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期刊信息/Journal information
中南大学学报（自然科学版）
中南大学
中南大学学报（自然科学版）

中南大学

黄伯云

月刊

1672-7207

zngdxb@csu.edu.cn

0731-88879765

410083

湖南省长沙市中南大学校内

中南大学学报（自然科学版）/Journal Journal of Central South University（Science and Technology)CSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊是中南大学主办的一本以有色金属和稀有金属为主的综合性学术刊物，主要刊登地质采矿、矿物工程、有色冶金、材料科学与工程、机械工程、自动控制工程、计算机科学、应用数理化等方面的学术论文和科研成果，可供有关高等院校师生，研究院研究人员、厂矿企业及地质队工程技术人员在教学、科研和生产工作中参考。
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    考虑动力效应的箱型截面钢柱火灾下屈曲温度与临界温度研究

    陈争荣蒋彬辉尹中原王卓琳...
    574-585页
    查看更多>>摘要：通过参数分析研究考虑动力效应的箱型截面钢柱火灾下的屈曲温度与临界温度。考虑转动约束刚度比、轴向约束刚度比、荷载比，建立约束钢柱有限元模型，并采用文献中的试验进行验证。研究结果表明，约束钢柱静力分析和显式动力分析的屈曲温度几乎一致，而由静力分析得到的临界温度略小于由显式动力分析得到的临界温度，差别在30℃以内。随着转动约束刚度比的增大，屈曲温度与临界温度均上升，并且转动约束刚度比对临界温度的影响更大。随着轴向约束刚度比和荷载比的增大，约束钢柱的屈曲温度和临界温度均出现明显下降。基于参数分析的结果，在已有文献中关于钢柱屈曲温度和临界温度计算公式的基础上，提出新的屈曲温度和临界温度计算公式，提出的计算公式预测结果与本文有限元模拟结果吻合较好，利用试验数据对提出的屈曲温度和临界温度计算公式的有效性做进一步的验证，对比结果表明提出的计算公式可以很好地预测钢柱的屈曲温度和临界温度。

    约束钢柱火灾动力效应屈曲温度临界温度计算公式

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    含水率和冻融循环对筋土界面剪切特性的影响

    孟亚徐超贾斌左彬澧...
    586-594页
    查看更多>>摘要：制作了一套可实现温度控制的筋土界面直剪试验设备。为了研究含水率、界面温度、冻融循环次数对筋土界面剪切特性的影响，开展11组土工格栅-砂土界面直剪试验。研究结果表明，筋土界面的黏聚力和摩擦角均随含水率的增加而减小，当含水率提高时，筋土间的抗剪强度减弱。加筋可显著提高冻土的抗剪强度，当界面温度为-10℃时，土工格栅-砂土界面剪应力峰值较冻结后砂土的剪应力增加了约20%。筋土界面剪应力随着界面温度的降低而增大，当界面温度在0℃以下时，剪应力较大且剪应力-剪切位移曲线会出现峰值强度和残余强度，而在无冻结情况下，筋土界面剪应力稳定值基本相同。冻融循环后筋土界面的抗剪强度减小，筋土界面的黏聚力和摩擦角均随着冻融循环次数的增加而减小，但在4次冻融循环后趋于稳定。研究成果可为冻土地区土工格栅加筋土结构的设计和应用提供理论依据。

    土工格栅直剪试验筋土界面剪切特性冻融循环

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    孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究

    刘平刘泉声夏明锬罗勇...
    595-606页
    查看更多>>摘要：为揭示孔洞形状对层状岩石力学性质和破坏模式的影响，采用有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)开展系列数值模拟研究。首先，阐述FDEM模拟层状岩石的基本原理，然后，开展不同层理倾角完整试样的单轴压缩模拟，并与试验结果进行对比验证。最后，对含有圆形、椭圆形、三角形、矩形和方形孔洞的层状岩石试样(β为0°、30°、45°、60°和90°)进行单轴压缩模拟研究。研究结果表明:对于不同孔洞形状的试样，抗压强度和试样破坏程度随层理倾角的增大呈V字型变化趋势，且均在层理倾角为0°时抗压强度取得最大值，在90°时破坏程度最为严重;孔洞的存在严重削弱了试样的力学性能，且削弱幅度与孔洞形状密切相关，其中方形和圆形孔洞对抗压强度的削弱能力最弱。将含不同形状孔洞试样的破坏模式随层理倾角的变化主要分为穿层理面拉剪混合破坏(β=0°)、沿层理面与穿层理面混合拉剪破坏(β=30°)、沿层理面剪切破坏(β=45°和60°)和沿层理面拉剪劈裂破坏(β=90°)。

    有限元-离散元耦合数值模拟方法层状岩石孔洞形状单轴压缩模拟力学性质

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    基于深度学习的盾构隧道施工地表沉降预测方法

    尹泉周怡饶军应
    607-617页
    查看更多>>摘要：针对现有盾构隧道施工引发地表沉降预测方法中存在的难以同时挖掘数据之间的非线性特征关系和双向时序信息的问题，通过融合卷积神经网络(CNN)、双向长短期记忆(BiLSTM)与自注意力机制(SA)提出一种基于深度学习的地表最大沉降预测方法(CNN-BiLSTM-SA)。该方法首先利用CNN提取网络输入数据之间的非线性特征关系，利用BiLSTM网络提取输入数据的双向时序信息，然后引入SA机制为CNN提取的特征分配相应的权重，有效捕获时间序列中的关键信息，最后通过全连接层输出最终地表沉降预测结果。以湖南万家丽路电力盾构隧道工程为依托构建地表沉降数据集，并选用ANN、RNN、LSTM、BiLSTM模型开展对比分析。研究结果表明:评估指标CNN-BiLSTM-SA的平均绝对误差(MAE)、均方根(RMSE)、决定系数(R2)、平均绝对百分误差(MAPE)均为最优，具有更好的地表沉降预测性能。

    盾构隧道地表沉降深度学习神经网络

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    三轴剪切条件下水泥胶结砂声发射特征信息演化规律研究

    刘昂张尔康林文丽
    618-627页
    查看更多>>摘要：结合声发射(AE)传感装置开展考虑水泥掺入比、围压等条件的水泥胶结砂排水三轴试验。研究结果表明:水泥胶结砂的AE特征信息演化规律与应力-应变曲线具有较好的对应性;累计AE事件随水泥掺入比的增大而减小，这与水化物的增加抑制了砂颗粒间滑移密切相关;随围压增大，累计AE事件增大，同时促进了AE信号在介质中的传播和胶结的断裂;随着水泥掺入比增加、围压降低，水泥胶结砂破坏形态由鼓胀破坏逐渐向剪切带破坏过渡。

    声发射水泥胶结砂水泥掺入比三轴剪切破坏模式

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    固体NaOH/Na2SiO3激发矿粉/粉煤灰-炉渣基注浆材料性能研究

    徐先杰朱志敬王孟白继文...
    628-637页
    查看更多>>摘要：以矿粉和粉煤灰-炉渣作为前驱体，其中粉煤灰、炉渣以质量比4꞉1共同粉磨制备前驱体之一，以NaOH和Na2SiO3配制模数为1。2的固体激发剂，制备碱激发注浆材料。研究粉煤灰-炉渣的掺量、激发剂的掺量(以Na2O计)对注浆材料工作性能和力学性能的影响，并通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对水化产物进行物理化学表征，使用核磁共振分析注浆材料孔结构特征。研究结果表明:粉煤灰-炉渣掺量为50%的注浆材料的28 d最大抗压强度达31。25 MPa。水化产物主要为C-A-S-H凝胶，浆液结石体内部孔隙主要为胶凝孔(孔径<10 nm)和过渡孔(孔径为[10～100)nm)，占比超过90%。

    炉渣粉煤灰固体激发剂碱激发注浆材料力学性能微观结构

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    基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法

    李志强褚国安聂利超裴文兵...
    638-648页
    查看更多>>摘要：为进一步提高隧道全时域激发极化多参数超前探测的效果，采用滤波算法进行计算时间域等效电阻率，采用有限单元法进行计算，提出一种基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法。该方法针对时间域Cole-Cole表达式计算收敛性差的问题，引入滤波算法进行时间域激发极化等效电阻率的计算，提高算法的收敛性;针对正演过程中大型矩阵求解影响计算效率的问题，引入OpenMP并行算法，实现隧道全时域激发极化超前探测正演的加速运算。最后，开展数值算例和物理模型试验。研究结果表明:该正演方法对异常体有敏感响应，且在加快正演速度具有显著优势。通过基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测获得的观测数据与实际探测数据较为相符，这为基于全时域激发极化隧道超前探测提供了一种可行的正演算法。

    隧道超前地质预报全时域激发极化滤波算法快速三维正演模拟并行算法

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    富水软弱围岩劈裂型注浆加固体力学性能与破坏模式

    杨磊张耀磊唐明秀李让杰...
    649-664页
    查看更多>>摘要：富水软弱围岩劈裂型注浆加固体的力学性能与破坏模式对注浆整体效果具有显著影响。基于室内注浆模拟试验、劈裂型注浆加固体三轴压缩试验和相应的离散元数值模拟，研究劈裂浆脉形态与空间分布特征及注浆加固规律，分析浆脉粗糙度、厚度、数量和倾角对注浆加固体力学性能与破坏模式的影响，阐明三轴加载条件下加固体内部孔隙率和微裂纹演化规律。研究结果表明:劈裂浆脉空间分布模式主要包括半贯通型、交叉型和贯通型，注浆影响区域可分为加固区、过渡区和未扰动区;浆脉存在有效提升了加固体的整体刚度和承载力，加固体峰值偏应力与浆脉粗糙度、厚度、数量呈正相关关系，而浆脉倾角增大会导致整体强度降低;加固体破坏模式主要有局部膨胀型和剪切滑移型，受浆脉形态特征影响，二者对整体变形破坏的贡献程度不同;在加载过程中，浆-土界面处首先萌生微裂纹，进而浆脉两侧软弱介质被压缩挤密后出现大量微裂纹，裂纹数量持续增多直至试样破坏;加固体孔隙率与微裂纹萌生数量变化规律均呈现明显的阶段性特征，且受浆脉形态特征影响显著。

    劈裂注浆加固体浆脉形态特征变形破坏模式峰值偏应力微裂纹萌生

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    干湿循环下复合激发膏体充填材料宏-细-微观强化与损伤特性

    王贻明刘树龙吴爱祥王志凯...
    665-676页
    查看更多>>摘要：为探明盐-碱复合激发膏体充填材料的性能变化规律及干湿循环作用下充填体结构多尺度损伤机制，对以脱硫石膏和水泥熟料为复合激发剂的膏体充填材料进行多目标优化，并对最优配比下的充填体试块进行0～25次干湿循环，开展抗压强度、X射线衍射(XRD)、低场核磁共振(NMR)、扫描电镜(SEM)试验，揭示充填体宏观力学行为和微细观结构演化规律。研究结果表明:充填材料最优配比是矿渣掺量为50%，脱硫石膏与水泥熟料质量比为3꞉7，硅灰掺量为2。5%。随着干湿循环次数的增加，充填体宏观表现为抗压强度的折减及累积电导率升高，干湿循环10次时出现拐点，质量损失率和强度损失率分别达极小值-1。91%和-8。36%;在细观尺度上，T2谱反演良好，干湿循环作用10次后，横向弛豫时间逐渐右移且谱面积增大，表明膏体充填材料孔隙尺寸及数量随着干湿循环次数增加而增大;微观尺度上，钙矾石、石膏和方解石等侵蚀产物的膨胀结晶应力加速了微观孔隙结构的发育，反复干湿循环作用削减了C-S-H凝胶的黏聚力，由最初的堆叠蜂窝状劣化为小块状。综合宏、细、微观结构演变规律可知，孔隙结构的损伤演化与力学性能的劣化特征具有较好的同步性。

    膏体充填材料多目标优化干湿循环力学性能水化产物损伤机制

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    基于裂隙演化微分动力学机制的岩石损伤本构模型

    邓乃夫乔兰刘建张庆龙...
    677-689页
    查看更多>>摘要：为研究天然岩石内部不同形态裂隙的演化行为与岩石累计损伤程度之间的关系，运用唯象理论将岩石分为完整岩石微元体、闭合裂隙微元体和开口裂隙微元体3组分。基于生物群落生长逻辑建立岩石的裂隙演化微分动力学方程，并利用半解析方式求解岩石闭合裂隙与开口裂隙在受压状态下的演化表达式，实现压缩过程中岩石不同微元体之间转化关系的量化。其中开口裂隙演化曲线呈先下降后上升趋势，反映初始开口裂隙在压密阶段前后的变化规律，符合压密阶段非线性的应力-应变曲线关系。随后，以岩石裂隙演化解析表达式定义岩石压缩破坏的全局损伤变量，精准量化岩石在初始阶段、压密阶段、弹塑性阶段以及峰后阶段的全过程损伤程度，并提出基于上述裂隙演化机制和全局损伤变量的损伤本构模型。最后，基于微分方程理论推导、强度准则以及多目标优化等多种手段确定损伤本构模型参数，完成对岩石三组分初始比例以及3种裂隙转化因子的稳定求解，进而实现岩石压缩过程中的应力应变曲线仿真。研究结果表明:在煤岩及炭质泥岩的实例分析中，所建立的损伤本构模型能够较好表征不同岩石在不同围压下的应力应变特征及裂隙扩展规律，模型仿真结果与试验结果基本吻合。

    损伤本构模型裂隙演化微分动力学方程损伤力学多目标优化

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