Modello di previsione della resistenza della dolomite fratturata e analisi delle proprietà meccaniche basato su PFC3D

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 13368 (2023) Citare questo articolo

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Per studiare le proprietà meccaniche della dolomite fratturata, questo studio ha analizzato le caratteristiche di frattura (angolo di immersione, lunghezza, posizione, quantità) utilizzando il coefficiente di Pearson e il coefficiente MIC. Successivamente, i dati relativi alle caratteristiche della frattura vengono preelaborati utilizzando un polinomio di terzo grado e viene implementata una strategia a tre classificazioni per migliorare l'algoritmo di regressione logistica per stabilire il modello di previsione della resistenza della dolomite fratturata. Inoltre, l’ordine di significatività dell’impatto delle caratteristiche della frattura sulla resistenza della roccia è stato determinato utilizzando il software di simulazione numerica PFC3D, e l’effetto dell’angolo di inclinazione è stato spiegato dal punto di vista della propagazione interna della frattura all’interno della roccia. I risultati mostrano che: (1) Quando il coefficiente di regolarizzazione λ = 10.000, l'algoritmo ha la massima precisione di previsione e la più forte capacità di generalizzazione del modello. (2) Il software di analisi di simulazione numerica PFC3D può invertire accuratamente il processo e le caratteristiche del cedimento della roccia e l'ordine di influenza delle caratteristiche di frattura sulla resistenza della roccia è angolo di inclinazione > lunghezza > posizione.

La costruzione di progetti di ingegneria sotterranea, come i tunnel negli strati dolomitici, sta procedendo rapidamente. Acquisire una conoscenza approfondita delle proprietà meccaniche della dolomite è essenziale per garantire la sicurezza di queste costruzioni sotterranee. Attualmente, la ricerca sulla meccanica delle rocce basata sui principi della meccanica del continuo sta avanzando verso la maturità. Tuttavia, prevedere con precisione in anticipo il processo di inizio e propagazione della frattura rimane un compito impegnativo. Inoltre, quantificare le caratteristiche combinate delle fratture pone notevoli difficoltà, con conseguenti discrepanze sostanziali tra i risultati calcolati e l’effettivo stato meccanico degli ammassi rocciosi incontrati nelle applicazioni pratiche di ingegneria sotterranea. La presenza di fratture interne agli ammassi rocciosi rappresenta una delle principali cause che contribuiscono al degrado della resistenza delle rocce1. Pertanto, condurre un'indagine dettagliata sulle caratteristiche di comportamento meccanico e sul meccanismo di diffusione della frattura della roccia fratturata sotto carico, esplorando al contempo la correlazione tra le caratteristiche di frattura e la resistenza della roccia, riveste la massima importanza.

Allo stato attuale, sono stati condotti numerosi studi sulle rocce fratturate in patria e all'estero, comprendendo principalmente il modello di previsione della resistenza per l'analisi della resistenza e il meccanismo di diffusione della frattura2,3,4,5,6,7,8. Nella soluzione analitica basata sulla teoria della resistenza delle rocce, Xinxi et al. migliorato il criterio Drucker-Prager in base all'influenza dei cicli secco-umido e del calo delle fratture sulla resistenza dello scisto9. Liu et al. ha proposto un nuovo criterio di resistenza, vale a dire il criterio del tasso di rilascio minimo di energia potenziale, che può descrivere il comportamento alla frattura dei materiali in modo più accurato10. Jiang, M et al. ha proposto un nuovo criterio di resistenza analizzando i risultati della simulazione DEM. Questo criterio considera la casualità e la variabilità spaziale delle fessure e può essere utilizzato per valutare la resistenza e il comportamento a rottura delle fessure casuali nelle rocce profonde11. Nel modello di previsione della resistenza delle rocce fratturate, la maggior parte degli algoritmi di apprendimento automatico costituiscono la base teorica, attraverso la ricerca di dati sperimentali per stabilire un modello di previsione. Zhongping et al. stabilito il modello di previsione della resistenza al taglio della miscela terreno-roccia utilizzando l'adattamento di dati di test solidi e dati di test numerici12. Huimei et al. hanno studiato i modelli evolutivi della propagazione delle cricche e hanno osservato una crescita esponenziale della velocità di propagazione delle cricche nel tempo. Successivamente, hanno proposto un modello di previsione del cedimento dell'ammasso roccioso basato sulla velocità di propagazione della cricca13. Li et al. ha proposto un metodo di analisi basato sul modello della rete di fratture, che può prevedere in modo più accurato la resistenza al taglio delle fratture rocciose in diversi stati di apertura14. I risultati della ricerca sull'angolo di immersione della frattura sono i più abbondanti nello studio dei meccanismi di diffusione della frattura basati sulle caratteristiche della frattura. Wei et al. hanno effettuato un test di compressione uniassiale dinamico su campioni di roccia fratturata stampati in 3D, quindi hanno studiato l'influenza dell'angolo di immersione della frattura sulle proprietà meccaniche dinamiche e sulla legge di dissipazione dell'energia15. Wang et al. ha studiato principalmente le caratteristiche e i meccanismi di rottura del granito con diversi angoli di immersione dei giunti e delle fratture attraverso esperimenti e simulazioni numeriche16. Zhi-yao et al. utilizzato il software RFPA2D per studiare la legge di propagazione delle fratture sovrapposte non complanari sotto diversi angoli di immersione17. Alcuni studiosi hanno studiato anche le caratteristiche delle fratture multiple. Luo et al. hanno studiato il processo di rottura di campioni di granito fratturati con diversi angoli di inclinazione, larghezza e lunghezza sotto carico triassiale e hanno rivelato le proprietà meccaniche, le modalità di rottura e le leggi di trasferimento di energia del granito sotto carico triassiale18 Ping et al. hanno effettuato prove di compressione da impatto su 45 serie di campioni intatti di arenaria fratturata con diversi angoli di immersione e hanno studiato le proprietà meccaniche dinamiche e il consumo energetico dell'arenaria fratturata con diversi angoli di immersione sotto carico d'impatto19.