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基于多重分形理论的花岗岩岩爆试验声发射信号特征研究

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采矿与安全工程学报 2024年第5期41卷 934-945页

作者：祁浩李春晓李长祺隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

运用声发射系统采集不同中主应力条件下花岗岩岩爆试验过程中的声发射信号,分析岩爆破坏过程和岩爆时刻竖向应力及声发射振铃计数水平,运用多重分形理论分析竖向应力快速加载至岩爆结束过程中声发射振铃计数在时域上的分布特征。研究结... 详细信息

运用声发射系统采集不同中主应力条件下花岗岩岩爆试验过程中的声发射信号,分析岩爆破坏过程和岩爆时刻竖向应力及声发射振铃计数水平,运用多重分形理论分析竖向应力快速加载至岩爆结束过程中声发射振铃计数在时域上的分布特征。研究结果表明:中主应力水平越高,岩爆破坏越剧烈,岩爆时刻竖向应力水平趋于稳定,竖向应力快速加载阶段的累计声发射振铃计数有所提升;竖向应力不断提升,声发射振铃计数多重分形谱形态呈现宽—窄—宽的变化趋势,多重分形谱宽总体呈先降后增,提取谱宽平滑曲线中先降后增的转折点进行岩爆预警,发现中主应力越高,岩爆预警时间越长,岩爆突发性有所下降;越接近岩爆,广义分形谱的非线性逐渐减弱,在岩爆发生阶段又有所凸显,且中主应力越高,声发射振铃计数在时域上的分布越均匀。该研究表明高中主应力和竖向应力快速增加可提高岩爆过程中裂纹连续扩展行为的活跃度。

关键词：岩爆试验中主应力声发射多重分形特征岩爆预警

卸载速率对花岗岩岩爆破坏及能量特征影响的FDEM研究

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采矿与安全工程学报 2024年第6期41卷 1254-1266页

作者：祁浩李德建李春晓李长祺隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

运用图像处理技术和有限元-离散元耦合方法(FDEM),构建了考虑矿物非均质的二维岩爆试验数值模型,参照岩爆试验加卸载方式和边界条件,模拟不同卸载速率条件下花岗岩岩爆试验,分析模型失稳破坏过程、裂纹扩展和能量转化特征,探究卸载速率... 详细信息

运用图像处理技术和有限元-离散元耦合方法(FDEM),构建了考虑矿物非均质的二维岩爆试验数值模型,参照岩爆试验加卸载方式和边界条件,模拟不同卸载速率条件下花岗岩岩爆试验,分析模型失稳破坏过程、裂纹扩展和能量转化特征,探究卸载速率对花岗岩岩爆特征的影响机制。研究结果表明:卸载速率越小,模型和试件破坏程度越低,动态破坏现象越不明显。卸载速率越低,裂纹扩展多发生于卸载过程中,并趋于30°~50°倾向扩展,张拉和拉剪混合裂纹占比减少,剪切裂纹占比增加,模型呈宏观剪切破坏。在失稳破坏阶段,上部加载板向模型输入大量的外力做功,可释放变形能全部释放,导致耗散能和动能突增,当卸载速率小于门槛值(1 MPa/时步)时,外力做功和动能水平明显下降,而耗散能水平略微提升,不同的能量变化率有所降低,能有效降低岩爆的突发性。

关键词：非均质数值模型 FDEM 卸载速率岩爆试验裂纹扩展能量转化

瞬变电磁接收线圈响应过程分析: 以阻尼比与谐振频率为例

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地球物理学报 2024年第11期67卷 4360-4371页

作者：孙怀凤许伟强张诺亚柳尚斌刘锐刘玉超周正山东大学隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室济南250061 山东大学岩土与地下工程研究院济南250061

以电磁感应为原理的接收线圈是测量瞬变电磁信号的核心器件, 研究其响应特性对于瞬变电磁装备研发与校准具有重要意义.本文基于空心线圈的传感器方程与瞬变电磁的理论信号, 分析了阻尼比与谐振频率这两个关键参数对瞬变电磁感应线圈响... 详细信息

以电磁感应为原理的接收线圈是测量瞬变电磁信号的核心器件, 研究其响应特性对于瞬变电磁装备研发与校准具有重要意义.本文基于空心线圈的传感器方程与瞬变电磁的理论信号, 分析了阻尼比与谐振频率这两个关键参数对瞬变电磁感应线圈响应过程的影响规律, 并给出了选取建议.在讨论阻尼比选取的过程中提出了两种定量计算方法, 首先计算了纯二次场接收时间中不同阻尼比的累计积分误差, 发现在阻尼比取0.6411时整体积分误差最小;但考虑到瞬变电磁方法观测信号应尽早摆脱震荡达到稳定输出的特点, 又引入了线圈响应值与理论值的比值η曲线以及稳定截止时间参数tc, 比较不同阻尼比下进入稳定输出的时间点, 发现能够最早达到稳定输出的阻尼比为0.9118, 并将其作为本文的阻尼比选取建议.针对线圈谐振频率, 通过对比不同谐振频率下的线圈输出曲线发现随着线圈谐振频率增加, 输出曲线的响应速度与完成震荡过程的速度均会提升, 可以提前到达稳定截止时间, 能够提前观测瞬变电磁有效信号.还发现随着谐振频率的增加, 曲线的响应速度不断加快, 且线圈中接收到的能量随之增加, 但通过提高线圈谐振频率来提升响应速度或者增加接收能量都存在明显的边际递减效应, 因此建议线圈谐振频率设置在增速拐点之上以保证线圈的综合性能.本文研究对瞬变电磁接收线圈传感器设计具有参考价值.

关键词：瞬变电磁空芯线圈阻尼比谐振频率

考虑颗粒形态及阻塞效应的不良级配砂砾土潜蚀过程模拟

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岩土力学 2024年第S1期45卷 677-684页

作者：谢合林胡正易飞中山大学土木工程学院广东珠海519082 中山大学隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室广东珠海519082

在复杂水土荷载服役环境下,水工岩土结构极易发生潜蚀灾变,诱发建筑物失效灾变。采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,简称CFD-DEM),针对土石坝、边坡等工程中广泛存在的不良级配土... 详细信息

在复杂水土荷载服役环境下,水工岩土结构极易发生潜蚀灾变,诱发建筑物失效灾变。采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,简称CFD-DEM),针对土石坝、边坡等工程中广泛存在的不良级配土,考虑3种细颗粒含量和3种颗粒形态研究了不良级配砂潜蚀过程;通过分析颗粒迁移轨迹、位移和接触数等,从细观角度阐明了潜蚀过程中细颗粒运动特征,并将颗粒的迁移效应划分为阻塞、脱空、迂回和冲脱4种;通过统计分析整个过程迁移效应的演变发现,潜蚀启动初期细颗粒多数处于脱空状态,随后在渗流作用下颗粒逐渐相互接触,脱空效应占比急剧下降,造成颗粒的迂回和冲脱组成的其他非稳态逐渐上升,随后运动的颗粒逐渐被其他颗粒约束,颗粒的阻塞率上升,最终绝大部分颗粒处于阻塞状态,试样最终达到稳态。

关键词： CFD-DEM 潜蚀颗粒形态阻塞效应不良级配砂砾土

动静组合加载下锚固裂隙岩体的止裂与吸能机理

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东南大学学报（自然科学版） 2024年第6期54卷 1418-1424页

作者：韩凤岩余东峰陈瑜黄林冲徐志胜中南大学土木工程学院长沙410075 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室广州510275 中山大学土木工程学院广州510275

为研究锚杆对深部含裂隙岩体的锚固止裂效应,进行了不同冲击气压下的动静组合加载试验.基于优化的锚杆界面力学模型,建立了新型有限差分法-离散元法(FDM-DEM)耦合数值分离式霍普金森杆系统及锚杆模型.对裂隙岩体和锚固裂隙岩体的力学特... 详细信息

为研究锚杆对深部含裂隙岩体的锚固止裂效应,进行了不同冲击气压下的动静组合加载试验.基于优化的锚杆界面力学模型,建立了新型有限差分法-离散元法(FDM-DEM)耦合数值分离式霍普金森杆系统及锚杆模型.对裂隙岩体和锚固裂隙岩体的力学特性、能量耗散及破坏特征进行了研究,并从细观能量耗散角度阐述了锚杆在动荷载下对裂隙岩体的锚固机理.结果表明:裂隙岩体和锚固裂隙岩体的动态抗压强度随冲击气压的增大而增加,锚杆对裂隙岩体的锚固效应可提高动态抗压强度,减小裂隙岩体的冲击后破坏程度,锚固裂隙岩体能量吸收率变化规律趋同于完整岩体;从细观角度分析,锚杆加固使得裂隙岩体的摩擦滑移耗散能和破坏后碎块携带动能降低,整体吸收能量减少.

关键词：动静组合加载裂隙岩石力学特性锚固机理有限差分法-离散元法(FDM-DEM)耦合

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特厚高位顶板切顶自成巷围岩控制技术

采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 677-687页

作者：张文杰何满潮王炯程满江中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083

为解决传统留煤柱沿空留巷煤炭采出率低、采掘接续紧张、煤柱应力集中、巷道支护难度大等棘手的难题,以响水煤矿播土区东二采区120313工作面为研究对象,通过短臂梁顶板围岩破坏机制力学模型受力分析与计算、FLAC3D数值模拟巷道顶板切顶... 详细信息

为解决传统留煤柱沿空留巷煤炭采出率低、采掘接续紧张、煤柱应力集中、巷道支护难度大等棘手的难题,以响水煤矿播土区东二采区120313工作面为研究对象,通过短臂梁顶板围岩破坏机制力学模型受力分析与计算、FLAC3D数值模拟巷道顶板切顶卸压效果分析、现场实验的研究过程,确定巷道主动支护参数、顶板爆破参数、挡矸参数和临时支护参数,提出中厚煤层巷道特厚高位顶板“恒阻大变形锚索+巷道顶板双向定向预裂爆破+巷帮补强支护+可伸缩性U型钢挡矸+单体液压支柱临时支护”围岩稳定性控制技术。结果表明:根据顶板的力学性质,特厚高位顶板单根恒阻大变形锚索补偿支护力所需最大值为309 kN;回风巷道顶板切顶与未切顶比较,切顶时工作面超前支承压力最大值减小15%,巷道侧向支承压力最大值减小27%;巷道变形得到有效的控制,在滞后工作面160~175 m范围内巷道围岩趋于稳定。该工作面单位煤柱长度回收煤炭12.48 t,提高了区段煤炭采出率,降低了采矿成本。

关键词：短臂梁补偿支护切顶卸压数值模拟围岩稳定性

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爆后岩石裂隙结构可视化及定量表征方法

煤炭学报 2024年第3期49卷 1388-1402页

作者：王雁冰王兆阳付代睿罗林中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083

爆后岩石破坏特征的定量表征一直是工程爆破领域急需解决的关键问题,爆后岩石裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程是导致岩石破裂的主要原因。为了研究被爆岩石内部裂纹扩展和断裂模式的演化过程,利用工业CT对爆后岩石进行扫描观测,通过... 详细信息

爆后岩石破坏特征的定量表征一直是工程爆破领域急需解决的关键问题,爆后岩石裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程是导致岩石破裂的主要原因。为了研究被爆岩石内部裂纹扩展和断裂模式的演化过程,利用工业CT对爆后岩石进行扫描观测,通过图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型,并对裂纹结构特征参数进行统计分析,定量化表征岩石破坏程度及裂纹扩展情况。结合数值模拟分析爆炸冲击波压力的衰减规律,通过SEM电镜扫描试验研究爆破过程中不同位置岩石的微观形貌特征,对比断口元素成分变化与断裂模式的关联机制。研究结果表明:用等效球体方法对岩体内不同尺度裂隙结构进行统计分析,微裂隙数目多且分布均匀,主裂隙体积大且连通性较好。随着裂隙等效球体直径的增加,裂隙表面积和体积整体上呈上升趋势;三维重构裂隙结构中裂隙率可以表征岩石局部裂纹扩展特征,爆炸近区裂隙率和三维分形维数远大于爆炸中远区的裂隙率和分形维数,说明岩石破裂过程中裂隙扩展演化主要在此阶段进行;相较于爆炸中远区,爆炸近区冲击波压力峰值高且衰减速率慢,使得整个爆破过程岩石微观断裂模式变化较大,大致呈现出由沿晶断裂向穿晶断裂、脆性断裂向塑性破坏的方向进行,非金属元素质量的变化对于各阶段断裂模式转变具有显著影响,断裂模式转变区域非金属元素质量发生明显减小。随着爆破作用的减弱,岩石破裂逐渐趋于无序和紊乱,破裂时断口也不限于解理面和晶粒边界。

关键词：爆破机理工业CT扫描三维重构分形维数扫描电子显微镜能谱仪

养护温度对赤泥基路用胶凝材料性能及微观结构的影响

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材料导报 2024年第22期38卷 23-30页

作者：韩瑞凯陈宇鑫张健李召峰王衍升山东大学岩土与地下工程研究院济南250061 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室济南250002 山东大学齐鲁交通学院济南250002

赤泥基路用胶凝材料可代替水泥应用于道路半刚性基层建设。山东省属暖温带季风性气候,全年气温波动大。在半刚性基层施工期间,不同月份导致赤泥基路用胶凝材料养护温度不同。基于2006—2023年山东(济南)温度变化特征确定养护温度为1℃、... 详细信息

赤泥基路用胶凝材料可代替水泥应用于道路半刚性基层建设。山东省属暖温带季风性气候,全年气温波动大。在半刚性基层施工期间,不同月份导致赤泥基路用胶凝材料养护温度不同。基于2006—2023年山东(济南)温度变化特征确定养护温度为1℃、4℃、10℃、16℃、20℃、25℃、28℃,通过万能试验机和^(1)H低场核磁共振分析仪研究养护温度对赤泥基路用胶凝材料抗压强度及微观结构的影响规律,并利用X射线衍射、热重测试分析、ICP-OES揭示养护温度对赤泥基路用胶凝材料性能演化的作用机理。结果表明,养护温度升高会促进赤泥基路用胶凝材料抗压强度发展,养护温度为28℃时7 d抗压强度达到21.15 MPa,相较于养护温度为1℃时提升67.41%,且当养护温度不低于20℃时,在整个养护阶段强度发展率大于1 MPa/d。养护温度的提升会优化结石体孔结构分布,养护7 d后,随温度升高结石体的凝胶孔、过渡孔占比从37.82%提升到80%以上,毛细孔占比从62.18%下降到15%左右。赤泥基路用胶凝材料水化产物主要为(C,N)-A-S-H凝胶,其对强度发展起重要作用,养护温度的提升会促进赤泥Si/Al元素溶出,从而提高(C,N)-A-S-H凝胶的生成量。月均温度低于10℃时不宜进行道路施工,月均温度在10~20℃时可延长赤泥基胶凝材料养护时间促进其强度发展。

关键词：赤泥基路用胶凝材料养护温度抗压强度孔结构水化产物

降雨诱发滑坡的NPR锚索控制机理及临滑预警

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东北大学学报（自然科学版） 2024年第4期45卷 573-583页

作者：陶志刚史广诚杨晓杰何满潮中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

为研究降雨滑坡的控制及临滑预警技术,以熊家山滑坡为原型,通过分析边坡变形的时空特征,设计了相似模型试验.以普通预应力锚索(简称PR锚索)和NPR锚索为加固材料,运用高速摄像机、孔压、土压和锚索力传感器,分析了降雨诱发的滑坡规律和... 详细信息

为研究降雨滑坡的控制及临滑预警技术,以熊家山滑坡为原型,通过分析边坡变形的时空特征,设计了相似模型试验.以普通预应力锚索(简称PR锚索)和NPR锚索为加固材料,运用高速摄像机、孔压、土压和锚索力传感器,分析了降雨诱发的滑坡规律和锚索控制机理,并结合现场试验探究了滑坡牛顿力变化规律.结果表明:孔隙水压力突降与边坡局部滑塌近似同步;NPR锚索力突降,边坡内部产生局部变形;PR锚索因无法承受大变形被拉断失效,而NPR锚索凭借恒阻大变形特性产生高应力吸能控制功能,促使边坡达到二次平衡状态;NPR锚索在滑坡前表现出明显的“先突增,后突降”的变形-临滑动力学规律;现场试验揭示了滑坡全过程牛顿力演变规律,提前7.5 h发出临滑预警.

关键词：滑坡降雨 NPR锚索控制机理监测预警