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岩石损伤强度及峰值强度前后阶段的声发射识别

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岩土工程学报 2022年第10期44卷 1908-1916页

作者：赵云阁黄麟淇李夕兵中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083

岩石损伤强度和峰值强度是岩石工程中两项重要指标,通过声发射识别该两项指标更具工程应用价值,为了解决目前采用声发射试验难以识别的问题,开展了相应的试验和识别方法研究。选用典型的红砂岩进行声发射试验,首先根据声发射事件数表征... 详细信息

岩石损伤强度和峰值强度是岩石工程中两项重要指标,通过声发射识别该两项指标更具工程应用价值,为了解决目前采用声发射试验难以识别的问题,开展了相应的试验和识别方法研究。选用典型的红砂岩进行声发射试验,首先根据声发射事件数表征的损伤变量,将岩石压缩破坏全过程划分为损伤稳定演化(损伤强度前)、损伤加剧演化(损伤与峰值强度之间)和峰后残余强度3个阶段。根据岩石声发射参数与损伤状态之间Spearman相关性系数分析结果,优选了用于识别的声发射参数,进而建立了基于SVM分类原理的岩石损伤强度及峰值强度前后阶段的识别模型。不同核函数与参数优化算法组合研究表明:RBF核函数与PSO算法组合时识别效果最优,且识别准确率随着测试岩样与训练岩样波速差异的减小而增加;波速差异较小时,3个阶段的识别准确率均超过96%。研究结果可为通过声发射监测识别工程实际中岩石所处的强度阶段提供借鉴。

关键词：岩石声发射损伤强度峰值强度支持向量机波速

基于近场动力学的岩石水力压裂数值模拟及裂隙网络定量分析

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岩土力学 2024年第2期45卷 612-622页

作者：华涛申林方王志良李泽徐则民昆明理工大学建筑工程学院云南昆明650500

基于常规态型近场动力学方法实现了岩石裂隙扩展演化,采用实时追踪新生裂隙面并施加表面压力的方法来模拟压裂液与裂隙表面的相互作用,建立了岩石水力压裂的数值计算模型。根据数字图像处理技术将Zhang-Suen细化算法应用于水力裂隙网络... 详细信息

基于常规态型近场动力学方法实现了岩石裂隙扩展演化,采用实时追踪新生裂隙面并施加表面压力的方法来模拟压裂液与裂隙表面的相互作用,建立了岩石水力压裂的数值计算模型。根据数字图像处理技术将Zhang-Suen细化算法应用于水力裂隙网络的骨架提取,并采用统计方法计算裂隙网络形态参数,提出了水力裂隙网络量化计算方法。最后考虑加载速率、地应力条件及弹性模量等因素影响,研究了水力裂隙扩展过程及裂隙网络形态参数的演化。研究结果表明:当加载速率较小时,主裂隙朝着较大地应力的方向扩展,裂隙分支并不明显;增加加载速率会增大裂隙均宽和裂隙密度,能够促进裂隙的张开程度及裂隙数量,增强裂隙网络的复杂程度并提高其渗透能力。当水平向地应力和竖向地应力相同时,主裂隙呈十字交叉分布;随着竖向地应力的增大,水平裂隙受到抑制作用,主裂隙沿着竖向扩展,而裂隙总长和裂隙密度则呈增加的趋势。岩体弹性模量的增加会减少细小裂隙分支的扩展,使裂隙网络形态趋于简单化。

关键词：岩石水力压裂近场动力学裂隙扩展数值模拟

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颗粒离散元岩石模型的宏细观抗拉强度关联

力学学报 2024年第5期56卷 1411-1425页

作者：谭鑫胡跃刚尹心曹文贵湖南大学土木工程学院长沙410082 湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室长沙410082

颗粒离散元数值模型由于具有反映材料宏细观力学特征的天然优势,而被大量学者采用开展岩石力学课题相关研究,但DEM数值模型涉及的跨尺度关联和参数标定问题给研究者带了挑战,且尚未形成获得统一认可的定量分析方法.基于规则排列的圆形颗... 详细信息

颗粒离散元数值模型由于具有反映材料宏细观力学特征的天然优势,而被大量学者采用开展岩石力学课题相关研究,但DEM数值模型涉及的跨尺度关联和参数标定问题给研究者带了挑战,且尚未形成获得统一认可的定量分析方法.基于规则排列的圆形颗粒DEM岩石试件拉伸模型,开展细观接触破裂模式与宏观拉伸破坏强度相关性的力学分析,指出岩石试样宏观抗拉强度取决于内部细观接触破裂模式,而细观破裂模式则受到接触抗拉强度、接触抗剪强度、接触法向刚度、接触切向刚度,甚至颗粒大小及排列方式的共同影响.根据理论分析及数值模拟结果提出了4种细观破裂模式及相应宏观抗拉强度理论计算公式,并将公式修正应用于随机颗粒排列的类岩石材料DEM模型,从细观角度揭示了宏观DEM岩石材料拉伸破坏机理,构建了宏细观抗拉强度参数关联.所建立关联公式的合理性得到了大量随机数值模拟结果的有效验证,可为研究者利用颗粒DEM数值模型进行岩石和混凝土等类脆性材料模拟的参数选取及标定工作提供重要的参考依据.

关键词：离散元岩石破裂宏细观抗拉强度

基于改进BP算法的岩石宏细观参数轻量化分析方法

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湖南大学学报:自然科学版 2023年第9期50卷 207-218页

作者：任俊卿肖明刘国庆武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100048

针对PFC3D细观参数多、宏细观参数间影响机制分析难度大、参数标定模型可解释性不足等问题,以细观参数轻量化分析目标,通过引入含陡度因子的功能函数、自适应Nest-erov动量法及自适应学习率提出了一种改进的BP算法进行轻量化建模.与传... 详细信息

针对PFC3D细观参数多、宏细观参数间影响机制分析难度大、参数标定模型可解释性不足等问题,以细观参数轻量化分析目标,通过引入含陡度因子的功能函数、自适应Nest-erov动量法及自适应学习率提出了一种改进的BP算法进行轻量化建模.与传统BP算法对比表明:改进算法提升了传统算法的稳定性与收敛速度,能够合理准确的对宏细观参数间的敏感性进行量化,筛选出关键的细观参数并获得轻量化的宏细观参数分析模型.基于轻量化模型对宏细观参数间的相关性及影响机制进行分析,研究了单个及多个关键细观参数对宏观参数的影响规律,研究发现:弹模随等效模量增大呈线性增长;平行黏结刚度比对弹模的增长具有抑制作用且当刚度比较高时弹模减小幅度较大.泊松比和颗粒刚度比及平行黏结刚度比间均存在线性关系,而摩擦系数的增大将引起泊松比的非线性减小.强度参数对峰值强度均具有激励作用,当平行黏结抗拉及抗剪强度在较高水平下的组合对峰值强度的提升作用最为显著,内摩擦角主要对岩石的峰后强度具有一定影响,这是由于试样在峰后加载时,内摩擦角对于剪切带两侧的颗粒滑动具有一定的控制作用.研究成果对于PFC参数标定问题具有一定的参考价值.

关键词： PFC3D 岩石改进BP算法自适应算法宏细观轻量化标定

考虑渗透压力作用的岩石单轴压缩损伤模型构建及试验验证

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煤田地质与勘探 2023年第5期51卷 78-87页

作者：宋战平王加辉潘红伟杨棚涛杨腾添田松西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室陕西西安710055 中铁北京工程局集团第一工程有限公司陕西西安710100 中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300

在富水环境下隧道与地下工程建设中,因地下水渗透引起的围岩失稳导致施工安全事故频发的问题日益突出,建立考虑渗透水压力作用的岩石单轴压缩损伤本构模型对指导现场施工具有重要意义。为描述岩石在单轴压缩破坏过程中的应力−应变关系,... 详细信息

在富水环境下隧道与地下工程建设中,因地下水渗透引起的围岩失稳导致施工安全事故频发的问题日益突出,建立考虑渗透水压力作用的岩石单轴压缩损伤本构模型对指导现场施工具有重要意义。为描述岩石在单轴压缩破坏过程中的应力−应变关系,在原有的岩石本构模型基础上,引入孔隙岩石变形模型、孔隙纵横比、自洽模型等概念和水化学损伤、Weibull统计损伤等理论,同时考虑渗透压力对岩石弹性模量的影响,确定岩石不同阶段的损伤模型,阐述岩石闭合应力和损伤阈值的确定方法,进而建立适用于不同渗透压力作用下的岩石单轴压缩全过程的本构方程。最后,将构建的本构模型得出的理论曲线与灰岩单轴压缩试验所得实际曲线和文献获得的理论曲线进行对比,该模型很好地体现了岩石压缩全过程的应力−应变曲线,充分证明了此模型的合理性与适用性。

关键词：损伤阈值岩石本构模型渗透压力弹性模量

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基于最大拉应变准则的冻融岩石损伤模型研究

西南交通大学学报 2023年第5期58卷 1045-1055页

作者：候超靳晓光何杰张驰重庆大学土木工程学院重庆400044 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400044 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

为反映寒区遭受冻融的岩石在外力作用下的应力-应变全过程,基于统计损伤力学理论,假设岩石微元体强度服从Weibull分布,结合最大拉应变破坏准则,建立了考虑冻融和荷载耦合作用的寒区冻融岩石损伤模型;推导了模型参数的理论解,利用已有的... 详细信息

为反映寒区遭受冻融的岩石在外力作用下的应力-应变全过程,基于统计损伤力学理论,假设岩石微元体强度服从Weibull分布,结合最大拉应变破坏准则,建立了考虑冻融和荷载耦合作用的寒区冻融岩石损伤模型;推导了模型参数的理论解,利用已有的试验结果和已有损伤本构对模型进行了验证,探讨了不同冻融次数下岩石的总损伤曲线演化规律,并对模型参数进行了分析;采用数值模拟方法计算了冻融循环对隧道工程稳定性的影响.结果表明:本文所建立的模型可较好地重现岩石的应力-应变全过程,并能反映岩石的峰后强度;不同冻融次数下岩石的总损伤演变曲线呈“S”形,总损伤演变曲线可分为3个阶段,即初始损伤阶段、加速阶段和完全损伤阶段;Weibull分布参数m和f_(0)分别代表岩石的脆性特征和塑性特征;随着冻融次数的增加,隧道围岩的垂直位移、最大主应力及衬砌最大主应力均逐渐增加,但隧道围岩的应力增幅较小,经历10次冻融循环后,隧道拱顶的围岩下沉量和底部的围岩隆起量分别增加17.87%和19.24%,隧道围岩最大拉应力和压应力极值分别增加了2.70%和2.01%,隧道衬砌最大拉应力和压应力极值分别增加了21.52%和17.87%.

关键词：岩石冻融循环破坏准则损伤模型参数分析

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岩石-钢纤维混凝土复合层抗压强度预测模型

岩土力学 2021年第3期42卷 638-646页

作者：陈猛崔秀文颜鑫王浩王二磊东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 东北大学智慧水利与资源环境科技创新中心辽宁沈阳110819 武汉理工大设计研究院有限公司湖北武汉430070

为了研究岩石-钢纤维混凝土复合层单轴抗压强度的计算方法,对岩石、钢纤维混凝土和岩石-钢纤维混凝土(R-SFRC)复合层试件进行单轴压缩试验,分析混凝土强度等级(C30、C40和C50)和纤维掺量(0、40、60和80 kg/m^(3))对钢纤维混凝土和复合... 详细信息

为了研究岩石-钢纤维混凝土复合层单轴抗压强度的计算方法,对岩石、钢纤维混凝土和岩石-钢纤维混凝土(R-SFRC)复合层试件进行单轴压缩试验,分析混凝土强度等级(C30、C40和C50)和纤维掺量(0、40、60和80 kg/m^(3))对钢纤维混凝土和复合层单轴抗压强度的影响规律,应用RFPA2D模拟复合层单轴压缩损伤过程和应力-应变曲线,基于Mohr-Coulomb屈服准则建立R-SFRC复合层抗压强度预测模型。结果表明,复合层试件单轴抗压强度介于岩石和混凝土抗压强度之间,复合层中岩石和混凝土界面的相互约束改变了各层的受力状态,复合层中岩石强度降低而混凝土强度增大,复合层极限抗压强度为复合层中的混凝土强度。复合层试件的抗压强度随混凝土基体强度和钢纤维掺量的增大而增大,混凝土基体强度对复合层试件的抗压强度影响更显著;不同材料的复合层单轴抗压强度数值模拟值和理论计算值相对于试验值的误差范围分别为-5.41%~-0.69%和-8.67%~-1.21%,数值模拟和理论计算模型可用于复合层单轴抗压强度预测。

关键词：岩石钢纤维混凝土复合层抗压强度数值模拟 Mohr-Coulomb屈服准则

基于分形维数特征的岩石介质气-水相对渗透率预测模型研究

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岩土工程学报 2023年第7期45卷 1421-1429页

作者：孔德森赵明凯时健滕森山东科技大学土木工程与建筑学院山东青岛266590 山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室山东青岛266590

相对渗透率是表征岩石介质两相流动特征的重要力学参数,如何快速有效地获取相对渗透率是当前研究的热点问题。采用分形方法将岩石孔隙等效为尺寸不规则的毛细管,基于动量平衡原理建立气-水两相流动的平衡关系式,开发了一种预测相对渗透... 详细信息

相对渗透率是表征岩石介质两相流动特征的重要力学参数,如何快速有效地获取相对渗透率是当前研究的热点问题。采用分形方法将岩石孔隙等效为尺寸不规则的毛细管,基于动量平衡原理建立气-水两相流动的平衡关系式,开发了一种预测相对渗透率的分形解析模型。然后,基于孔径尺度和流动路径的迂曲度特征,研究了岩石的孔隙结构对两相流体渗流特性的影响。该模型得出的相对渗透率曲线与相关试验数据吻合程度高,验证了模型的合理性。研究结果表明:该模型相比于其他相对渗透率模型准确性更高。岩石的渗流特性与流体性质和孔隙结构有关,表征孔径尺度的分形维数Df和迂曲度分形维数DT越小,两相流的渗透率越大,而DT的值增大会降低水相的相对渗透率,增大气相的相对渗透率。该模型无需使用任何经验常数计算相对渗透率,避免了数据处理的繁琐过程,可有效应用于页岩气开采等工程领域。

关键词：岩石两相流分形维数动量平衡相对渗透率

岩石类脆性材料损伤演化分析及其模型方法研究

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岩土力学 2021年第9期42卷 2344-2354页

作者：张超杨楚卿白允湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室湖南湘潭411201

为了合理解决岩石类脆性材料损伤状态的描述及其演化问题,探讨了基于应变等效假设的弹性模量法各参数物理含义及其模型应用的局限性,进行了灰岩三轴循环加卸载试验过程中模量变化研究,讨论了卸荷模量替代法以及统计损伤演化模型在损伤... 详细信息

为了合理解决岩石类脆性材料损伤状态的描述及其演化问题,探讨了基于应变等效假设的弹性模量法各参数物理含义及其模型应用的局限性,进行了灰岩三轴循环加卸载试验过程中模量变化研究,讨论了卸荷模量替代法以及统计损伤演化模型在损伤演化分析中存在的缺陷。研究结果表明,现有弹性模量法仅能够用于反映单轴压缩条件下岩石损伤演化过程,卸荷模量替代法无法正确描述岩石损伤状态及其演化规律,统计损伤本构模型仅可视为统计损伤演化模型数值[0,1]范围下的理论自洽解决办法。根据上述研究,提出了考虑损伤应变阈值影响的岩石损伤表征变量及其演化模型,建立了损伤应变阈值前本构模型以及损伤应变阈值后损伤本构模型,进行了模型参数敏感性分析。研究结果表明,新模型和方法不仅能够合理阐释三轴压缩条件下岩石损伤破坏机制,也能够准确模拟岩石全应力-应变过程,具有较好的合理性与可行性。

关键词：岩石弹性模量法损伤演化本构模型敏感性