,实现了原岩应力非线性时效解算的自动化、便捷化和高效化。 (5)在天湖铁矿和红墩子煤矿现场开展了套孔时效解除原岩应力测量,基于提出的解算优化方法获得了天湖铁矿736m埋深和红墩子煤矿510m埋深位置的最大、中间和最小主应力。此外,根据14类岩石的工程验算发现,若忽略时效变形对套孔应力解除的影响,会导致原岩应力解算结果偏大,对于弱流变特性岩体,岩石的应力释放时效性对解算结果造成的影响达1.6%~7.7%;对于强流变特性岩体,该影响可达10%以上。