随着工程建设中深埋长大隧道的不断涌现,加上西部地区的特殊地质环境,高应力高水压条件下隧道围岩体的稳定性问题已成为热点话题。水压力在岩石的破坏过程中,将刺激岩石内部裂纹的扩展,加速岩石的破坏,使得水-力耦合作用下岩石的力学行为变得复杂化。鉴于此,本文以八庙隧道工程为研究背景,开展硬岩的岩石力学试验研究,深入分析水-力耦合作用下岩石的力学性质、声发射特性、能量演化规律、渐进破坏进程以及脆性特征。并以试验研究为基础,建立了水-力耦合下硬岩的非线性弹-脆-塑性本构模型。论文的主要研究内容及成果如下:(1)利用岩石材料刚性伺服试验机MTS815,开展不同围压及孔隙水压下砂岩的常规三轴加卸载试验,分析岩石的力学性质。在水-力耦合作用下,砂岩受力过程中的应力-应变曲线的各变形阶段较为明显,岩样在峰后阶段大都出现了脆性跌落的特征,部分表现为II型曲线的特点。文中采用平面方程描述最大主应力与围压及水压的关系,得出最大主应力与围压呈正相关,与水压呈负相关的性质。水压不仅对岩石强度存在弱化作用,岩石的峰值点应变和最大体积应变随水压的增大呈降低趋势,表现出随水压的增大,岩石压缩极限减小,破坏提前发生。卸荷试验与常规加载试验相比,岩石的峰值强度降低,峰值点应变减小;岩石在卸荷破坏后,其应力跌落过程中轴向应变增量减小,岩石在卸荷条件下的破坏过程更加剧烈。(2)对砂岩三轴试验过程进行声发射现象监测,分析水-力耦合下岩石的声发射特性。得出岩石的声发射活动在加载初期较为平静;进入到弹塑性变形阶段后,声发射活动趋于活跃,累积振铃计数曲线出现拐点;峰值强度前后,声发射现象最为活跃,此阶段内累积振铃计数迅速增大;峰后应力跌落过程中,仍有大量声发射活动。随着围压的增大,振铃计数幅值有所减小,而砂岩的声发射特征随水压的变化无明显规律性。和常规试验相比,卸荷试验下岩石的声发射率水平有小幅增加。从能量角度看,各能量密度随加载应力的增大逐渐增涨,总能量随轴向应变的增加呈“上凹”型发展。岩石屈服前,随着应力的增加,大部分能量以弹性能的形式储存起来,耗散能较小;达到屈服强度后,弹性能缓慢增加,耗散能增涨速率加快;当应力达到峰值强度时,弹性能瞬间释放,耗散能陡增。随着围压的增加,砂岩储能极限逐渐增大,破坏时耗散能比例越大;随着水压的增加,砂岩的储能极限逐渐降低,储能极限减少量增大。(3)基于试验结果,分析了在水-力耦合作用下砂岩的渐进破裂过程和脆性特征。得出随着水压的增大,岩石的闭合应力增大,损伤强度逐渐减小。水压对砂岩渐进破裂过程的影响主要表现为:在裂纹闭合阶段,抑制岩石中微裂纹的压密闭合;在裂纹稳定扩展阶段,孔隙水压的尖端劈裂作用将会促进岩石中新裂纹的萌生和刺激原有裂纹的扩展,使得该阶段变短;在裂纹非稳定扩展阶段,损伤应力与峰值强度的比值随水压的增大而减小,使得该阶段有所延长。岩石的脆性程度随围压的增大而减小,表现出围压对岩石变形破坏的抑制作用;随着水压的增加,砂岩峰后应力降的速率增大,脆性指标增大;卸荷条件下,岩石的脆性特征较常规加载试验时进一步提高。由此可以得出,岩石在受荷破坏过程中,由于孔隙水压力的存在,岩石的残余承载力降低,脆性特征增强,破坏过程更为突然、剧烈。(4)通过分析岩石破裂过程中的特征,根据试验结果建立砂岩在水-力耦合作用下的非线性弹-脆-塑性本构模型。该本构关系在峰前区,用分段式弹性模型代替线弹性模型;应力跌落段采用连续线性软化模型来表示;残余段按理想塑性来处理。通过对比分析,文中提出的本构模型计算结果与试验数据基本吻合,表明该弹-脆-塑性本构模型能够反映水-力耦合作用下砂岩的力学行为。