基于MatDEM的深部隧道层状岩体超载损伤破坏演化机制

王刚; 李小顺; 王继琳; 江婷; 贺鹏; 徐一帆; 郑程程

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501887

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (4) :1688-1699 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501887

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基于MatDEM的深部隧道层状岩体超载损伤破坏演化机制

王刚 ¹ ,
李小顺 ² ,
王继琳 ³ ,
江婷 ³ ,
贺鹏 ⁴ ,
徐一帆 ⁵ ,
郑程程 ⁴^,^*

作者信息 +

Evolution Mechanism of Overload Damage and Failure in Layered Rock Masses in Deep Tunnels Based on MatDEM

WANG Gang ¹ ,
LI Xiao-shun ² ,
WANG Ji-lin ³ ,
JIANG Ting ³ ,
HE Peng ⁴ ,
XU Yi-fan ⁵ ,
ZHENG Cheng-cheng ⁴^,^*

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摘要

为研究深部隧道层状岩体的损伤破坏演化机制，为灾害预警提供依据，使用MatDEM软件构建了模拟不同深部应力条件下岩样超载破坏的数值模型，对岩体在超载过程中的损伤演变进行数值分析，揭示了岩样结构效应与围压效应对于岩样三向应力响应、裂隙发育特征以及岩爆现象速度场的影响规律。结果表明：初始破坏位置通常出现在应力集中最高的区域，裂隙演化能够区分张裂纹与剪裂纹的不同形态。研究成果可以为深埋隧道层状岩体垮塌灾害过程式调控及短临预警提供理论支撑。

Abstract

The damage evolution mechanism of stratified surrounding rocks in deep tunnels is of great significance for disaster early warning. To investigate this mechanism，MatDEM software was employed to construct numerical models that simulate the overloading failure of rock samples under different deep stress conditions. Numerical analysis was conducted on the damage evolution process during mechanical overloading. From three aspects—triaxial stress response characteristics，fracture propagation patterns，and velocity field distribution related to rockburst—the influences of structural effects and confining pressure effects were systematically examined. The results demonstrate that the primary failure consistently initiates at the regions with maximum stress concentration. The fracture evolution process is found to effectively distinguish between tensile cracks and shear cracks. The research results provide a theoretical basis for the process control and short-term warning of collapse disasters in deep-buried tunnel engineering.

Graphical abstract

关键词

MATDEM / 离散元模拟 / 隧道层状岩体 / 超载破坏 / 岩片剥落 / 临界破坏

Key words

MatDEM / discrete element simulation / tunnel layered rock mass / overload failure / rock flaking / critical failure

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王刚, 李小顺, 王继琳, 江婷, 贺鹏, 徐一帆, 郑程程. 基于MatDEM的深部隧道层状岩体超载损伤破坏演化机制[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(4): 1688-1699 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501887

WANG Gang, LI Xiao-shun, WANG Ji-lin, JIANG Ting, HE Peng, XU Yi-fan, ZHENG Cheng-cheng. Evolution Mechanism of Overload Damage and Failure in Layered Rock Masses in Deep Tunnels Based on MatDEM[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(4): 1688-1699 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501887

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地下洞室的开挖过程中，围岩全过程经历了一种动态的“一向卸载、两向加载”的应力状态。随着相关技术的升级，隧道工程建设的发展趋向于大型化、高埋深、智能化等，面临着日益严重的地质条件复杂、灾害频发以及局限于传统方法等问题。同时，由于地质环境复杂，深埋地温和地下突水联合作用会将开挖区域岩体的存储环境和物理力学属性进一步恶化，导致围岩中形成了一个开挖扰动区，这些因素对深埋洞室围岩稳定、变形控制以及施工安全问题方面具有重大影响^[1]。揭示深部层状岩体损伤演化机理对围岩支护方案设计及灾害短临预警具有重要的指导意义。

在不同方向上的岩土材料具有不同的力学参数、结构特性和应力应变关系，层状岩体的力学特性因其内部定向结构面的存在而表现出显著的各向异性^[2]。王永岩等^[3]通过室内试验和数值模拟，对不同层状倾角硐室围岩稳定性进行了分析，发现45°倾角时容易发生滑移破坏。朱道建等^[4]利用RFPA2D软件分析了层理结构面几何特征与施加的围压对层状岩体力学性质的影响。邓华锋等^[5]对各种层面倾角的层状砂进行试验，

分析层面倾角对岩体力学特性及破坏模式的影响。王旭一等^[6]针对层状岩体的细观非均质接触力学模型提出新的理论分析方法。梁现军等^[7]采用内聚力模型，通过建立厚度为0的cohesive单元，实现了不同层理面强度的模拟。Dammyr^[8]研究发现，层状岩石层理参数是预测高脆性各向异性岩石中的岩石剥落和爆裂的关键。卢海峰等^[9]对层状板裂组合结构岩体开展力学特性实验，得到不同结构面角度的破坏形式、力学参数相差较大。胡善超^[10]对不同层面角度的特定砂岩进行三轴压缩试验，揭示深井巷道层状围岩变形破坏特征。Tien等^[11]模拟层状岩石在不同约束力下的两种破坏模式，提出了一种破坏准则，能够较为精确地预测层状岩石的强度和破坏模式。文献[12-13]根据断裂力学，采用能够模拟复杂裂纹扩展的代码（fracture propagation code，FRACOD）模拟深地应力隧洞裂纹起裂和扩展过程，证明浅层剥落是由于拉裂纹引起的破坏，并进一步研发了液-热-力耦合模块。Hu等^[14]认为剥落和屈曲是发生岩爆破坏前的两个阶段，而屈曲是岩爆发生的前提。苗景川等^[15]对特长深埋公路隧道的围岩应力、位移以及塑性区分布进行分析，研判容易失稳的位置并提出了相应的处治措施。He等^[16]对含预制孔洞的110 mm立方体岩样进行真三轴压缩试验，岩片在剥落后得到了只有一条“V”形破坏区域岩爆现象。Kusui等^[17]对含孔洞的砂岩和花岗岩进行双轴加载试验，结果岩样同时发生剥落与岩爆现象。

岩土体在宏观层面表现为相对连续的结构，但在微观层面，它由颗粒、孔隙和裂隙组成，表现出显著的离散和不连续性，因此，难以仅用基于连续介质力学的常规方法解决，且大尺度工程模型运算效率较低，难以满足工程需求。在离散单元法（discrete element method，DEM）中，岩土体是通过颗粒的堆积和胶结过程形成的。离散元法可以有效地模拟多尺度特征，并被广泛用于研究岩土体宏观力学性质的微观基础。现运用矩阵离散元模拟软件（fast GPU matrix computing of discrete element method，MatDEM），建立岩样的离散元分析模型，快速模拟高地应力下的层状围岩隧道的超载破坏过程，研究不同层面倾角含预制圆形孔洞岩体在不同初始应力情况下的破坏规律，旨在揭示层状岩体超载破坏机制，为灾害预警与支护优化提供理论支撑。

1 层状岩体离散单元模型

1.1 MatDEM方法

离散单元法DEM其核心在于对由被视为独立实体的元素构成的集合体进行离散化处理，能有效模拟非连续体的运动和相互作用过程。MatDEM软件利用矩阵运算优化颗粒接触搜索算法，显著提升计算效率。通过预设裂隙和节理，更真实地模拟岩石样本的复杂结构，广泛应用于深部工程的损伤演变分析过程中。

在分析过程中，选择线弹性接触模型，通过可断裂弹簧相连接的方式进行力学模拟。模型的力-位移关系图如图1所示。

1.2 离散单元参数确定

使用一套从宏观到微观的力学参数转换公式，用于规则堆积的离散元模型。对于线弹性模型，通过三维转换公式[式（1）~式（5）]，模型中的5个颗粒微观力学参数可以由材料杨氏模量E、泊松比ν、抗压强度C_u、抗拉强度T_u和内摩擦系数μ_i计算得到。宏观微观力学参数如表1、表2所示，三维转换公式为

（1）K_n=$\frac{\sqrt{2}Ed}{4（1-2\nu ）}$

（2）K_s=$\frac{\sqrt{2}（1-5\nu ）Ed}{4（1+\nu ）（1-2\nu ）}$

（3）K_b=$\frac{3{K}_{n}+{K}_{s}}{6\sqrt{2}{K}_{n}（{K}_{n}+{K}_{s}）}$T_ud²

（4）F_s0=$\frac{1-\sqrt{2}{\mu }_{p}}{6}$C_ud²

（5）$\left\{\begin{array}{l}{\mu }_{p}=\frac{-2\sqrt{2}+\sqrt{2}I}{2+2I}\\ I=\left[\right(1+{\mu }_{i}^{2}{)}^{1/2}+{\mu }_{i}{]}^{2}\end{array}\right.$

式中：K_n为法向刚度，N/m；d为颗粒直径；K_s为切向刚度，N/m；K_b为断裂位移，m；F_s0为初始抗剪力，N/m；μ_p为颗粒间的摩擦系数；E为弹性模量，Pa；ν为泊松比；C_u为抗压强度，Pa；T_u为抗拉强度，Pa；μ_i为内摩擦系数。

1.3 建立数值模型

通过相关代码建立MakeCrak0.m（α=0°），MakeCrak45.m（α=45°），MakeCrak90.m（α=90°）共计三种节理群生成函数，得到的层状节理如图2所示。通过建立高应力作用下的真三轴实验模拟器，来演示高压条件下岩样变形及应力分布情况。模型尺寸为200 mm×200 mm×200 mm（图3），使用的单元颗粒具有 0.2 mm 的基准半径，但颗粒生成的过程允许有+20%的变化范围，以模拟真实条件下颗粒大小的不一致性。整个模型由132 695个单元颗粒组成，保证反映模型的复杂性和详细程度。基于线弹性本构模型建立数值计算模型，岩体材料的三面为约束墙单元，不发生变形和位移；同时，设置三种不同节理岩样模型，隧洞直径为60 mm，节理间隔宽度为40 mm。裂隙带内的单元与周围单元之间不发生物理连接，以模拟裂隙带对结构完整性的影响及其在加载或环境变化时的响应。程序自动建立的立方体模型在边界处设置压力板，以确保模型内部单元被有效封闭，通过6块压力板对模型施加围压使样品固结。

基于所建立的数值模型得到试样的单轴压缩曲线，将其与室内三轴试验结果进行对比（图4），发现二者之间误差较小，证明该微观参数可用于后续数值模拟研究。

2 超载作用下结构效应对岩样破坏的影响

采用MatDEM离散元软件，以35°变角条件下的0°层面倾角岩样为例分析超载作用下岩体破坏特征。岩样模型的左侧为固定墙单元，右侧为加载端。自压力板初始位置起，沿Z轴负方向逐步施加应力。选取10、15和20步下的三向应力、颗粒胶、裂隙分布、颗粒速度场4个方面揭示超载作用下结构效应对岩样破坏的影响。

2.1 岩样应力分布及破裂区发育特征分析

图5为35°变角条件下0°层面倾角三向应力云图。10应力步阶段法向应力主要在孔洞周围集中呈流线型分布，最小水平主应力主要集中在上下两端，形成云雾状分布，预示着初步破裂点。15应力步阶段，最小水平主应力方向的应力向孔洞方向扩展，法向应力分布深化，颗粒变为自由状态。20应力步阶段岩样破裂显著，墙单元处承受更大法向应力，最大水平主应力沿宏观裂隙面分布，孔洞左下方最小主应力方向应力减少。

图6为35°变角应力条件下0°层面倾角颗粒胶结演化。水平层面倾角的节理层之间没有胶结连接。破裂区沿水平方向逐渐扩展，并且破裂区与未破裂区交替出现。破坏起始于岩样的左上角，沿孔洞左壁至右壁向右下角延伸。当岩样形成“V”形破裂模式时，由于水平层面结构的存在，这些结构面成为“V”形破裂的一侧，与另一侧沿右上方45°的破坏面共同形成“V”形破坏区。

图7为35°变角应力条件下0°层面倾角裂隙演化，岩样在剥落破坏期间主要以张拉破坏为主。随着法向应力的持续加载，剪切裂纹开始萌生并逐渐扩展。接近岩样破坏阶段，宏观破裂面附近出现更多剪切裂纹，形成了以剪切破坏为主的破坏模式。

2.2 岩样颗粒速度场分析

图8为不同应力步下0°层面倾角岩样颗粒速度演化。当法向应力增加到10应力步时，未观察到明显的颗粒喷射现象，此阶段主要为压密阶段。增至15应力步时，破坏主要发生在孔洞上方节理面及其左右侧洞壁的交界处，颗粒喷射与岩片剥落阶段间处于相对平静的过渡期，在此期间洞内颗粒速度不明显。而当法向应力达到17应力步时，岩片剥落阶段主要集中在洞壁的左右两侧，此时岩样表面未见大规模破坏。到达18应力步时，岩样开始大规模形成剪切裂纹，此时洞内的岩爆现象虽然仍在进行，但主要集中在洞内右侧壁。当法向应力达到19应力步时，裂纹持续扩展，在岩样孔洞的左侧和右下方形成了类似于右上方对角线的速度场直线，此时洞内岩爆现象进一步加剧。至20应力步，岩样发生宏观破裂，颗粒的运动状态增加，其速度方向即为最终的位移方向。最后，当法向应力增至24应力步时，岩样发生最终破坏。

3 超载作用下围压效应对岩样破坏的影响

3.1 不同初始应力下岩样应力分布及破裂区发育特征

图9为40°变角应力条件下0°层面倾角三向应力云图。在10应力步时，沿孔洞的轴向Y方向应力减小，导致X方向应力也相应降低，在40°变角应力条件下，X方向上的应力减少较35°变角应力条件更为显著。至15应力步，尽管Y方向的应力在40°条件下高于45°条件，但Z方向的应力分布在45°条件下更密集且应力值较大，表明在45°应力条件下的岩样可能更早破坏。

图10为45°变角应力条件下0°层面倾角三向应力云图。处于15应力步时，45°条件下X方向的应力较高，主要集中于孔洞左侧。至20应力步，随着岩样的破坏，45°应力条件下Y方向的应力因为较小的初始加载而在破坏后显著增加，表明破坏后的应力释放和重新分配在45°条件下更为显著。

如图11和图12所示，利用胶结图和裂隙分布图来展示不同应力加载步骤下的破坏模式变化。

（1）35°变角应力条件。相比之下，35°变角应力条件下的岩样在20应力步时已经开始发生轻微破裂，裂隙分布更广，剪裂纹和拉裂纹共存，显示出更早的破坏进程和更高的应力集中度。

（2）40°变角应力条件。40°变角应力条件下的岩样显示出更高的法向应力承载能力。到20应力步时，岩样在右上方尚未出现明显的剪切破坏，裂隙分布相对较少。表明40°变角条件提供了一种相对稳定的应力分布。

（3）45°变角应力条件。在45°变角应力条件下，岩样显示出最严重的破裂现象。到20应力步时，裂隙分布极为密集，特别是剪裂纹在宏观破裂面上明显可见，表明该条件下岩样承受的剪切应力远大于其他两种条件。

3.2 不同初始应力下岩样颗粒速度场分析

图13和图14分别为40°和45°变角应力条件下岩样的速度场。在35°变角应力条件下，16应力步颗粒动态变化较少，未引起进一步的结构性变化。当应力增至15应力步时，40°条件下的岩爆现象不明显，此时岩样内部应力的重新分配未足以引起结构性破坏。到达16应力步时，此时35°条件已进入平静期，然而在40°条件下，由于应力步设置过大，导致仿真中未能明显显示出平静期的发生。在45°变角应力条件下，岩爆现象的发生需要根据Y轴与X轴的应力大小进行综合判断。在相同的法向应力荷载下，45°条件下的岩爆现象比35°和40°条件都要剧烈。在15步应力条件下，岩样已处于平静期，而到17应力步时，直线速度场的出现预示着即将到来的结构破坏。到达19应力步时，岩样发生宏观破裂并在20应力步完全破坏。

4 结论

通过MatDEM基于不同工况建立了在深部应力条件下岩样超载破坏的数值模型，探究了岩样的结构效应与围压效应对于岩样三向应力响应、裂隙破裂发育特征以及岩爆现象速度场的影响规律。得出如下主要结论。

（1）在35°变角应力条件下0°层面倾角岩样的三向应力分布规律，随着法向应力步增加，法向应力延伸深度受节理面影响，主要集中在孔洞周围，形成高应力区域，促成岩样的初步破裂。最大水平方向应力由点状离散分布形成力链。最小水平方向应力水平排列并向孔洞聚集。裂隙从孔洞周围向岩样外部扩散，尤其在孔洞周围形成拉裂纹，进入临界破坏阶段时剪裂纹占比增加，形成以剪切破坏为主的破坏区域。

（2）通过对0°层面倾角岩样颗粒速度场的深入分析，揭示了岩样的岩爆现象。在0°层面倾角下，颗粒在高应力阶段表现出明显的喷射现象，此后颗粒活动进入一个平静期，随着应力的进一步增加，颗粒速度迅速上升，导致岩片产生剥落和岩爆现象。

（3）对于不同初始应力条件，应力分布及其对岩样破裂区域发展的影响存在显著差异。在40°应力条件下，X方向的应力相较于35°应力条件明显减小。相比之下。在45°应力条件下Z方向的应力分布广泛且密集，加速了裂隙的形成和岩样的破坏进程。在同一应力条件下，40°倾角的岩样展现出了更好的稳定性和相对延后的破坏时机，35°倾角的岩样破坏程度居中，而45°倾角的岩样由于应力过度集中而较为迅速地进入破坏状态。通过速度场的分析，进一步得出45°倾角的岩爆现象最为剧烈，其次是35°，而40°的岩爆现象相对温和。基于此发现，可为实际工程临短预警及降低岩爆风险提供一定的指导。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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