动态扰动下裂隙岩体水力-力学耦合破坏的近场动力学模拟方法与应用

针对爆破扰动下裂隙岩体渗流-应力耦合破坏机制难题，研究团队基于近场动力学(PD)理论构建了三维水力-力学耦合模型，揭示了动载作用下裂隙水压演化规律与裂纹扩展机制，为海底钻爆法隧道围岩稳定性评估提供了创新方法。

　　

在城市化进程加速的背景下，隧道工程正逐步向地质条件复杂的山岭、岩溶区和环境恶劣的海底区域延伸。这些工程面临的重大挑战在于：富含地下水的裂隙岩体在钻爆法施工时，爆破动载与地下水渗流的耦合作用会引发围岩失稳、突水等灾害。传统研究方法如物理试验受限于尺度效应，理论分析难以处理复杂裂隙网络，而现有数值方法(如FEM、DEM)在模拟裂纹动态扩展时存在明显局限。

针对这一难题，中国的研究团队基于近场动力学(Peridynamics, PD)这一非局部理论，创新性地建立了三维水力-力学耦合模拟框架。该研究首次推导出动态扰动下裂隙水压变化的数学表达式，通过MATLAB实现了应力-渗流耦合过程的PD算法，并应用于汕头湾海底高铁隧道的稳定性评估。论文发表于《Simulation Modelling Practice and Theory》，为复杂地质条件下隧道安全施工提供了理论支撑。

关键技术包括：1) 基于有效应力原理构建状态基PD控制方程；2) 建立裂隙变形与水压变化的动态耦合关系；3) 开发混合时间积分算法处理卸载效应；4) 通过花岗岩爆破试验验证模型准确性。

【普通状态基近场动力学】
提出考虑非局部相互作用的空间积分方程，通过"共轭键"概念实现微-宏观变形能等效，克服传统方法在裂纹模拟中的奇异性问题。

【模拟方法验证】
对比花岗岩单孔爆破试验数据，数值模拟准确再现了动载作用下水压脉冲响应特征（峰值延迟3.2μs）和裂纹分叉模式（主裂纹倾角55°），误差小于8%。

【汕头湾隧道案例】
针对设计时速350km的世界首座海底高铁隧道，模拟显示爆破荷载使裂隙水压骤增47%，导致支护结构应力集中系数达2.3，揭示了钻爆顺序对围岩损伤的累积效应。

【讨论与结论】
该研究突破性地量化了动载-渗流耦合作用机制，但PD方法仍面临计算效率（百万节点需72h）和多场耦合参数敏感性等挑战。成果为海底隧道动态设计提供了新工具，支持的汕头湾隧道工程已成功穿越1126m复杂海域段。研究获得国家重点研发计划（2023YFB2603600）和国家自然科学基金（52279104）等资助，相关算法已集成至自主知识产权软件平台。

（注：全文严格依据原文内容，专业术语如PD、FEM、DEM等均保留原文格式，机构名称按国内规范翻译，未出现文献标识和HTML标签）