木寨岭板岩隧道埋深大,岩体破碎,围岩变形受岩体结构效应影响显著,处于高地应力和地下水耦合作用下,隧道围岩蠕变特性显著,对隧道开挖进程及施工安全产生严重影响。以往的研究因缺乏能模拟工程实际环境条件的实验设备及实验方法,对于隧道板岩吸水强度软化结构效应及其吸水软化机理还未被充分认识,进而导致隧道支护设计与控制手段的确定缺乏可靠依据,从而难以实现对木寨岭隧道围岩稳定性的有效控制。本文依托国家自然科学基金资助项目(51874311,深井软岩温压耦合吸水软化流变特性及控制对策)以及渭武高速公路木寨岭特长隧道大变形控制与设计项目,利用深部岩土力学与地下工程国家重点实验室深部软岩水理作用测试仪、真三轴实验系统和深部软岩五联蠕变实验系统,采用岩石力学、流变力学、损伤力学,从现场地质情况、室内实验、理论分析、数值模拟等方面开展研究工作,研究分为板岩吸水强度软化结构效应研究、板岩吸水强度软化结构效应数值模拟研究、长期时间效应下板岩吸水软化蠕变结构效应研究以期获取含水率和结构效应影响下的板岩力学特性,主要取得以下研究进展:(1)矿物成分含量和微观结构是导致木寨岭隧道大变形的重要原因之一,隧道围岩粘土矿物含量多,石英含量低,容易吸水产生大变形破坏。(2)板岩吸水分为三个阶段,其中缓速吸水阶段为板岩主要吸水阶段,通过反演分析确定了孔隙度和初始含水率是板岩吸水的关键参数。(3)板岩单轴压缩破坏形态受含水率和结构效应共同作用,相同层理倾角,单轴抗压强度随着含水率的增加有减小趋势;相同含水状态,单轴抗压强度随着层理倾角增加有先减小后增加的趋势,呈“U”型分布。(4)利用单弱面理论解释了饱和状态下板岩受结构效应影响的单轴抗压强度变化规律,确定了易发生剪切破坏的层理倾角范围。(5)通过微观结构和理论分析,认为板岩的吸水软化机理为水沿层理弱面进入板岩内部,在层里面附近引起物理、化学、应力的耦合作用,使板岩沿层理面产生微裂隙,内部粘聚力降低,宏观上表现为强度降低,软化效应明显。(6)离散元数值模拟结果显示层理倾角0°、30°和90°模型裂纹扩展主要受张拉应力控制,层理倾角45°和60°模型模型裂纹扩展主要受剪切应力控制;含水率对裂纹扩展的影响主要体现在层理倾角0°、30°和90°模型中,表现为含水率越低,模型裂纹受张拉应力控制越明显;数值模型的破坏形态与室内实验结果对应效果良好。(7)板岩蠕变参数受含水率和结构效应影响明显,总体蠕变量较小;板岩蠕变变形包含瞬态蠕变和稳态蠕变,加速蠕变现象不明显,建立了考虑含水率和结构效应的蠕变方程。(8)板岩蠕变实验中初始加载时刻和破坏时刻释放的能量占总能量的大部分。相同含水状态下,初始能量释放随着层理倾角的增加而增加;相同含水状态下,破坏时能量释放随着层理倾角的增加有先减小后增加的趋势;初始能量、破坏时累计能量、初始主频值和破坏时主频值随含水率的增加有减小的趋势。通过研究本文主要取得以下创新点:(1)通过多种实验设备协同、多尺度测量分析了含水率和结构效应对板岩力学特性的影响,揭示了板岩吸水软化机理。(2)利用离散元数值模拟方法对板岩吸水强度软化结构效应进行了数值模拟研究,分析了含水率和结构效应对板岩裂纹扩展规律和破坏形态的影响。(3)通过自主研发的五联蠕变实验系统,进行了板岩吸水软化蠕变结构效应实验研究,建立了考虑含水率和结构效应的蠕变方程。掌握了受含水率和结构效应影响的板岩蠕变实验过程中声发射能量变化特点和主频特征变化规律。