在河谷下切、开挖扰动和地震作用,以及在张扭断层、悬挑危岩等工况下,岩石或产生强烈卸荷诱发破坏,或承受拉剪应力而发生破坏,又或者由压剪向拉剪逐渐转换的过程中发生破坏。剪切破坏是岩石的基本破坏形式,但岩石在卸荷和加载条件下的剪切力学行为,以及在拉、压应力条件下的剪切力学行为存在明显差异。为了研究在法向卸荷及拉伸条件下岩石的剪切力学行为,本文依托国家自然科学基金面上项目“强震诱发拉裂-滑移型滑坡瞬态超低摩擦启动机理(41472245)”,采用室内实验、数值模拟及理论分析等手段,在法向卸荷及拉伸条件下岩石的变形破坏、能量演化、强度准则和细观破裂机制等方面取得了一些研究成果。主要研究工作和成果如下:(1)设计了一种用于研究卸荷作用下岩石剪切力学行为的直剪试验方法。针对在中国广泛分布的砂岩进行了法向卸荷下的直剪试验研究。测试结果表明,在法向卸荷作用下,岩石的粘聚力会随初始法向应力的增大而减小,而内摩擦角会随初始法向应力的增大而增大。破坏时法向位移和剪位移随着初始剪应力的增大逐渐增大,而卸荷过程中法向位移随初始剪应力的增大逐渐减小。卸荷过程中剪位移对初始应力不敏感,与初始应力的相关性较弱。初始应力和破坏应力之间的关系,可用空间二次曲面描述。(2)提出了岩石直剪试验和法向卸荷直剪试验过程中应变能耗散及释放的计算方法。对于法向卸荷直剪试验,在卸荷阶段,外力对试样做的总功会随初始应力的不同而表现出不同的变化形式。初始应力较大时,总功在卸荷阶段更容易表现为逐渐增大,而在低初始应力下,总功更趋向于逐渐减小。在施加剪应力时,部分剪力做的功会在法向方向以做负功的形式被释放。在试样发生破坏时,低初始应力下法向应力做的功更多的表现为小于零,而高法向应力下法向力做功更多的表现为大于零。试样破坏时法向力做功的大小能够反映岩石剪切过程中剪胀的剧烈程度。提出了采用转换能作为岩石破裂的判据,在直剪试验和法向卸荷直剪试验中,转换能在一定范围内波动而与应力无关。当转换能小于该范围的下限时,认为岩石不会发生破坏,而大于这一范围的上限时认为试样已经发生破坏,转换能在这一范围内时认为岩石即将发生破坏。(3)设计了一套用于法向拉伸条件下岩石直接剪切的双面剪切实验装置。相对于法向压应力,砂岩试样的剪切刚度和峰值剪位移对法向拉应力的敏感度明显更高。在拉剪强度准则方面,摩尔库伦准则只适用于描述砂岩的压剪强度,而霍克布朗准则更适用于描述砂岩的拉剪强度。提出了基于摩尔库伦准则和霍克布朗准则的分段强度准则。该强度准则在拉应力段采用霍克布朗准则,在压应力段采用摩尔库伦准则。随着法向拉应力(绝对值,下同)的减小,砂岩的拉伸断裂特征减弱,剪切破裂特征增强。随着法向拉应力的减小,岩石逐渐由以拉伸破坏为主转换为以剪切破坏为主。针对岩石断裂面光学扫描无序点云的特征,提出了无序点云有序化处理方法并设计了岩石断裂面三维粗糙度参数计算软件。计算结果显示,拉剪断裂面三维倾角和粗糙度相关系数随法向拉应力的增大逐渐非线性增大,扭曲系数和一阶导数均方根随法向拉应力的增大逐渐线性增大。随着法向拉应力的增大,断裂面的粗糙度逐渐增大。(4)采用岩石直接拉剪试验装置对灰岩、花岗片麻岩和玄武岩进行了直接拉剪试验。结果显示,岩石在拉剪应力下法向位移有三种变化规律:I逐渐减小、II逐渐增大和III先增大后减小。其中只有灰岩会产生I型变化规律,且发生在法向拉应力较小时。III型变化规律在三种岩石中均有出现,但在灰岩中明显更多。III型变化规律在法向拉应力较小时出现概率较大,而在法向拉应力较大时更多的出现II型变化规律。灰岩和花岗片麻岩的剪切刚度随法向拉应力的减小分别成线性和非线性减小,而玄武岩的剪切刚度在拉应力段基本保持不变。抛物线准则在三维应力空间内的屈服面是一个椭圆抛物面。(5)采用PFC数值计算程序,对法向拉伸条件下的岩石剪切力学行为进行了离散元模拟研究。提出了采用剪切破坏率来描述岩石的拉剪转换过程的方法,证明了岩石的拉剪转换具有线性连续性。法向拉应力较小时,初始裂纹为剪裂纹,而法向拉应力较大时,初始裂纹为拉裂纹。初始裂纹反映了岩石破坏的诱导因素。根据数值模拟结果,提出了基于细观破坏的岩石拉剪强度准则,并揭示了霍克布朗准则中拟合参数的细观物理意义。