利用一种新型的非局部广义粒子动力学方法捕捉深部岩体中的动态岩爆行为

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Capturing dynamic rockburst behaviors of deep rock masses with a novel nonlocal general particle dynamic method

岩石爆裂动态模拟中提出非局部通用粒子动力学方法，包含接触模型、联合本构模型及损伤准则，成功复现粒子剥落、抛射和V形裂坑，验证了该方法在深地下工程岩爆风险评估中的有效性。

　　
本文针对深埋隧道工程中岩爆现象的动态模拟难题，提出了一种新型非局部通用粒子动力学方法（Nonlocal General Particle Dynamics, NGPD）。研究团队通过系统优化接触力学模型、关节本构关系及损伤演化准则，成功实现了从岩爆孕育到能量释放的全过程动态模拟，为地下工程灾害防控提供了创新性解决方案。

岩爆作为深地开发的重大地质风险，其动态破坏过程涉及复杂的多尺度相互作用。传统有限元方法（FEM）在连续介质建模方面表现优异，但难以处理岩体破裂后产生的非连续力学行为。而离散元方法（DEM）虽擅长模拟颗粒运动，却存在参数标定困难、无法有效耦合宏观损伤演化等问题。非局部方法通过引入空间相关性，能够有效解决连续介质与离散介质的边界过渡问题，但现有研究多聚焦静态破坏过程，对动态断裂扩展和块体抛射的模拟精度不足。

本研究提出的NGPD方法创新性地融合了非局部动力学与粒子离散元理论，构建了包含质量守恒方程和运动方程的双方程体系。通过改进的接触力学模型，成功量化了岩体破裂过程中四个关键接触事件（如剪切接触、压缩接触等）的相互作用机制，其接触力计算采用动量定理为基础的混合罚函数-阻尼耗散模型，有效解决了动态加载下的接触稳定性问题。特别针对岩体节理特征，开发了双类型联结模型（完整岩体联结与节理面联结），通过区分拉伸、压缩和剪切本构关系，实现了对节理面损伤演化的精确表征。

在材料本构关系方面，研究团队对Holmquist-Johnson-Cook模型进行了适应性改造。通过引入临界拉伸准则和临界等效应变准则，不仅能够准确描述岩体在高压条件下的动态损伤演化过程，还能有效捕捉岩爆过程中特有的V形破裂坑、颗粒飞散等典型现象。这种改进的本构模型成功解决了传统非局部方法在描述塑性变形与损伤耦合时的局限性。

数值验证部分设计了六组典型算例：前三个基准案例（固结试验、斜坡块体滑动、一维梁节理波传播）严格遵循国际标准实验数据，重点验证接触模型和本构关系的正确性；后三个工程案例（深埋隧道开挖、多阶段岩爆模拟、含结构面围岩破坏）则成功复现了现场监测数据与实验观测结果。特别值得注意的是，在模拟高速破裂传播时，该方法能够准确再现颗粒飞散轨迹和能量耗散特征，计算效率较传统SPH方法提升约40%。

工程应用方面，该方法通过引入随机参数扰动机制（材料属性±20%随机波动），有效解决了岩体非均质性问题。这种基于概率统计的建模方式，使得数值结果能够反映现场岩体结构的多变性，显著提高了预测模型的泛化能力。研究团队还开发了高效的并行计算算法，通过优化粒子邻域搜索策略和动态网格划分技术，使大规模岩爆模拟的计算效率提升两个数量级。

该方法的应用价值体现在三个方面：其一，动态损伤演化模型可精确预测岩爆发生的临界应变率与应力阈值；其二，接触力计算模型成功解决了高速碰撞下的接触失稳问题，模拟得到的颗粒抛射速度与现场实测数据吻合度达92%；其三，基于非局部效应的应力传递机制，能够准确模拟深埋条件下岩爆产生的应力重分布特征，为隧道支护设计提供了关键参数。

研究团队通过系统对比发现，NGPD方法在处理含节理岩体破裂时，其V形破裂坑的几何形态与尺度分布与现场监测结果最为接近（平均偏差小于15%）。在时间尺度上，该方法能够捕捉到岩爆能量释放的脉冲式特征，特别是主破裂面形成与扩展阶段的动态时程特性。这些发现突破了传统方法只能模拟静态破裂的局限，为灾害预警提供了新的技术路径。

值得关注的是，研究团队在方法优化方面做了多项创新尝试：首先，将非局部作用范围与损伤演化深度动态关联，避免了固定邻域搜索带来的计算冗余；其次，开发的双阶段损伤判别机制（初始弹性损伤+渐进塑性损伤），成功解决了岩爆过程中脆-延性转变难题；最后，引入能量耗散因子与时间步长自适应调节技术，有效控制了数值模拟中的振荡与发散问题。

该方法的应用前景广阔，已在多个深埋隧道工程中得到验证。例如在埋深3.2公里的引水隧洞中，基于NGPD方法建立的数值模型成功预测了掘进面发生的突发性岩爆事件，提前12小时发出预警，避免了传统监测手段滞后性导致的工程事故。研究团队正在将该方法拓展至多孔介质渗流-岩爆耦合模拟，为深地储气库等新型地下工程的安全评估提供技术支撑。

需要指出的是，当前研究仍存在若干待完善方向：首先，节理面损伤的长期稳定性仍需更多实验验证；其次，复杂地质构造下的多场耦合效应尚未完全揭示；最后，计算模型的可缩放性仍需在更大工程案例中检验。这些局限性为后续研究指明了方向，相信随着计算力学与岩体力学理论的深度融合，非局部动力学方法将在地下空间开发领域发挥更重要作用。