Page 8 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 马泗洲，等： 围压与爆破耦合作用下节理岩体裂纹的扩展行为与影响因素 第 6 期

爆炸光弹性试验验证数值模型的有效性与合理性；此外，利用 Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) 损伤模型研
究不同节理角度及不同围压对爆破裂纹扩展行为的影响，结合 FracPaQ 程序定量表征爆破裂纹的分布规
律；最后，通过节理尖端主应力分布及法向、切向位移变化规律，探索节理岩体的爆破裂纹扩展机制。

1 数值计算方法及模型介绍

1.1 数值算法与方法
LS-DYNA 程序中常用的算法主要包括：拉格朗日（Lagrange）算法、欧拉（Euler）算法和任意拉格朗
日-欧拉 (ALE) 算法 [16] ，不同算法下单元与材料网格的变化关系如图 1 所示。Lagrange 算法中单元网格
与材料绑定，随着材料的运动而产生网格变形，该算法可准确捕捉材料边界，但网格变形过大会导致计
算不收敛。Euler 算法相对稳定，材料在固定的单元网格上流动，可有效解决大变形问题，但计算效率较
低。ALE 算法则是对 Euler 算法的改进，使原本固定的单元网格也能发生运动，计算过程较为稳定。本
文岩石与节理材料均采用 Lagrange 算法，炸药材料和耦合域采用 ALE 算法，使用多物质组*ALE_MULTI_
MATERIAL_GROUP 关键字将炸药和耦合域两组单元包含进来。此外，将岩石与节理材料设为固体组，
炸药和耦合域设为流体组，通过流固耦合*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 关键字将二者耦合
起来，从而产生相互作用，实现荷载的有效传递。

Material deformation

Lagrange mesh
Lagrange (translation)

Euler mesh
Euler (fixed in space)

ALE mesh
ALE (moving)

Solid materials Void or air ALE mesh translation
Δt
t=t 1 t=t 2
图 1 不同算法下材料及单元网格变化关系示意图
Fig. 1 Schematics of material and element mesh variation for different algorithms

围压作用下节理岩体爆破数值模拟主要分 2 步进行计算。首先在节理岩体四周的单元上施加荷
载，即应力初始化，待应力稳定后再进行节理岩体爆破计算 [17] 。应力初始化的方法有很多种，如动力松
弛法、临界阻尼法和 Dynain 文件法等 [18] 。考虑到计算精度和计算效率，本文使用 Dynain 文件法，该方法
通过*INTERFACE_SPRINGBACK_LSDYNA 关键字将应力初始化结果输出，并结合*INCLUDE 关键字
调用第一步的计算结果文件，从而进行第二步的计算。

1.2 模型本构与材料参数
LS-DYNA 材料库丰富，可用于模拟岩石材料的模型众多。Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) 模型因其
拉压损伤特性，可较好地反映节理岩体在围压与爆破耦合作用下的动态力学行为。模型本构关系如图 2
所示，由应力-应变曲线特征，可将模型分为 3 个阶段：弹性变形阶段 S 、塑性变形阶段 S 和损伤破坏阶
2
1
段 S ，如图 2(a) 所示。当材料达到弹性与塑性极限时，分别会形成弹性屈服面和极限破坏面。在持续加
3
载条件下，材料会产生不可逆损伤，但仍保留一定承载能力，最终形成残余强度面，如图 2(b) 所示。
RHT 模型共包含 38 个参数，一般需要通过经验公式、力学实验等方法进行确定，详尽的标定方法
可以参考文献 [17]，本研究中使用的 RHT 岩石材料模型如表 1 所示。

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