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武漢巖土所珊瑚礁灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)強度的智能預(yù)測取得進(jìn)展
珊瑚礁灰?guī)r是一種典型的多孔介質(zhì)，其物理和力學(xué)特性與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。冰期-間冰期旋回導(dǎo)致全球海平面變化，且珊瑚種類分布與水深及波浪能量相關(guān)。不同的生物組分來源和沖刷溶蝕作用導(dǎo)致珊瑚礁灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著的各向異性（圖1）。大量試驗結(jié)果表明同類型礁灰?guī)r的物性指標(biāo)接近，其力學(xué)參數(shù)卻表現(xiàn)出顯著的離散性。因此，迫切需要掌握礁灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)對力學(xué)行為的控制作用，建立其與力學(xué)參數(shù)的聯(lián)系。
圖1 島礁沉積地層及地下空間開發(fā)示意圖
為此，武漢巖土所海洋與環(huán)境巖土工程研究中心科研團(tuán)隊通過對112組珊瑚礁灰?guī)r鉆孔巖心試樣進(jìn)行CT掃描，提取格架結(jié)構(gòu)和礫塊結(jié)構(gòu)礁灰?guī)r的孔隙參數(shù)，包含孔隙率、等效半徑、形狀因子、最大Feret直徑對應(yīng)的方位角。測定所有樣品基本物性參數(shù)（如孔隙率、干密度、縱波波速等），同時實施單軸壓縮試驗獲取其強度參數(shù)（圖2）。
圖2 數(shù)據(jù)收集流程
為表征孔隙結(jié)構(gòu)，本研究將孔隙的等效半徑、歸一化的形狀因子、方位角等融合提出了孔隙張量來表征其孔隙結(jié)構(gòu)，反映其分布方位、形貌、尺寸分布及孔隙率（圖3）。分析發(fā)現(xiàn)其球張量的第一不變量能表征孔隙的各向同性部分，偏張量的第二不變量能表征孔隙的各向異性部分。參數(shù)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)縱波波速與礁灰?guī)r的強度幾乎不相關(guān)，與傳統(tǒng)巖石的波速依賴性不同，歸因于孔隙改變了聲波的傳播路徑。
圖3 孤立孔隙等效及等效孔隙位于圓柱內(nèi)部示意圖
為預(yù)測離散性較強的礁灰?guī)r力學(xué)強度，將提出的孔隙張量衍生參數(shù)嵌入經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)模型，如支持向量機(jī)模型、隨機(jī)森林模型和誤差返回的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，同時利用遺傳算法進(jìn)行超參數(shù)尋優(yōu)。最終誤差返回的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練集和測試集中表現(xiàn)最佳，達(dá)到了92%的預(yù)測準(zhǔn)確率。然而，受限于訓(xùn)練樣本較小，模型的魯棒性仍有待加強。
該方法提出孔隙張量的概念，首次實現(xiàn)了格架結(jié)構(gòu)礁灰?guī)r和礫塊結(jié)構(gòu)礁灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)的有效表征，構(gòu)建了“CT掃描-機(jī)器學(xué)習(xí)-力學(xué)預(yù)測”的交叉技術(shù)路徑，初步解決了離散性顯著的珊瑚礁灰?guī)r力學(xué)參數(shù)的預(yù)測難題，為建立孔隙結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為之間的關(guān)系提供了一種可行的思路。
圖4 嵌入孔隙張量的BPNN模型及模型訓(xùn)練預(yù)測結(jié)果
研究成果發(fā)表于中國科學(xué)院一區(qū)TOP期刊《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》，并榮獲“2024年度湖北省科協(xié)優(yōu)秀科技論文”，第一作者為吳凱博士，通訊作者為孟慶山研究員。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）課題等項目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2023.10.005
（作者：吳凱 孟慶山）