卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟

[摘要]在高地应力条件下地下工程开挖时，硬脆性围岩会因为开挖卸载导致洞壁应力异常分化，岩土中的弹性应变能力会突然释放从而造成爆破松落、弹射等抛掷现象。这种动力破坏被称为岩爆。通过卸载岩爆试验及pfc3d数值模拟是可以对岩爆区岩爆的发生进行预测预报的。

[关键字]岩爆 卸载岩爆试验 PFC3D 数值模拟

[中图分类号] U415.1 [文献码] C [文章编号] 1000-405X（2013）-4-266-1

近年来我国地下工程越来越多，岩爆灾害的防治越来越受到人们的关注。那么，如何避免和减少岩爆对工程以及人们生活的影响。本文就对目前在岩石作业中普遍采用的卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟进行了介绍与探讨。

1卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟的必要性

在高地应力条件下地下工程开挖时，硬脆性围岩会因为开挖卸载导致洞壁应力异常分化，岩土中的弹性应变能力会突然释放从而造成爆破松落、弹射等抛掷现象。这种动力破坏被称为岩爆。由于岩土的物理构造发生变化，少量或大量的岩石会对施工设备或者施工人员造成安全威胁，所以这一问题引起了工程科技以及科技人员的普遍关注。

澳大利亚的布雷迪早在 《矿山压力与岩层控制》一书中就已经对爆岩成因以及灾害防治等方面做出了研究。他提出了许多诸如：机制、强度、能量与失稳等理论以及预测方法。但是对于实际爆岩的发生，由于其影响因素较为复杂，人们无法对岩爆发生条件与整体机制达成共识。作为探讨岩爆机制与类型的重要手段，卸载岩爆试验的出现起到了关键作用。它是一种对岩爆区岩石事件进行的一种室内仿真试验。它是研究岩爆机制和岩爆条件的重要方法，它可以实时的对岩爆进行预测预报。但是室内岩爆试验的耗材以及费用都相当的昂贵，所以这种方法在一定程度上是不便于大面积使用的。由此PFC3D数值模拟就显得非常有必要了，PFC3D数值模拟是一种新型的实质分析方法，它是通过对岩爆数据与室内岩爆试验数据进行对比来完成对岩爆预测预报的一种重要手段。

2室内岩爆试验

室内卸载岩爆试验是研究、探讨岩爆机制与类型的重要手段。它是对岩爆区岩爆试件进行的岩爆仿真试验，它可以判断岩爆是否发生以及发生条件，以此来对岩爆进行预侧预报。

所以它被广泛的运用到岩爆研究工作中。但是其经济造价昂贵，常常在岩爆研究时会受到不同程度的制约 。

深部岩爆过程模拟系统进行卸载岩爆试验的主机主要由荷载制支撑结构、岩爆试验特殊结构组成。在试验时，应该对原主机不可拉方向一侧的团里系统进行改造，以满足单面卸载要求，让其进行三面卸载时，可以瞬间掉落以暴露卸载面试件表面。而主机由两套系统水平加载和一套垂直平面加载三套加载系统组成。同时由液压泵站和控制台组成液压控制系统。这里要求设备上限加载必须达到450KN，这样才能完成整个过程加载系统与拉伸的瞬间卸载。而系统数据采集器是由传感、放大、计算机、软件以及数据采集仪组成。它要求达到每秒100000次的采集速度来记录试验位移和力，以此来捕捉岩石岩爆的非线性快速动态变化。

卸载岩石爆破是一个从达到指定荷载到保持三向应力荷载到单面瞬间卸载同时保持其他方向应力荷载的过程。这种模拟即达到工程岩爆的实际状态。通过实验可以总结岩爆具有瞬时性，同时试件表面全部崩破并伴有颗粒弹射。对于实验室仿真实验来讲，试验表征、实验数据都是会与现场岩爆产生出入的。但是岩爆试验数据是具有一定意义的参考价值的。它们是岩爆机制与力学性能良好的分析素材。

3 PFC3D数值模拟

PFC3D数值模拟是程序通过细观力学参数来表征颗粒与黏结的力学性质的。在参数进行计算分析前，必须建立模型假定的细观力学参数，也就是所谓的模型参数标定，然后对数值试样进行试验分析。最后将宏观细观力学参数与室内试验参数进行对比。通过不断地调节细观力学参数直至与试验参数一致，最后将调节后的细观力学参数运用到实际计算模型中。在参数对比调节时，卸载岩爆试验数值以及计算模型尺寸应该与室内试验试样保持一致，且试验颗粒采用平行黏结模型以便相互接触，其他参数为默认值。如果通过细观力学参数进行宏观力学参数与室内试验参数对比，数据基本吻合，那么就应该对岩爆数值进行试验，由此来描述其力学性质。

在对岩爆破坏进程与细观破裂机制的数值模拟时，首先要定义单位数量的墙体，其尺寸应该与室内试验一致，而给定半径颗粒则在区域内随机生成。在这里为了提高颗粒的生成率与计算速度，可以先制作成小半径颗粒然后在对其进行半径恢复，通过这种循环以消除试样内部不均匀应力。它是通过墙移实现围压与加载的，它是以伺服机制为原理，通过PFC3D内置Fish语言编写出加卸载程序，以控制墙体相对运动的荷载释放与加载。如果达到指定荷载，应该删除第三方向墙体，并关闭该方向伺服机制，而其他方向伺服机制不变，以此来达到模拟的效果。然后在跟室内试验结果对比时，这种模拟发生岩爆时，荷载、应力破坏形式等具体数据参数若能与室内试验数据吻合，则可以真实的反应出卸载岩爆的破坏进程与细观破裂机制。

4结语

总之， 卸载岩爆PF3D数值模拟可以表明岩爆在环境应力下分为平静期、局部变化期、发展期以及爆发期。通过卸载岩爆的PF3D数值模拟在现了实际状态下岩爆的细观破裂过程与机制，为良好的解决岩爆问题提供了必要的判别、验证手段。

参考文献

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