考虑岩体多尺度破裂演化效应的岩爆震动机制数值分析方法

Aiming to the bottleneck problem that the rockburst seismic mechanism has not been revealed because of lack of numerical theory quantifying the multi-scale fracturing characteristics of rockmass, a new hybrid discrete element method-peridynamics numerical theory, hDEM/PD, will be established by combining DEM description of large-scale geological structure and PD characterization of small-scale rock structure. Based on the hard rock loading-unloading tests carried out by the applicant, PD pairwise force constitutive model and bonding contact constitutive model will be established. Following the developments of the location criterion of new fracturing and adaptive meshing algorithm of DEM contacts, multi-scale modeling of rock fracturing will be realized. The method of hDEM/PD dynamic simulation will also be developed by implanting artificial boundary conditions, mechanics damping and rate-related constitutive model. By means of numerical inversion of typical rockburst cases, the multi-scale characteristics and evolution principles of rock fracturing structure, induced and controlled by macroscopic large-scale geological structure, will be revealed. The dynamic triggering effect of rockburst seismic sources and the near-field tremor wave transmission law are studied by introducing finite-source and bonding fracturing models, therefore, the genetic mechanism of strong ground motion will be revealed, and the synergic control mutual-feed evolution relation between multi-scale fracturing and vibration triggering will be quantified. The research will provide a new theoretical method for accurately estimating rockburst risks, and a scientific base for making rockburst control strategy.

针对定量描述岩体破裂多尺度特征数值理论的缺乏而未能全面揭示岩爆震动机制的瓶颈问题，拟基于宏观大尺度地质构造的离散元(DEM)描述和小尺度岩体结构的近场动力学(PD)表征相联合的新指导思想，构建hDEM/PD耦合新数值理论。基于已开展的硬岩加卸荷试验成果建立硬岩PD元偶对键本构模型和粘结接触本构模型，提出新断裂定位准则和自适应新生离散元接触网格重划分算法，实现岩体破裂演化的多尺度模拟，揭示宏观大尺度地质构造诱控下岩爆区岩体破裂结构的多尺度特征及演化规律。建立人工边界、力学衰减和率相关本构模型，实现hDEM/PD耦合动力模拟，引入有限震源新理论和粘结断裂模型，量化岩体多尺度破裂演化与震动激发的协同控制互馈演进关系，解译岩爆近源场震源动态激活效应，辨析震动传播规律和揭示强地动成因机理。本研究可为准确估计岩爆风险提供新理论方法，为合理制定岩爆防治策略提供科学依据。

针对高应力条件下硬岩岩爆灾害的震源产生、震动诱发机制以及岩爆孕育过程中岩体多尺度破裂演化规律认识不清且缺乏相应定量分析理论和数值方法的瓶颈问题，遵照计划书拟定的“数值理论构建及多尺度特征定量描述→有限震源机制解译→震动传播规律认知→强地动成因机理揭示”的总体分析思路总体研究思路，对高应力卸荷诱发岩石（体）的多尺度破裂行为及其宏细观破裂特征和破裂演化规律、岩爆震源理论模型与数值分析方法等核心难题，在室内与原位试验分析、理论机制解译和数值仿真与指标评估等多方面开展了深入系统地研究，总体上达到了预期目标。研究取得了四个代表性成果:（1）基于小尺度室内加卸荷试验及细观DEM数值仿真研究和大尺度地下实验室开挖监测分析，提出了新加卸荷试验和原位测试方法，定量化研究了硬岩高应力卸荷破裂几何特征并揭示了破裂损伤的演化规律与细观破裂机制；（2）针对岩爆近场震源机制认识不清、震源参数缺少科学表征以及震源效应缺乏定量分析方法的困难，基于微震技术揭示了震源孕育过程中破裂类型和演化规律，并提出了深埋隧洞工程近场震源定量评估的新数值指标和弹射速度的新理论估计方法；（3）针对高应力诱发破裂结构演化与岩爆触发间的动态作用和控制过程缺乏充分认知问题，建立了基于有限震源理论和动态断裂为基础的“UJM-DFN”耦合震源模型和体积超剪应力指标，揭示了结构面断裂演化与震动激发的协同控制互馈演进关系，量化了结构面滑移型震源参数；（4）为充分解译岩爆近源场内震源动态激活效应，辨析震动传播规律和揭示强地动成因机理，提出了深埋隧洞工程近场震源激活的概念模型，建立了岩爆震源模型与分析方法间的对应关系,构建了深埋隧洞岩爆震源机制分析与理论方法研究的总体框架，为后续研究提供了新研究理念。