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本文以张家口—石家庄高速公路二期工程隧道群岩爆灾害为工程背景，通过室内卸载岩爆试验与 PFC3D 数值模拟，分析灰质白云岩在单面瞬时卸载条件下的破坏过程，并从细观尺度观察颗粒黏结破裂及岩爆演化。

01 研究背景

张家口—石家庄高速公路二期工程化稍营—蔚县段隧道群部分隧道埋深小于300 m。现场调查发现，在复杂地应力场和岩体结构条件下，隧道开挖引起局部应力集中，多个施工段的拱顶、掌子面等位置出现不同程度的岩爆现象。

针对这一工程背景，本文选取岩爆区域灰质白云岩开展室内卸载试验，并进一步采用颗粒流法和 PFC3D 对试验过程进行数值模拟，将宏观岩爆现象与颗粒尺度的破裂过程联系起来。

02 室内卸载岩爆试验

试验采用深部岩爆过程模拟系统，由主机、液压控制系统和数据采集系统组成。设备最大加载能力为450 kN，可实现三向独立加载以及单面瞬时卸载；数据采集系统最高采样速率可达100千次/s，用于记录试验过程中力和位移的快速变化。

试件取自岩爆区域灰质白云岩，取样深度214 m。试件尺寸为151.41 mm×61.63 mm×30.49 mm，密度2.81 g/cm³，单轴抗压强度150.51 MPa，弹性模量110.94 GPa，泊松比0.28。

卸载试验采用“三向加载→达到指定荷载等级→保持三向应力→单面瞬时卸载→其他方向应力保持”的路径，用于模拟地下三向应力状态下，岩体开挖形成临空面后的卸载过程。

试验逐级提高荷载。最终达到第17级时，三向荷载为 σ₁=170 MPa、σ₂=38 MPa、σ₃=19 MPa。卸载σ₃后约0.12 s，岩爆突然发生。试件端部全面崩垮，卸载面出现片状剥离，并伴随颗粒混合弹射。

图4 试件内部应力路径变化

试验结果显示，该岩爆具有明显的瞬时性。按照文中采用的判别关系，σ₁/σc=1.13＞0.70，研究区域灰质白云岩的岩爆烈度等级判定为IV级。

03 PFC3D 数值模型与卸载过程

数值模型尺寸与室内试件保持一致，颗粒接触采用平行黏结模型。模型包含5515个颗粒，最大颗粒半径为1.5 mm，颗粒粒径比Rmax/Rmin=1.66，颗粒间摩擦因数为1.0；颗粒间法向、切向黏结强度的标准偏差均取平均值的15%，墙体摩擦因数为0.36，墙体位移控制应变率为0.0025 s⁻¹。

通过单轴压缩数值试验反复调试细观参数，使计算得到的宏观力学参数与室内试验结果基本吻合。标定后的数值试样弹性模量为108.83 GPa，单轴抗压强度为146.74 MPa，泊松比为0.24。

数值模型由6道墙体构成，颗粒在区域内随机生成，并通过循环消除试样内部非均匀应力。围压和加载过程采用墙体位移实现，利用 PFC3D 内置 Fish 语言编制加卸载程序。当模型达到指定荷载等级后，删除+z方向墙体并关闭其伺服机制，其他方向仍保持伺服控制，从而模拟室内试验中的单面瞬时卸载。

04 从局部弹射到瞬时爆发：细观破裂演化

数值模拟显示，卸载岩爆过程可以按照应力环境和破裂发展划分为四个阶段：平静期、局部颗粒弹射期、发展期和最终爆发期。

在13级之前，卸载σ₃后卸载面没有颗粒弹射，模型处于平静状态。14级时开始出现少量颗粒弹射，弹出颗粒约占总数的0.091%，张拉型和剪切型破裂分别占黏结总数的0.439%和0.040%。15级时，颗粒弹射比例为0.109%，张拉型和剪切型破裂分别为0.719%和0.064%。

进入16级后，卸载面中部和端部的颗粒弹射增加，弹出颗粒约占总数的0.236%；张拉型和剪切型破裂分别达到黏结总数的2.165%和0.352%，破裂开始明显发展。

17级是破坏突变的关键阶段。卸载σ₃后，模型端部的张拉型和剪切型破裂数量急剧增加，最终端部完全被压碎。张拉型和剪切型破裂分别占黏结总数的47.66%和9.72%，试件强度迅速降低并失去承载能力，宏观上表现出瞬时岩爆特征。

从整个加载过程看，张拉型破裂在9级开始出现，剪切型破裂在12级开始出现。随着荷载接近17级，破裂数量快速增加；在瞬时岩爆发生时，张拉型破裂数量明显高于剪切型破裂，说明颗粒黏结破裂机制以张拉型为主、剪切型为辅。

05 模拟结果与室内试验对比

17级数值模拟中，卸载σ₃后，其他方向应力随后发生快速变化。σ₁与σ₂最终下降为0，而σ₃首先卸载。模拟得到的应力—计算时步变化与室内试验的应力—时间变化具有相似的下降顺序和总体趋势。

两者的差异主要体现在应力下降过程的具体曲线形态上。文中指出，这与室内试验装置的计时精度限制以及数值计算迭代过程有关。但从荷载等级、应力变化顺序、发展趋势以及最终破坏形式来看，数值模拟与室内卸载岩爆试验较为吻合。

宏观上，试验和模拟均表现出端部破碎、卸载面中部剥落及颗粒弹射等特征；细观上，模拟进一步显示了破裂从端部向中部发展的过程，以及张拉型破裂在最终瞬时岩爆阶段的主导作用。

06 研究结论

室内卸载试验表明，研究区域灰质白云岩在该试验条件下表现为瞬时岩爆，岩爆发生时试件端部全面崩垮，卸载面中部片状剥离并伴随颗粒弹射。

PFC3D模拟将卸载岩爆过程划分为平静期、局部颗粒弹射期、发展期和最终爆发期四个阶段。瞬时岩爆阶段的颗粒黏结破裂以张拉型为主、剪切型为辅，宏观表现与室内试验具有较好的对应关系。

模拟得到的岩爆荷载等级、应力—计算时步曲线以及破坏形式与室内试验较为吻合。文中据此认为，PFC3D数值模拟可以部分代替室内卸载岩爆试验，为岩爆试验研究提供一种新的途径。