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层状板裂组合结构岩体力学特性试验研究

岩石力学与工程学报 2022年第S02期41卷 3282-3293页

作者：卢海峰魏爱超邹星辰武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072

层状结构是自然界中常见的岩体结构类型,在我国分布广泛,然而在西部构造应力的作用下,易形成一种较为特殊的岩体组合结构,即层状板裂结构。以西部地区层状板裂结构较为普遍的板岩为例,开展力学特性试验研究,结果显示板岩岩石内部构造结... 详细信息

层状结构是自然界中常见的岩体结构类型,在我国分布广泛,然而在西部构造应力的作用下,易形成一种较为特殊的岩体组合结构,即层状板裂结构。以西部地区层状板裂结构较为普遍的板岩为例,开展力学特性试验研究,结果显示板岩岩石内部构造结构面对岩石破坏模式与力学特性影响较大,各向异性特征明显。为消除岩石构造结构面的干扰,采用完整性较高、均质性较好的花岗岩预制层间薄夹层来研究层状板裂结构的力学特性,研究结果显示,岩体的峰值强度与弹性模量随着层间板裂化结构面密度的增大呈线性下降趋势,板裂化结构面密度越大,岩体在压缩变形过程中所吸收的应变能越小,破坏程度也有所减弱,破坏时板裂化结构面处率先产生裂纹,之后裂纹拓展贯通至破坏。在此基础上,引入结构面密度参数λ,对现有的弹性均质断续结构和碎裂结构岩体变形本构方程进行优化,优化后的本构方程能够更好地描述层状板裂组合结构岩体的本构关系。

关键词：岩石力学层状板裂结构力学特性本构模型

TBM在煤矿巷道掘进中的技术应用和研究进展

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煤炭科学技术 2023年第1期51卷 242-259页

作者：刘泉声黄兴潘玉丛刘滨邓鹏海武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

TBM工法经济技术优势显著,正成为煤矿巷道快速掘进的一种新方法。但由于煤矿特殊的施工环境和复杂地质条件,TBM在煤矿巷道掘进中面临以下技术挑战:(1)煤矿特殊施工环境下TBM装备和矿井系统适应性设计难;(2)煤系软硬复合地层破岩机理不清... 详细信息

TBM工法经济技术优势显著,正成为煤矿巷道快速掘进的一种新方法。但由于煤矿特殊的施工环境和复杂地质条件,TBM在煤矿巷道掘进中面临以下技术挑战:(1)煤矿特殊施工环境下TBM装备和矿井系统适应性设计难;(2)煤系软硬复合地层破岩机理不清,高效破岩控制难度大;(3)软弱地层挤压变形卡机灾害风险大,灾害预测和安全控制难度大;(4)掘进空间狭小和粉尘水雾干扰严重,TBM掘进过程监测难度大,难以进行掘进参数决策控制和灾害预警。对此,针对TBM装备适应性设计技术,深部复合地层TBM高效破岩理论,挤压变形卡机灾害预测控制方法,掘进过程智能化决策控制技术等开展了系统研究,在TBM安全高效掘进技术方面取得了以下研究进展:(1)论述了针对煤矿特殊施工环境的TBM装备和施工工艺适应性设计技术;(2)开展了TBM滚刀贯入和线性切割试验,揭示了复合地层地应力水平、岩石强度及岩性变化、掘进控制模式、滚刀安装半径等对TBM破岩效率和破岩模式的影响机理,提出了深部复合地层TBM掘进性能评价预测方法和岩体可掘性评价方法;(3)揭示了深部煤系软弱地层TBM掘进挤压大变形卡机灾害孕育发生机理,发展了挤压变形卡机灾害孕育演化及控制过程模拟预测的FDEM(有限元-离散元耦合)方法,提出了挤压变形卡机监测预警方法,形成了TBM掘进挤压大变形卡机“大变径扩挖、掘进参数优化和分步联合支护”综合防控技术体系;(4)提出了TBM掘进过程岩-机作用信息(刀盘刀具-掘进工作面作用、围岩-护盾作用信息)实时感知技术,初步提出了TBM掘进参数自适应智能决策方法。上述研究进展将推动TBM在煤矿巷道建设中的应用和安全高效掘进技术进步。

关键词： TBM 煤矿巷道适应性设计高效破岩挤压变形卡机灾害分步联合控制掘进参数智能决策与控制

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工业废渣–水泥协同固化土抗硫酸盐侵蚀性能

岩土工程学报 2022年第11期44卷 2035-2042页

作者：王子帅王东星武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室湖北武汉430072

利用高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、电石渣等工业废渣协同水泥固化方法,通过标准养护试样、清水及硫酸盐溶液浸泡试样的表观形貌、无侧限抗压强度、X射线衍射和扫描电镜等测试,揭示工业废渣-水泥协同固化土的力学性能、微观结构和化学反应机... 详细信息

利用高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、电石渣等工业废渣协同水泥固化方法,通过标准养护试样、清水及硫酸盐溶液浸泡试样的表观形貌、无侧限抗压强度、X射线衍射和扫描电镜等测试,揭示工业废渣-水泥协同固化土的力学性能、微观结构和化学反应机制。结果表明:硫酸镁对工业废渣-水泥协同固化土侵蚀效果大于硫酸钠;较纯水泥土而言,工业废渣的加入能够延缓硫酸盐侵蚀作用;经硫酸镁溶液浸泡后,固化土强度在7 d内有一定增长,之后随龄期增加而持续降低,强度保留系数高低依次为高炉矿渣>硅灰>粉煤灰>电石渣;硫酸钠环境下固化土受SO_(4)^(2−)离子侵蚀作用,硫酸镁环境下受SO_(4)^(2−)侵蚀和Mg^(2+)胶结弱化双重作用,导致固化土孔隙增大,侵蚀产物生成量与工业废渣中CaO含量有关。最后,建立了硫酸盐环境下固化土微观反应机制模型,可为工业废渣-水泥协同固化土抗硫酸盐侵蚀研究提供理论依据。

关键词：工业废渣水泥土硫酸盐侵蚀强度微观结构

基于人工神经网络多模型迁移学习的隧(巷)道机械化掘进装备控制参数自主决策方法

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岩石力学与工程学报 2023年第6期42卷 1405-1420页

作者：高峰黄兴刘泉声殷欣伯音王心语武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

TBM工法是一种应用于隧(巷)道建设的机械化掘进方法。为实现TBM稳态段掘进过程中装备自身对操作参数的优化决策,建立一种基于迁移学习思想的TBM控制参数自主决策模型。首先提出核心优化策略:在充分尊重现场经验的基础上,提高掘进效率、... 详细信息

TBM工法是一种应用于隧(巷)道建设的机械化掘进方法。为实现TBM稳态段掘进过程中装备自身对操作参数的优化决策,建立一种基于迁移学习思想的TBM控制参数自主决策模型。首先提出核心优化策略:在充分尊重现场经验的基础上,提高掘进效率、降低掘进能耗,并以稳态段贯入度(PRev)、刀盘转速(RPM)为输出参数完成数学建模;其次构建优化决策模型,模型基本架构采用深度神经网络,包含2个源域子模型和1个目标域主干模型,分别执行控制参数回归、破岩比能预测、控制参数优化决策任务,并通过迁移学习和网络层冻结的方法实现了源域与目标域的统一;而后确定模型关键超参数取值,采用正交试验和贝叶斯优化相结合的方式确定了源域子模型的最优超参数组合,基于层次分析法确定了目标域主干模型目标函数的关键权重;最后,依托吉林引松供水工程总干线输水隧洞四标段TBM施工数据集(4459组有效数据),对所建立模型进行训练和测试。结果表明,TBM稳态段净掘进速率平均提升了15.55%,刀盘破岩比能平均下降了7.13%,并降低了方差,改善了稳态段掘进过程的整体平稳性。研究成果可为长大隧道、矿山巷道建设工程中的TBM智能化控制系统提供技术支撑。

关键词：隧道工程 TBM 迁移学习深度学习贝叶斯优化层次分析法

钢管超高性能混凝土柱耐火性能数值模拟与理论分析

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建筑钢结构进展 2022年第1期24卷 67-79,97页

作者：张旭余敏胡煊叶庆阳徐礼华武汉大学土木建筑工程学院武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室武汉430072

为研究钢管超高性能混凝土在标准火灾下的受力性能和破坏机理,建立了钢管超高性能混凝土柱的耐火有限元模型,并重点对比分析了超高性能混凝土与部分其他类型混凝土的热工参数及高温下本构关系的不同对构件温度和耐火极限等的影响,结果表... 详细信息

为研究钢管超高性能混凝土在标准火灾下的受力性能和破坏机理,建立了钢管超高性能混凝土柱的耐火有限元模型,并重点对比分析了超高性能混凝土与部分其他类型混凝土的热工参数及高温下本构关系的不同对构件温度和耐火极限等的影响,结果表明:钢管超高性能混凝土构件的核心混凝土温度明显高于相应的普通钢管混凝土或钢管高强混凝土构件的核心混凝土温度,且对于不同配合比的超高性能混凝土构件,其核心混凝土温度场也存在一定差异;高温下钢管对核心超高性能混凝土的约束作用可以忽略不计;对于不同长细比的构件,超高性能混凝土热工参数的取值对构件耐火极限的影响程度几乎不变,但不同荷载比下会有所变化,且荷载比是影响钢管超高性能混凝土耐火极限的主要影响因素。在上述工作的基础上,基于平均温度的耐火计算方法,给出了超高性能混凝土等效强度和等效弹性模量折减系数的计算方法以及考虑不同超高性能混凝土热工参数取值的钢管超高性能混凝土柱平均温度和耐火承载力计算公式,并验证了公式的合理性。该研究将为钢管超高性能混凝土的防火设计提供参考。

关键词：钢管超高性能混凝土有限元分析耐火性能平均温度耐火承载力

面向隧道掘进机可掘性评价的多算法融合优化模型及其工程应用

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岩石力学与工程学报 2022年第S01期41卷 2757-2771页

作者：殷欣高峰刘泉声王心语黄兴潘玉丛武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

开展隧道掘进机(TBM)可掘性评价对于科学规划施工要素具有重要意义。在Karaj输水隧道、Zagros输水隧道和西秦岭铁路隧道的219组数据基础上,建立一种基于贝叶斯优化算法和早停策略改进的深度信念网络TBM可掘性评价模型。该模型以岩石单... 详细信息

开展隧道掘进机(TBM)可掘性评价对于科学规划施工要素具有重要意义。在Karaj输水隧道、Zagros输水隧道和西秦岭铁路隧道的219组数据基础上,建立一种基于贝叶斯优化算法和早停策略改进的深度信念网络TBM可掘性评价模型。该模型以岩石单轴抗压强度(UCS)、岩石质量指标(RQD)、优势结构面与隧道轴向的夹角(α)和岩体可切削性指数(RMCI)作为输入变量,以现场贯入度指数(FPI)作为输出变量。在数据预处理阶段,分别采用Kriging插值和改进的CRITIC算法补全数据库中的缺失值并实现数据加权。以引松供水工程和辽西北引水工程为例检验模型的工程实用性:对于引松供水工程的37组测试数据,模型的均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)和决定系数(R^(2))分别为2.18,8.25%和0.9262;对于辽西北引水工程的49组测试数据,模型的RMSE,MAPE和R^(2)分别为2.83,8.14%和0.9817。进一步地,通过定量比较数据加权前、后模型的RMSE,MAPE和R^(2),发现数据加权可以有效改善模型预测性能。最后,从预测精度和运行速度2个方面开展了本文模型与BP神经网络、支持向量回归、K–近邻和随机森林的对比分析,验证了本文模型的优越性。

关键词：岩石力学深度信念网络贝叶斯优化早停策略多算法融合隧道掘进机可掘性评价

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基于多角度投影方法的砂土颗粒三维形态表征

清华大学学报（自然科学版） 2024年第2期64卷 294-302页

作者：谢维强张晓平刘晓丽周小雄刘泉声清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 深地科学与工程云龙湖实验室徐州221116 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室武汉430072

砂土颗粒的形态学特征(尺寸和形状)对于评估砂土材料的力学特性至关重要,因此准确地量化其三维形态学特征是研究砂土材料力学特性的前提工作。相比三维测试(表征)方法,二维测试(表征)方法具有测试方式多、程序简单、成本低等优点。为研... 详细信息

砂土颗粒的形态学特征(尺寸和形状)对于评估砂土材料的力学特性至关重要,因此准确地量化其三维形态学特征是研究砂土材料力学特性的前提工作。相比三维测试(表征)方法,二维测试(表征)方法具有测试方式多、程序简单、成本低等优点。为研究二维图像对砂土颗粒三维形态的表征,利用三维激光扫描技术获取砂土颗粒的三维点云数据;然后利用计算机算法重构砂粒的三维模型,准确快速地自动提取砂粒的三维形态特征;借助算法获取了随机单一投影法、最大最小投影面积法(选自1000张投影)和三正交方向投影法下的砂粒二维形态参数;分析了二维参数与三维参数之间的相关关系,提出了基于砂土颗粒二维形态特征表征三维形态特征的可靠方法。结果表明,砂土颗粒的三维尺寸(长、宽、厚)可使用相应的二维尺寸估算(线性拟合系数R~2=0.735~0.994);3种投影方法中,最大最小投影面积法和三正交方向投影法可准确地估算砂土颗粒的三维形态,为砂土材料的快速定量化表征提供了实用方法。

关键词：砂土颗粒形态特征三维激光扫描二维投影数字图像处理

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薄钢板自攻螺钉连接受剪性能与力学模型研究

工程力学 2021年第9期38卷 64-74页

作者：袁焕鑫蔡康毅吴杨威杜新喜武汉大学土木建筑工程学院岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072

对薄钢板自攻螺钉连接开展受剪试验研究,探究了板件厚度与螺钉直径对连接受剪性能的影响。结果表明:自攻螺钉连接常见的失效模式包括板件孔壁承压失效、螺钉拔出失效和螺钉剪切失效三类,且失效模式受螺钉直径与钉帽侧板件厚度之比的影响... 详细信息

对薄钢板自攻螺钉连接开展受剪试验研究,探究了板件厚度与螺钉直径对连接受剪性能的影响。结果表明:自攻螺钉连接常见的失效模式包括板件孔壁承压失效、螺钉拔出失效和螺钉剪切失效三类,且失效模式受螺钉直径与钉帽侧板件厚度之比的影响;连接的受剪承载力与板件厚度和螺钉直径呈正相关关系,连接的初始刚度和延性也与板件厚度和螺钉直径存在规律性相关关系。采用Johnson-Cook损伤本构和线性损伤积累法则定义材料属性,同时考虑螺钉的形貌特征,建立了自攻螺钉连接的精细有限元模型,经试验结果对比验证表明该模型能够比较准确地模拟自攻螺钉连接的受剪性能。采用中国规范GB 50018-2002的自攻螺钉连接受剪承载力计算公式,同时分析了板件压缩刚度和螺钉剪切刚度的影响,并考虑了螺钉的群钉效应修正,提出了三段式的简化力学模型,能较好地预测自攻螺钉连接受剪的荷载-变形关系。

关键词：自攻螺钉连接受剪性能试验研究有限元分析力学模型

温度和围压影响下裂隙砂岩渗透注浆过程的实时核磁共振试验研究

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岩石力学与工程学报 2022年第4期41卷 660-675页

作者：吴志军张锶浪翁磊刘泉声周原武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室湖北武汉430072

注浆技术作为常用的岩体加固手段已被广泛应用于地下工程中,但注浆加固效果常常受到地下工程所处地层高温、高地应力等环境因素的显著影响。因此,开展不同外界条件下(如温度、围压等)岩体浆液流动扩散机制的研究,对于提高深部软弱围岩... 详细信息

注浆技术作为常用的岩体加固手段已被广泛应用于地下工程中,但注浆加固效果常常受到地下工程所处地层高温、高地应力等环境因素的显著影响。因此,开展不同外界条件下(如温度、围压等)岩体浆液流动扩散机制的研究,对于提高深部软弱围岩的注浆加固效果及保障施工安全有着重要的工程实际意义。本文基于低场核磁共振技术对裂隙砂岩试样开展渗透注浆试验研究,对注浆过程中浆液的核磁信号特征进行实时跟踪测试,分析不同温度、不同围压、不同浆液流速和不同裂隙数量下岩石的浆液注入量、有效注浆时间和浆液充填速率的变化规律。试验结果表明:超细水泥浆液的潜伏期随温度升高而缩短,且浆液的黏度具有显著的时变性和温度相依性。裂隙岩石的浆液最终注入量随着温度和围压的升高而减小。有效注浆时间与浆液流速的增大成反比,与温度的升高成正比。浆液充填速率随着围压的升高而降低,且对围压变化的敏感程度逐渐降低。多裂隙试样中浆液注入量较单裂隙更高,有效注浆时间更短,浆液充填速率更大。在较高浆液流速和较高围压下,微孔隙中浆液充填速率占比明显增大,浆液优先向微孔隙中运移扩散,当微孔隙内浆液达到一定充填度后才向细孔隙和大孔隙中扩散;而温度和裂隙数量对浆液在孔隙中的扩散机制影响较小,各尺寸下浆液充填速率占比变化很小。研究结果为深部软弱岩体的注浆参数设计和选择提供必要指导。

关键词：岩石力学裂隙岩体核磁共振 T2谱曲线浆液扩散