《Computational Particle Mechanics》：Continuum-discrete coupled model for dynamic impact of heterogeneous rock with
X-shaped joints under biaxial preloading
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為了探究深部地下工程中受強外部擾動下節理巖體在自由表面的復雜響應機制，本研究開發了一種基于顆粒模型（GBM）的雙向霍普金森桿系統的二維細觀連續-離散耦合數值模型，用于模擬含X形交叉節理的非均質花崗巖在雙軸預壓下的動態沖擊過程。該模型有效捕捉了巖石固有的礦物非均質性和節理結構，在實驗室尺度上復現了其動態力學響應與破壞模式，揭示了接觸力鏈網絡失效重組主導的細觀巖石斷裂機制，并明確了由節理幾何形態與主應力方向協同控制下弧形斷裂區的形成過程。研究成果為理解動態擾動和高地應力下節理圍巖的破裂與失穩演化提供了細觀可視化途徑，對節理巖體的災害控制與加固設計具有參考意義。
深部地下工程是巖土工程領域的關鍵研究方向。這類工程中的圍巖環境通常承受著較高的初始地應力和外部動態荷載擾動，這對地下資源開采、深部工程建設和災害防治構成了嚴峻挑戰。地下結構的開挖打破了原有的應力平衡狀態，導致應力重新分布，并集中在工作面前緣及圍巖的節理與裂縫中，極易引發局部失穩、塌方甚至巖爆。此外，由花崗巖顆粒尺寸、形態和分布引起的非均質性，以及巖體中節理與裂縫導致的不連續特征，也備受關注。在此高地應力狀態和巖體結構下，外部強擾動（如機械振動、爆破、沖擊和地震事件）加劇了地下工程的復雜性和不確定性。因此，探索巖石動力學和動態擾動因素，對于地下工程的設計與施工至關重要。
然而，節理和裂縫的發育顯著削弱了圍巖的承載能力。巖石的異質性源于礦物顆粒尺寸、形態、分布和強度差異的空間變化。傳統的實驗方法雖能提供加載前后從微觀到宏觀的圖像，但在加載過程中持續監測顆粒異質性對裂紋演化的影響仍面臨挑戰。因此，發展能夠同時考慮巖石非均質性、預制不連續結構（如節理）并在復雜應力路徑（如雙軸預壓）下進行動態沖擊模擬的數值模型，對于揭示深部節理巖體的損傷破壞機制具有重要意義。
為探究雙軸預壓下含X形交叉節理的非均質花崗巖在動態沖擊過程中的斷裂演化機制，本文研究團隊在雙向霍普金森桿（Biaxial Hopkinson Pressure Bar, BHPB）系統內構建了花崗巖的二維細觀連續-離散耦合數值模型。該模型成功再現了花崗巖的宏觀力學行為與破壞模式，并從細觀尺度評估了接觸力分布的演化、動態裂紋的萌生與擴展機制，以及由預制缺陷觸發的聲發射（AE）特征。這項研究為理解動態擾動和高地應力條件下節理圍巖的破裂與失穩演化提供了顆粒尺度的可視化方法。
本研究主要采用了以下關鍵技術方法：
首先，基于雙向霍普金森桿（BHPB）試驗設備，開展了雙軸預壓下的動態沖擊測試，以獲取材料在高應變率下的動態力學性能。其次，建立了基于有限差分法（FLAC2D）的桿系連續域模型和基于離散元法（PFC2D）的巖石顆粒離散域模型，并通過邊界耦合方法實現了兩者在動態計算中的雙向數據傳輸與交互。最后，采用顆粒模型（Grain-Based Model, GBM）構建巖石試樣，利用偏振光顯微鏡和X射線衍射（XRD）確定礦物成分與比例，并借助Voronoi圖空間鑲嵌技術生成代表礦物組成的多邊形結構，為不同礦物顆粒內部（TG）和顆粒邊界（IG）分別賦予線型平行鍵（Linear Parallel Bond, LPB）模型及其力學參數，從而表征花崗巖的非均質特性。
2.1 實驗室配置與技術
研究采用了雙向霍普金森壓桿系統，該系統在傳統SHPB裝置的基礎上，加入了雙向初始預壓。通過施加靜態預壓模擬地應力環境，并利用空氣炮產生動態沖擊波。基于一維波理論和均勻性假設，使用公式（1）計算應變率、應變和動態應力，并驗證了加載過程中沖擊方向的動態應力平衡。
2.2 基于連續-離散耦合建模的加載方法
模擬包含兩個核心部分：一是由高彈性模量的連續單元（基于FLAC2D）組成的桿系，用于宏觀模擬應力波在桿中的傳播與反射；二是代表巖石試樣的離散顆粒集合體（基于PFC2D），用于細觀捕捉破碎過程中的裂紋萌生、擴展及能量轉化/耗散。兩者通過Socket I/O接口實現全精度數據在相同時步下的傳輸，并采用動態耦合計算方法模擬相互作用。預壓以表面力的形式施加，沖擊應力波則以應力時程的形式作為入射波源施加到入射桿起始端。
2.3 巖石的顆粒基建模
巖石試樣來自雙江口水電站地下廠房，為邊長50 mm的立方體，中心預制了長度為30 mm、寬度為0.6 mm、呈90°交叉的X形節理。通過偏振光顯微鏡和XRD測試，確定了礦物組成（鉀長石19.1%，斜長石35.2%，石英34.2%，黑云母7.3%，粘土礦物4.2%）。在GBM模型中，構建流程包括：1）根據礦物比例和粒徑生成代表不同礦物組和粒徑的大球體單元；2）基于球體單元，通過Voronoi鑲嵌構建緊密堆積的多邊形，并將其轉化為幾何多邊形；3）生成細顆粒填充晶粒內部，并根據幾何多邊形為同一多邊形內的顆粒分配相同礦物類型，為顆粒內部和晶界分別設置接觸參數。
2.4 接觸模型選擇與參數驗證
模型中，顆粒內部接觸（TG）使用線型平行鍵模型，晶界接觸（IG）也采用線型平行鍵模型，但賦予稍弱的參數以模擬晶界。平行鍵的受力與力矩更新、最大應力和失效準則均通過公式（2）至公式（10）進行描述。微觀參數通過“試錯法”并結合參數敏感性分析進行校準，最終確定了不同礦物及晶界接觸的微觀力學參數（如表1所示）。鋼桿系統則采用彈性模型，其參數根據實驗值設定。
研究結果與結論
本研究構建的雙向霍普金森桿系統連續-離散耦合模型，成功模擬了含X形交叉節理的非均質花崗巖在雙軸預壓下的動態沖擊過程。模擬結果準確再現了試樣的變形與破壞過程。具體研究發現：沿沖擊方向的位移場對于含X形節理的試樣表現出顯著的梯度分異和空間變化；細觀巖石斷裂的萌生可歸因于接觸力鏈網絡的失效與重組；交叉節理尖端處的應力集中引發了力鏈網絡的局部失穩并萌生微裂紋；接觸力的局部再分布加劇了接觸力鏈網絡的重組以及微裂紋的擴展與貫通。由于節理幾何形態與主應力方向的協同控制，X形節理兩側出現了弧形斷裂帶，并逐漸向試樣端部延伸。
此外，在顆粒離散元模型中實現了聲發射事件的空間定位與量級分布。基于R值分析，確定破壞模式主要為拉伸破壞，并逐漸引發內爆和剪切破壞。不同加載階段b值從高到低的轉變表明，破壞機制發生了從無序成核到有序貫通的跨尺度演化。不同應變率下的微裂紋分布模式與高應變率下微裂紋的漸進演化規律呈現相似性。裂紋系統（翼裂紋、反翼裂紋、共面裂紋和擴展裂紋）的多階段漸進演化反映了缺陷主導的損傷與破壞。
該研究提供了一種從顆粒尺度可視化理解動態擾動和高地應力下節理圍巖破裂與失穩演化的方法，為節理巖體的災害控制與加固設計提供了見解。論文發表于《Computational Particle Mechanics》期刊。
