卸载岩爆试验及PFC^3D数值模拟研究.pdf

第 2 9卷增 2 2 0 1 0年 9月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 9 S up p． 2 Se pt ． ， 201 0 卸载岩爆试验及 P F C 3 D 数值模拟研究 吴顺川 2 周喻 1 ．北京科技大学 土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ． 北京科技大学 ，高 斌 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 摘要以张家口一石家庄高速公路隧道岩爆灾害为工程背景，进行室内卸载岩爆试验；并基于颗粒流法和 P F C 如 程序 ，采用内置 F i s h语言编制加卸载命令流 ，进行卸载岩爆试验 数值模拟 ，得 出不 同应力状态下的岩样细观破裂 现象与过程，可有 效地判别与验证岩爆 的产生 。研究结果表 明 1 研 究区域灰质 白云岩的岩爆类型为瞬时岩爆 ， 岩爆烈度等级为 I V级 ；岩爆发生时试件端部全面崩垮 ，试件卸载面 中部片状剥离并伴随颗粒混合弹射 。 2 根据 应力环境的变 化，卸载岩爆试验的进程 可分 为平静期 、局部颗粒弹射期 、发展期及最终爆发期等 4种状态 。 3 瞬 时岩爆发生时的颗粒黏结破裂机制以张拉型破裂为主、剪切型破裂为辅。 4 模拟卸载岩爆发生时的荷载等级、试 件应力 一 计算时步曲线、破坏形式等均与室内试验结果较为吻合，表明 P F C 如数值模拟方法可部分代替室内卸载 岩爆试验 ，大 幅降低试验费用，是岩爆试验研究 中的一种新的有效途径 。 关键词岩石力学；岩爆；卸载试验；颗粒流法；P F C 如；数值模拟 中圈分类号T u 4 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 1 0 增 2 4 0 8 2 0 7 STUDY oF UNLoADI NG TESTS oF RoCK BURS T AND PFC3 D NUM ERI CAL S I M ULATI oN W U S h un c hu a n 2 ，ZHOU Yu ， GAO Bi n 1 ． S c h o o l o fC i v i l a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g yB e ij i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． Ke y L a b o r a t o r yo f Mi n i s t r yo f E d u c a t i o n f o r E ffi c i e n t Mi n i n ga n dS a f e t yo f Me t a l Mi n e s ，U n i v e r s i ty o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o gy B e r i n g ，B e o i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t ．Ac c o r d i n g t o r o c k b u r s t h a z a r d o f Z h a n g j i a k o u --S h ij i a z h u a n g h i g h wa y t u n n e l ，l a b o r a t o r y u n l o a d i n g t e s t s o f r o c k b u r s t we r e c o n d u c t e d ．Ba s e d o n p a r t i c l e fl o w t h e o ry a n d P F C 如 ，a l o a d i n g un l o a d i n g c o d e wa s d e v e l o p e d b y u s i n g Fi s h l a ng u a g e e m b e dd e d i n PFC t o c a r r y o u t n ume r i c a l s i mul a t i o n o f l a b o r a t o ry u nl oa d i n g t e s t s o f r o c k bur s t ．Thi s a p pr oa c h r e p r o d uc e s t he d a m a g e p r o c e s s e s a nd me s o s c o pi c fra c tur e ph e no me na o f un l oa d i n g r o c k bu r s t u nd e r d i ffe r e n t s t r e s s c o nd i t i o ns ； a nd i t pr o vi d e s a n e f f e c t i v e me a n s f o r di s c r i m i na t i o n o f r o c k b u r s t o c c u r r e n c e ． T h e r e s u l t s a r e d r a w n a s f o l l o w s 1 The r o c k b urs t o f c a l c i t e d o l o mi t e o f s tud y a r e a i s a n i n s t a nt a n e o us t y pe a nd i t s i n t e ns i t y l e ve l i s I V． The e n ds o f t he s pe c i me n f ul l y c o l l a ps e wh i l e t h e c e n t r a l e x p os e d s urf a c e o f t h e s p e c i me n s i p s b y s l i c e s a c c o mp a n y i n g wi t h p a r t i c l e s e j e c t i o n ． 2 T h e wh o l e r o c k b u r s t p r o c e s s o f l a b o r a t o r y t e s t c a n b e d i v i d e d i n t o f o u r s t a t e s i n c l u d i n g q u i e t s t a t e ，l o c a l p a r t i c l e s e j e c t i o n s t a t e ，d e v e l o p i n g s t a t e a n d fi n a l e r u p t i v e s t a t e b a s e d o n t h e v a r i a t i o n i n s t r e s s e n v i r o n me n t ． 3 F r a c tur e me c h a n i s m o f p a rt i c l e s b o n d d u r i n g i n s t a n t a n e o u s r o c k b urs t i s p e rt a i n i n g t o t e n s i o n typ e p r i n c i p a l l y ． 4 T h e l o a d g r a d e ，s t r e s s s t e p c u r v e a n d f a i l ure p a t t e r n o f r o c k b u r s t i n s i mu l a t i o n a r e c o n s i s t e n t wi t h l a b o r a t o ry u n l o a d i n g t e s t s c o r r e s p o n d i n g l y ． Th e r e f o r e ， P F C n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d c a n b e s u b s t i tut e d f o r s o me l a b o r a t o ry u n l o a d i n g t e s t s o f r o c k b urs t for i t s v a l i d i ty，l o we r e x p e r i me n t e x p e n s e a n d c o n v e n i e n c e ；a n d i t a l s o p r o v i d e s a n e w e ff e c t i v e wa y t o s t u d y r o c k b urs t ． Ke y wo r d s r o c k me c h a n i c s r o c k b u r s t ； u n l o a d i n g t e s t s ；p a r t i c l e fl o w me t h o d；P F C ；n u me r i c a l s i mu l a t i o n 收稿 日期2 0 1 0 0 5 1 2 ；修回 日期2 0 1 0 0 61 3 基金项 目l国家 自然科学基金资助项目 5 1 0 7 4 0 1 4 ；国家高技术研究发展计； 1J 8 6 3 项 目 2 0 0 9 A Al l Z 1 0 5 作者简介z吴顺川 1 9 6 9一 ，男，博士，2 0 0 4年于北京科技大学工程力学专业获博士学位，现任教授、博生导师 ，主要从事岩土工程、采矿工程等 方面的教学与研究工作。E ma i l wu s h u n c h u a n u s t b ． e d u ．c n 第 2 9卷增 2 吴顺川，等．卸载岩爆试验及 P F C m数值模拟研究 4 0 8 3 1 引 言 岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中， 硬脆性围岩因开挖卸载导致洞壁应力分异，储存于 岩体中的弹性应变能突然释放而产生爆破松脱、剥 落、 弹射甚至抛掷现象的一种动力破坏地质灾害I J J 。 岩爆的发生直接威胁着人员和设备的安全 ，早 已引起工程 和科技人员 的重视 。 目前 ，B．H．G B r a d y等 J 在岩爆机制、类型、形成条件、灾害防 治等方面进行 了诸多研究 ， 提出了许多理论及预测 方法，包括强度理论、刚度理论、能量理论及失稳 理论等。但 由于产生岩爆的影响因素十分复杂，人 们对岩爆的发生条件及机制尚未形成统一的认识。 室 内岩爆试验[ 8 1 1 l 作为一种探讨岩爆机制及研 究岩爆类型的重要手段，对可能发生岩爆地区的岩 石试件进行岩爆仿真试验 ，并判断该岩石所在区域 是否会发生岩爆和何种情况下发生岩爆 ，从而进行 岩爆的预测预报 。因此，该方法正越来越多地被岩 爆研究工作者所采用 。但是，由于室内岩爆试验设 备复杂、试验费用昂贵，使得该方法的运用受到了 很大的限制。 颗粒流法作为一种新兴的数值分析方法，是 由 P ． A． C u n d a l l 和 O． D． L ． S t r a c k [ 2 ] 在离散元理论基础 上提 出的，广泛应用于岩石类材料基本特性、颗粒 物质动力响应、岩石类介质破裂和破裂发展等基础 性问题的研究。该方法从细观角度 出发，采用颗粒 构建数值计算模型；研究颗粒的运动及其相互作用， 可由平动和转动方程确定每一时刻颗粒的位置和速 度，模拟介质基本特性随应力环境的变化，反映介 质的连续非线性应力 一应变关系；同时，颗粒 间的 接触会受外部作用的影响而发生破坏 ，致使颗粒相 互分离 ，从而实现对介质 内部裂纹的产生及扩展过 程的模拟，深入揭示介质的破裂机制。目前，颗粒 流法 已广泛应用于岩石力学行为模拟研 引 ， 但 应用于岩爆过程及机制模拟尚不多见。 本文 以张家 口一石家庄高速公路二期工程化稍 营一蔚县段隧道群岩爆灾害为工程背景 ，进行了室 内卸载岩爆试验研究，并基于颗粒流理论及 P F C 如 程序，采用 F i s h语言编制加卸载命令流，进行了卸 载岩爆试验数值模拟，得出卸载岩爆试验 的破坏过 程及细观破裂现象 ，研究结果可作为隧道设计及施 工建设的参考依据。 2 工程概况 张家 口一石家庄高速公路二期工程化稍营一蔚 县段 隧道群坐落 于太行 山北段 主脉 至蔚县南部 山 区，全线除黑石岭隧道外，其余隧道地层较单一， 隧址区除山坡分布第 四系坡积 Q 和洪积 Q 碎 石、角砾外 ，其他地段大部分基岩裸露，岩性为震 旦亚界蓟县系雾迷山组 ． w 白云岩。黑石岭隧道洞 身部分段落 白云岩上部为震旦亚界青 白口系长龙山 组 z 。 一 1 硅质角砾岩，洞身及 出口段出露寒武系馒 头组 ∈1 m 页岩 。隧址区地层以近水平状产出，一 般倾角为 5 。 ～1 5 。 ，但多呈舒缓波状起伏，除北 口 与东峪之间有一较 明显的背斜褶皱外，区内没有其 他较明显的褶皱构造形迹 。本区地质构造形迹以断 裂和节理为主。 现场调查和钻探资料表明，在断层及其影响带 内岩体裂隙发育，岩体破碎；在远离断层地段 ，岩 体较为完整 ，岩质坚硬，强度较高。北 口、东峪、 四十里峪和黑石岭等隧道埋深均小于 3 0 0 m，在复 杂的地应力场环境和岩体结构条件下，隧道开挖引 起局部应力集 中，多个施工段在拱顶、掌子面等处 出现不同程度的岩爆现象 ，如 图 1 所示。目前，对 于埋深小于 3 0 0 m 的岩爆，其发生机制及控制进行 系统研 究尚不多见，为此 ，对张家 口一石家庄高速 公路二期隧道群开展岩爆灾害防治研究成为该公路 的隧道工程设计 、施工建设等多方共同关心的关键 问题之一。 图 1 隧道掘进时的岩爆灾害 F i g ． 1 Ro c k b u r s t i n t u n ne l e x c a v a t i o n 3 室内卸载岩爆试验 3 ． 1 试验装置 采用深部岩爆 过程模拟 系统进行卸载岩爆 试 4 0 8 4 岩石 力学与工程学报 验，包括主机、液压控制系统和数据采集系统 3个 部分，如图 2所示。 图 2 深部岩爆模拟系统 F i g ．2 S i mu l a t i o n s y s t e m o f d e e p r o c k b u r s t 主机 由荷载支承结构、岩爆试验特殊结构等组 成 。为了达到岩爆试验时可单面卸载 的要求，对原 主机不可拉方向一侧的传力结构进行改造，使其在 单面卸载时可瞬时掉落，暴露卸载面试件表面 。主 机有互相独立的 3套加载系统，其中 2套系统水平 加载 ，1 套系统垂直加载。 液压控制系统由液压泵站和控制台 2个部分组 成，设备最大加载能力 4 5 0 k N，可实现三向独立加 载、两向独立加载 、一向拉伸及水平不可拉方向单 面瞬时卸载的功能 。 数据采集系统由传感器、放大器、数据采集仪、 计算机及相关的处理软件组成，可实现最高 1 0 0千 次／ s 的高速采集，记录试验过程中力和位移的变化， 捕捉不同应力组合下岩石岩爆过程的力与位移的非 线性快速动态变化特征。 3 ． 2 试验 内容 岩爆试验样本为岩爆区域 的灰质 白云岩，取样 深度为 2 1 4 m，浅肉灰色，坚硬。表面 肉眼可见大 量的孔洞 ，孔洞内有 自生方解石晶体。矿物成分主 要为白色粉晶方解石及灰色方解石，未变 晶。裂隙 内充填有乳白色矿物 ，强度较低 。 对加工完成的试件进行单轴压缩试验 ，其几何 与物理力学参数如表 I 所示 。 表 l 试件单轴压缩几何与物理力学参数 T a b l e 1 Ge o me t r i c a n d p h y s i c o me c h a n i c a l p a r a me t e r s o f uni a xi a l c o mp r e s s i o n t e s t o f s p e c i me n 卸载岩爆试验采用三 向加载一达到指定荷载等 级一保持三 向应力荷载等级不变一单面瞬时卸载一 其他方 向应力荷载保持的方法，模拟 的工程岩爆状 态为在地下三 向应力状态下，积聚能量的岩体在 巷道开挖后，卸载产生临空面而发生岩爆的过程 。 卸载岩爆试验 中试件的加载方式及应力路径如图 3 所示，试验过程荷载等级如表 2所示。 b 。 时 间 t 图 3 卸载岩爆试验加卸载方式及应力路径 F i g ． 3 Lo a d i n g - u n l o a d i n g mo d e s a n d s t r e s s p a t h s o f l a b o r a t o r y u n l o a d i n g t e s t o f r o c k b urs t 表 2 卸载岩爆 试验过程荷载等级 T a b l e 2 L o a d g r a d e s o f l a b o r a t o r y un l o a d i n g t e s t p r o c e s s o f r oc kburs t 荷载等级 ， MP 备注 保持 3 0 rai n后卸载 保持 3 0mi n 保持 3 0 mi n后卸载 保持 3 0mi n 保持 3 0 mi n后卸载 保持 3 0m i n 保持 3 0 mi n后卸载 保持 3 0m i n 保持 3 0 mi n后卸载 保持 3 0ra i n 保持 3 0 mi n后卸载 保持 3 0 rai‘n 保持 3 0 rai n后卸载 保持 3 0 rai n 保持 3 0mi n后卸载 保持 3 0 ml n 保持 3 0 mi n后卸载 以 一 加加加加加加加 勰如如 勰粥 一 m 加 如柏 ∞∞ 加舳 如 ∞ m m m 2 3 4 5 6 7 第 2 9卷增 2 吴顺川，等． 卸载岩爆试验及 P F C 。 数值模拟研究 4 0 8 5 3 - 3 试验结果 卸载岩爆试验全过程试件 内部应力路径变化 曲 线如图 4 a 所示，当第 9次卸载 时，试件发生岩 爆现象 ，此时荷载等级为 1 7 0 MP a ，0 - 2 3 8 MP a ， 1 9MP a 。第 9次卸载 前，试件 内部应 力为 l 1 7 1 ． 5 MP a ，c r h 2 o -3 1 4 ． 2 MP a ， o - ． ；随后瞬时卸载 ，试件 内部应V 3 6 6 MP a 力 o - o 5 即刻降为 0 ，而 和 C r v C r 2 在卸载 瞬间则略有降低 ，分别为 1 7 0 ． 4和 3 6 ． 2 MP a 。 一 山 ＼ _ R 目 时间／ mi n a 全过程 b 岩爆时 图 4 试件 内部应力路径变化 F i g ．4 Ch a n g e s i n s t r e s s p a t h wi t h i n s p e c i me n 瞬时卸载 约 0 ． 1 2 S 后 ，岩爆突然发生，并伴 随着清脆的响声，试件内部应力 和 ， 也 迅速降为 0 ，如图 4 f b 所示。从发生的时间看，岩 爆表现出明显的瞬时性特征，可判定该试件的岩爆 类型为瞬时岩爆。岩爆发生时，从暴露的试件表面 破坏特征看 见图 5 ，试件端部全面崩垮，较为破碎； 而试件卸载面片状剥离，并伴随着颗粒混合弹射。 E ． Ho e k和 E ． T _ B r o w n ] 1 6 1 根据岩爆发生时最大 切向应力 与岩石单轴抗压强度 的比值，建立 了 岩爆烈度判别关系。本卸载岩爆试验中， ／ 1 ． 1 3 0 ． 7 0 ，根据 E ．H o e k岩爆烈度判别关系，可判 f a 1试验前 b 试验后 图 5 卸载岩爆试验试件 F i g ． 5 S p e c i me n o f l a b o r a t o r y u n l o a d i n g t e s t o f r o c k b u r s t 定研究区域灰质白云岩的岩爆烈度等级为 I V级，属 严重岩爆。 何满潮等 l 1 7 l利 用前述深 部岩 爆过程模拟系统 进行 了不同地点深部花岗岩试样的卸载岩爆试验， 建立了依据 ／ 比值 的岩爆分类指标，本文研 究 区域灰质 白云岩 ／ 0 ． 9 ，据此亦可判断岩体具 备发生强烈岩爆的可能。 本文及何满潮等 l l 7 J 的试验 结果与实际发生 的 现场岩爆现象是对应的，表明利用深部岩爆过程模 拟系统进行岩爆灾害试验是可行的，适用于前述 隧 道区域的岩爆研究。 由于室 内试验与现场应力环境的不同，受边界 条件、结构面等因素的影响，实验室内岩爆试验所 得到的结果，如端部碎裂、中部弹射的岩爆特征与 现场岩爆仍存在一定的差异 ，但就 目前的试验水平 而言，室内试验过程所反映的物理现象对研究岩爆 是具有参考价值的。采用较大尺度且含结构面的岩 样进行室 内岩爆试验 ，将能更加准确全面地探讨岩 爆 的发生机制与力学特征，这也是今后的研究方向。 4 岩爆过程 P F C 3 D 数值模拟 4 ． 1 模型参数标定 P F C D程序采用细观力学参数表征颗粒及黏结 的力学性质 。对数值模型进行计算分析之前，必须 赋予模型假定的细观力学参数，进行数值试样试验， 并将计算得到的试样宏观力学参数与室 内试验结果 4 0 8 6 岩石 力学与工程学报 2 0 1 0 盆 对 比，不断调整细观力学参数 ，当计算结果与试验 结果基本一致时，便可将该组细观力学参数应用于 实际计算模型[ 1 7 ] 。 本文采用的卸载岩爆试验数值计算模型尺寸与 室内试验试样保持一致 ，颗粒相互接触类型采用平 行黏结模型l 】 。颗粒总数为 5 5 1 5 个，颗粒最大半 径 R 1 ． 5 fi l m，颗粒粒径比 R ／ R i 1 ． 6 6 ，颗粒 间摩擦因数为 1 ． 0 。颗粒间法向和切向黏结强度的标 准偏差为平均值的 1 5 ％，其他细观力学参数设置为 默认值 。墙体摩擦因数为 0 ． 3 6 ，墙体位移控制应变 率为 0 ． 0 0 2 5 S 。 。 。 通过反复调试，当采用图 6中的细观力学参数 时，数值计算得到的宏观力学参数与表 1的室内试 验结果基本吻合，因此，采用此组细观力学参数进 行岩爆数值试验，可准确描述研究试样的力学特征。 其 中， ，E 分别为颗粒、平行黏结的弹性模量； ／ k， ／ 分别为颗粒、平行黏结法向与切 向刚s k n k s 度比； ， 分别为平行黏结的法向、切 向黏结强 度； 为黏结半径系数；E，G u 分别为试样的 弹性模量、单轴抗压强度、泊松比。 0 0 ．2 0 ．4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 1 ． 2 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 8 应变／ 1 0 一 图 6 试样单轴压缩试验应力 一应变 曲线 F i g ． 6 S t r e s s s t r a i n c l l r v e o f u n i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t c a l c u l a t e d b y P F C 。 4 ． 2 数值模拟 图7为卸载岩爆试验数值计算模型。首先定义 6道墙体，其尺寸与室内试验试样一致，给定半径 的颗粒在区域内随机生成。为提高颗粒的生成速度 以及计算效率， 先生成小直径颗粒，再把半径复原， 最后通过循环来消除试样 内部非均匀应力。 试验的围压和加载过程采用墙体位移实现。基 于伺服机制原理【 】 ，通过 P F C D 内置 F i s h语言编制 加卸载程序，控制墙体的相对运动进行荷载施加与 释放。 图 7 卸载岩爆试验数值计算模型 F i g ． 7 P F C 。n u me r i c a l c a l c u l a t i o n mo d e l o f l a b o r a t o r y u n l o a d i n g t e s t o f r o c k b u r s t 当达到指定的荷载等级后 ， 删除模型 方向墙 体，并关 闭其伺服机制，其他方向伺服机制保持不 变，以达到模拟室内卸载岩爆试验的目的。 4 ．3 数值模拟结果分析 图 8为卸载岩爆试验模拟计算结果，图中黑色 代表张拉型裂纹，浅灰色代表剪切型裂纹。 a 荷载等级 】 4 f b 荷载等级 】 5 C 荷载等级 1 6 d 荷载等级 1 7 图 8 卸载岩爆试验数值模拟结果 F i g ． 8 Re s u l t s o f P F C 。n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f l a b o r a t o r y u n l o a d i n g t e s t o f r o c k b ur s t 数值计算过程与室内试验过程一致 ，数值试验 的荷载等级同表 2 ，荷载等级处于 1 3级之前时，卸 载 后试件卸载面没有颗粒弹射 。 此力学状态表明 卸载并未产生岩爆，属于平静期状态 。 当荷载等级为 1 4级时，如图 8 C a 所示，卸载 ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ 加 加 O B d ∈R避 第 2 9卷增 2 吴顺川，等．卸载岩爆试验及 P F C 。 数值模拟研究 4 0 8 7 后开始有少许颗粒从试件卸载面弹射 ，弹 出颗粒数 量约占总数的 0 ．0 9 1 ％，主要集中在试件中部；同时， 试件内部少许颗粒 间平行黏结接触产生破坏，主要 以张拉型破裂为主 ，张拉型和剪切型破裂数量分别 为黏结总数的 0 ． 4 3 9 ％和 0 ． 0 4 0 ％。此阶段属于卸载 岩爆试验进程的局部颗粒弹射期。 当荷载等级为 1 5级时，如图 8 b 所示，卸载 后从试件卸载面弹射 出的颗粒依然较少，弹出颗粒 数量约 占总数的 0 ． 1 0 9 ％，但试件内部产生破坏的平 行黏结数量有少量增加，仍以张拉型破裂为主，张 拉型和剪切型破裂数量分别为黏结总数 的 0 ． 7 1 9 ％ 和 0 ． 0 6 4 ％。此阶段仍属卸载岩爆试验进程的局部颗 粒弹射期。 当荷载等级为 1 6级时，如图 8 c 所示，卸载 后从试件卸载面 的中部和端部弹射 出的颗粒开始增 加，弹出颗粒总数量约占总数的 0 ． 2 3 6 ％；同时，试 件 内部产生破坏的平行黏结数量开始 明显增加 ，主 要分布在试件两端，以张拉型破裂为主，剪切型破 裂零星分布于试件 内部 ，张拉型和剪切型破裂数量 分别为黏结总数的 2 ． 1 6 5 ％和 0 ． 3 5 2 ％。此阶段属于 卸载岩爆试验进程的发展期。 当荷载等级为 1 7级时， 如图 8 d 所示， 卸载 后，受 的控制 ，张拉型和剪切型破裂的数量在模 型端部急剧增加，最终致使试件端部完全被压碎 ， 张拉型和剪切型破裂数量分别占黏结总数的 4 7 ． 6 6 ％ 和 9 ． 7 2 ％。试件强度急剧降低 ，失去承载能力，宏 观表现出瞬时岩爆特征。此阶段属卸载岩爆试验进 程的最终爆发期 。 模 型平行黏 结在 各荷载等 级下的破 裂数量 发 展过程及其与应力环境的对应关系见图 9 。张拉型 破裂在荷载等级为 9级时开始产生，而剪切型破裂 在荷载等级为 1 2级时产生；在破裂初期，张拉型和 剪切型破裂都趋于缓慢发展；在荷载等级为 1 6级 时，即计算模型即将达到岩爆破坏荷载等级时，张 拉型和剪切型破裂 的数量开始急剧增加；在荷载等 级为 1 7级状态下，发生瞬时岩爆，张拉型破裂数量 远高于剪切型破裂数量 ，表明瞬时岩爆发生时的颗 粒黏结破裂机制属张拉型破坏 。 当荷载等级为 1 7级时，岩爆发生过程中试件内 部应力与计算时步的关系曲线如图 1 0所示 。与室内 卸载试验岩爆发生时的应力 一时间曲线 见图 4 b 对 比，可发现如下规律与特征 1 当荷载等级为 1 7 级时，卸载 后， 与 几乎同时下降为 0 ，但均滞后于 ， 。 卸载 初期，试件内部初始应力 为 1 7 0MP a 左右，持续一段时间后急速下降至 1 4 0 MP a 左右 ， 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 荷载等级 n 2 曲{ 好 德 整 图9 颗粒黏结破裂数量和应力随荷载等级变化过程 F i g ． 9 Va r i a t i o n s i n n u mb e r o f p a r t i c l e b o n d r u p t u r e a n d s t r e s s wi t h l o a d g r a d e 2 1 8 0 。 0 2 4 。 0 0 0 ． 0 0 ． 1 0 ．2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 7 0 ． 8 0 ． 9 1 ． 0 1 ． 1 1 - 2 计算时步／ 00 步 图 1 O 卸载岩爆模拟应力 一时步曲线 F i g ． 1 0 S t r e s s - s t e p c u r v e s o f u n l o a d i n g s i mu l a t i o n r o c k b u r s t b y P F C 。 再趋于平稳发展，直至岩爆发生时， ． 迅速 降 为 0 ，稍滞后于 O 。v 2 卸载 后， ， 保持 3 8 MP a的定值稳 定发展，接近岩爆发生时， ， 以急剧振荡的方 式迅速降为 0 。卸载 后， ， 先小幅下降，保 持一段时间后再平稳上升，直至瞬间降为 0 。 3 ， 的发展过程并非直线形急 速 降至 0 ，与室内试验结果略有差异，其原因包括 ① 室内试验装置的计时精度限制；② 计算迭代过 程 的影响。但总体上看， ，r r r r ，o - ． 应力值降为 0的先后顺序及 ， 的发展趋势，与 室 内试验结果完全一致 。 4 从计算模型破坏形式上看，当荷载等级增 至 1 7级时，模型内部 已存在少量破裂；卸载 后， 随计算时步增加 ，破裂逐渐从模型端部向中部发展， 且 以张拉型破裂为主，并伴随部分颗粒从卸载面弹 射；由于岩爆是能量在岩体开挖后沿临空面瞬间释 ∞ 砷知 加 ∞∞ ∞ 们加0 ∈R 4 0 8 8 岩石力学与工程学报 2 0 1 0 矩 放致使岩石破坏 的过程，与岩石单轴或真三轴压缩 破坏时的能量积聚或能量释放转化为动能的瞬时特 征显著不同，未形成明显的特征破坏面，试件破坏 模式不 同于室内单轴、三轴压缩等试验。 与室 内试验结果相 比，在卸载岩爆数值模拟 中，岩爆发生时的荷载等级、试件应力 一计算时步 曲线、破坏形式等均与室内试验较为吻合，真实反 映了卸载岩爆的破坏进程及细观破裂机制 。 5 结论 以张家 口一石家庄高速公路二期工程化稍营一 蔚县段隧道群岩爆灾害为工程背景，进行室 内卸载 岩爆试验研究，并基于颗粒流理论及 P F C 程序，进 行了卸载岩爆试验数值模拟，并得出以下主要结论 1 室内卸载岩爆 的试验结果表 明，研究区域 灰质 白云岩的岩爆类型为瞬时岩爆；根据 E ．H o e k 等 “ J 的岩爆判别标准 ， 可判定试验选用 的研究区 域灰质白云岩的岩爆烈度等级较高，属严重岩爆； 岩爆发生时，试件端部全面崩垮 ，较为破碎 ，试件 卸载面中部片状剥离，并伴随颗粒混合弹射。 2 卸载岩爆 P F C 数值模拟结果表 明，根据 应力环境的变化，卸载岩爆试验进程可分为平静期、 局部颗粒弹射期、发展期及最终爆发期等 4 种状态， 瞬时岩爆发生 时的颗粒黏结破裂机制 以张拉型为 主、剪切型破裂为辅，宏观表现为端部碎裂、中部 弹射剥落特征 。模拟试验再现 了不 同应力状态下的 岩样细观破裂过程及机制，为岩爆产生的判别与验 证提供了有效手段。 3 模拟结果表 明，岩爆发生时的荷载等级、 试件应力 一 计算时步曲线、破坏形式等均与室内卸 载岩爆试验较为吻合，表明 P F C Ⅲ数值模拟方法可 部分代替室 内卸载岩爆试验 ，并大幅 降低试验费 用，为岩爆试验研究提供 了一种新的有效途径。 4 由于岩爆产生与否及其类型 的划分与应力 环境 、岩体结构、物理力学性质等诸多因素有关， 后续将进一步研究不同应力环境下岩爆发生的细观 机制 、主要控制因素对岩爆力学行为的影响等，为 岩爆的科学分类、判别与验证提供支撑 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] 谭 以安． 岩爆类型及其防治 ．现代地质，1 9 9 1 ，5 4 4 5 0 4 5 6 ． T AN Yi a n ． T y p e s a n d t r e a t me n t s o f r o c k b u r s t [ J ] ． Ge o s c i e n c e ，1 9 9 1 ， 5 r 4 1 4 5 04 5 6 ， i n Ch i n e s e B R ADY B H G， B R OWN E 地下采矿岩石力学[ M] ．冯树仁，余 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