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摘要：本发明公开了一种基于RFPA及微破裂特点的玄武岩柱尺寸效应能量特征计算方法，属于岩石力学与岩土工程领域。本发明基于RFPA探究单轴压缩、侧压条件下不同尺寸玄武岩柱受压达到强度时损伤微破裂发生顺序及其释放的累计能量，并分析各因素的影响规律，对微破裂能量指标开展研究，为玄武岩柱尺寸效应能量层面的认识提供理论基础；同时，本发明方法步骤清晰简单，公式参数的物理意义明确，使用方便且指导性强，能够克服常规数值模拟、室内物理试验、现场监测难以计算玄武岩柱尺寸效应的能量特征的局限性，为施加必要的监测或加固等处理措施提供理论依据，为玄武岩柱工程的设计、施工及运营维护环节提供理论支撑。

主权项：1.一种基于RFPA及微破裂特点的玄武岩柱尺寸效应能量特征计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：第一步，单轴压缩且各影响因素条件下玄武岩柱的力学尺寸效应、破裂机理分析1.1基于RFPA，构建不同模型尺寸的玄武岩柱数值试件，构建过程包括：通过CT扫描玄武岩柱物理试件或通过绘制获得玄武岩柱的数字图像，继而将数字图像复制若干份并进一步将它们裁剪为所需的不同尺寸，然后将这些数字图像导入RFPA中形成不同模型尺寸的玄武岩柱数值试件；根据玄武岩柱物理试验测量得到的物理力学宏观参数，通过宏观参数转化为细观参数的经验理论公式，获得RFPA中需输入的节理及岩石的材料力学细观参数，其中考虑节理及岩石的非均质性；设置玄武岩柱试件包括不同模型边界条件、节理本构、节理力学性能、岩石非均质性、岩石细观本构及柱体直径在内的影响因素；在试件顶部逐步施加竖向位移压缩荷载；对试件进行线弹性有限元计算，根据摩尔库伦准则、拉伸破坏准则及RFPA中的细观单元损伤本构关系，对损伤单元进行刚度退化处理；获得不同影响因素下试件的应力应变曲线、峰值强度、等效变形模量、最小主应力图、损伤图、位移图、声发射类别及强度的空间分布图；分析单轴压缩且各影响因素下试件的峰值强度、等效变形模量随模型尺寸的变化规律；1.2针对不同模型尺寸的玄武岩柱试件，基于单轴压缩条件下它们各自的应力应变曲线，找出应力应变曲线上应力提升段、应力峰值点附近、应力跌落段、残余强度阶段的能表征玄武岩柱试件明显应力转移、破裂发展变化的若干特征点，然后在RFPA中输入这些特征点对应的计算步，调取出步骤1.1中相应的试件最小主应力图，通过试件最小主应力图的应力集中区域来分析加载过程中试件的应力状态，以及根据试件最小主应力图的裂纹分布区域来探究试件的破裂特征变化规律，并在RFPA中提取这些特征点对应的计算步的试件损伤图、不同方向的位移图、声发射类别及强度的空间分布图，综合研究玄武岩柱试件的破裂机理；其次，针对不同影响因素的工况，对比分析玄武岩柱试件破裂机理的差异；第二步，确定单轴压缩且各影响因素条件下玄武岩柱的微破裂发生顺序提取单轴压缩条件下不同模型尺寸的试件声发射数—位移加载量、声发射能量—位移加载量的数据，并分别转化为声发射数—应变、声发射能量—应变的数据，进而分别整理成曲线的形式，其中曲线的纵坐标为声发射数或声发射能量，曲线的横坐标为应变；根据第一步获得的试件应力应变曲线，标记其峰值应力和峰值应变，基于此，对声发射数—应变曲线、声发射能量—应变曲线中的峰值应变进行识别，从而标记其对应的声发射数、声发射能量；将声发射数—应变曲线、声发射能量—应变曲线中识别出来的峰值应变，分别定义为微破裂数指标发生顺序、微破裂能量指标发生顺序；然后，整理单轴压缩且各影响因素下不同模型尺寸的试件声发射数—应变曲线、声发射能量—应变曲线，并标记、获得不同影响因素下微破裂数指标发生顺序、微破裂能量指标发生顺序；将不同影响因素下微破裂数指标发生顺序、微破裂能量指标发生顺序分别进行由小到大的排序，以表征微破裂数指标发生顺序、微破裂能量指标发生顺序的早晚；第三步，确定单轴压缩且各影响因素条件下玄武岩柱的微破裂量级将第二步获得的单轴压缩且各影响因素条件下不同模型尺寸的试件峰值应变所对应的声发射数、声发射能量，分别定义为微破裂数指标的量级、微破裂能量指标的量级；并分别把它们整理成由小到大的序列，即为微破裂数指标量级、微破裂能量指标量级的排序；第四步，单轴压缩且各影响因素条件下玄武岩柱尺寸效应的能量特征计算采用划分等级和评分的方式来计算单轴压缩且各影响因素条件下玄武岩柱尺寸效应的能量特征，具体如下：4.1确定单轴压缩条件下微破裂能量指标的敏感因素的等级首先，根据式1和式2，计算单轴压缩条件下微破裂能量指标发生顺序对模型尺寸的敏感度A、单轴压缩条件下微破裂能量指标发生顺序对某影响因素的敏感系数D；其次，根据式3和式4，计算单轴压缩条件下微破裂能量指标量级对模型尺寸的敏感度F、单轴压缩条件下微破裂能量指标量级对某影响因素的敏感系数I；进而，根据式5，计算单轴压缩条件下微破裂能量指标对某影响因素的敏感系数K；最后，将单轴压缩条件下各影响因素的敏感系数进行由大到小的排序，即为单轴压缩条件下微破裂能量指标敏感因素的由大到小的等级； 式中，A为单轴压缩条件下微破裂能量指标发生顺序对模型尺寸的敏感度；Amax为A的最大值；Amin为A的最小值；ΔB为单轴压缩条件下微破裂能量指标发生顺序的变化百分率；ΔC为单轴压缩条件下微破裂能量指标发生顺序方面的模型尺寸变化的百分率；D为单轴压缩条件下微破裂能量指标发生顺序对某影响因素的敏感系数；ΔE为单轴压缩条件下微破裂能量指标发生顺序方面的某影响因素变化的百分率； 式中，F为单轴压缩条件下微破裂能量指标量级对模型尺寸的敏感度；Fmax为F的最大值；Fmin为F的最小值；ΔG为单轴压缩条件下微破裂能量指标量级的变化百分率；ΔH为单轴压缩条件下微破裂能量指标量级方面的模型尺寸变化的百分率；I为单轴压缩条件下微破裂能量指标的量级对某影响因素的敏感系数；ΔJ为单轴压缩条件下微破裂能量指标量级方面的某影响因素变化的百分率；K＝D×L+I×M5式中，K为单轴压缩条件下微破裂能量指标对某影响因素的敏感系数；L为单轴压缩条件下微破裂能量指标发生顺序相应的权重系数；M为单轴压缩条件下微破裂能量指标量级相应的权重系数；4.2确定单轴压缩条件下微破裂数指标的敏感因素的评分首先，根据式6和式7，计算单轴压缩条件下微破裂数指标发生顺序对模型尺寸的敏感度N、单轴压缩条件下微破裂数指标发生顺序对某影响因素的敏感系数Q；其次，根据式8和式9，计算单轴压缩条件下微破裂数指标的量级对模型尺寸的敏感度S、单轴压缩条件下微破裂数指标的量级对某影响因素的敏感系数V；进而，根据式10，计算单轴压缩条件下微破裂数指标对某影响因素的敏感系数X,即为单轴压缩条件下微破裂数指标的该影响因素的评分；最后，将单轴压缩条件下各影响因素的评分进行由大到小的排序，即为单轴压缩条件下微破裂数指标敏感因素的由大到小的评分序列； 式中，N为单轴压缩条件下微破裂数指标发生顺序对模型尺寸的敏感度；Nmax为N的最大值；Nmin为N的最小值；ΔO为单轴压缩条件下微破裂数指标发生顺序的变化百分率；ΔP为单轴压缩条件下微破裂数指标发生顺序方面的模型尺寸变化的百分率；Q为单轴压缩条件下微破裂数指标发生顺序对某影响因素的敏感系数；ΔR为单轴压缩条件下微破裂数指标发生顺序方面的某影响因素变化的百分率； 式中，S为单轴压缩条件下微破裂数指标的量级对模型尺寸的敏感度；Smax为S的最大值；Smin为S的最小值；ΔT为单轴压缩条件下微破裂数指标量值的变化百分率；ΔU为单轴压缩条件下微破裂数指标量级方面的模型尺寸变化的百分率；V为单轴压缩条件下微破裂数指标的量级对某影响因素的敏感系数；ΔW为单轴压缩条件下微破裂数指标量级方面的某影响因素变化的百分率；X＝Q×Y+V×Z10式中，X为单轴压缩条件下微破裂数指标对某影响因素的敏感系数；Y为单轴压缩条件下微破裂数指标发生顺序相应的权重系数；Z为单轴压缩条件下微破裂数指标量级相应的权重系数；第五步，侧压且各影响因素条件下玄武岩柱的力学尺寸效应、破裂机理分析5.1基于RFPA，构建不同模型尺寸的玄武岩柱数值试件；根据玄武岩柱物理试验测量得到的物理力学宏观参数，通过宏观参数转化为细观参数的经验理论公式，获得RFPA中需输入的节理及岩石的材料力学细观参数，其中考虑节理及岩石的非均质性；设置玄武岩柱试件包括不同模型边界条件、节理本构、节理力学性能、岩石非均质性、岩石细观本构及柱体直径在内的影响因素；对试件施加侧压，然后在试件顶部逐步施加竖向位移压缩荷载；对试件进行线弹性有限元计算，根据摩尔库伦准则、拉伸破坏准则及RFPA中的细观单元损伤本构关系，对损伤单元进行刚度退化处理；获得不同影响因素下试件的应力应变曲线、峰值强度、等效变形模量、最小主应力图、损伤图、位移图、声发射类别及强度的空间分布图；分析侧压且各影响因素下试件的峰值强度、等效变形模量随模型尺寸的变化规律；5.2针对不同模型尺寸的玄武岩柱试件，基于侧压条件下它们各自的应力应变曲线，找出应力应变曲线上应力提升段、应力峰值点附近、应力跌落段、残余强度阶段的能表征玄武岩柱试件明显应力转移、破裂发展变化的若干特征点，然后在RFPA中输入这些特征点对应的计算步，调取出步骤5.1中相应的试件最小主应力图，通过试件最小主应力图的应力集中区域来分析加载过程中试件的应力状态，以及根据试件最小主应力图的裂纹分布区域来探究试件的破裂特征变化规律，并在RFPA中提取这些特征点对应的计算步的试件损伤图、不同方向的位移图、声发射类别及强度的空间分布图，综合研究玄武岩柱试件的破裂机理；其次，针对不同影响因素的工况，对比探究玄武岩柱试件破裂机理的差异；第六步，确定侧压且各影响因素条件下玄武岩柱的微破裂发生顺序提取侧压条件下不同模型尺寸的试件声发射数—位移加载量、声发射能量—位移加载量的数据，并分别转化为声发射数—应变、声发射能量—应变的数据，进而分别整理成曲线的形式，其中曲线的纵坐标为声发射数或声发射能量，曲线的横坐标为应变；根据第五步获得的试件应力应变曲线，标记其峰值应力和峰值应变，基于此，对声发射数—应变曲线、声发射能量—应变曲线中的峰值应变进行识别，从而标记其对应的声发射数、声发射能量；将声发射数—应变曲线、声发射能量—应变曲线中识别出来的峰值应变，分别定义为微破裂数指标发生顺序、微破裂能量指标发生顺序；然后，整理侧压且各影响因素下不同模型尺寸的试件声发射数—应变曲线、声发射能量—应变曲线，并标记、获得侧压且各影响因素下微破裂数指标发生顺序、微破裂能量指标发生顺序；将侧压且各影响因素下微破裂数指标发生顺序、微破裂能量指标发生顺序分别进行由小到大的排序，以表征微破裂数指标发生顺序、微破裂能量指标发生顺序的早晚；第七步，确定侧压且各影响因素条件下玄武岩柱的微破裂量级将第六步获得的侧压且各影响因素条件下不同模型尺寸的试件峰值应变所对应的声发射数、声发射能量，分别定义为微破裂数指标的量级、微破裂能量指标的量级；并分别把它们整理成由小到大的序列，即为微破裂数指标量级、微破裂能量指标量级的排序；第八步，侧压且各影响因素条件下玄武岩柱尺寸效应的能量特征计算采用划分等级和评分的方式来计算侧压且各影响因素条件下玄武岩柱尺寸效应的能量特征，具体如下：8.1确定侧压条件下微破裂能量指标的敏感因素的等级首先，根据式11和式12，计算侧压条件下微破裂能量指标发生顺序对模型尺寸的敏感度Ax、侧压条件下微破裂能量指标发生顺序对某影响因素的敏感系数Dx；其次，根据式13和式14，计算侧压条件下微破裂能量指标的量级对模型尺寸的敏感度Fx、侧压条件下微破裂能量指标的量级对某影响因素的敏感系数Ix；进而，根据式15，计算侧压条件下微破裂能量指标对某影响因素的敏感系数Kx；最后，将侧压条件下各影响因素的敏感系数进行由大到小的排序，即为侧压条件下微破裂能量指标敏感因素的由大到小的等级； 式中，Ax为侧压条件下微破裂能量指标发生顺序对模型尺寸的敏感度；Axmax为Ax的最大值；Axmin为Ax的最小值；ΔBx为侧压条件下微破裂能量指标发生顺序的变化百分率；ΔCx为侧压条件下微破裂能量指标发生顺序方面的模型尺寸变化的百分率；Dx为侧压条件下微破裂能量指标发生顺序对某影响因素的敏感系数；ΔEx为侧压条件下微破裂能量指标发生顺序方面的某影响因素变化的百分率； 式中，Fx为侧压条件下微破裂能量指标的量级对模型尺寸的敏感度；Fxmax为Fx的最大值；Fxmin为Fx的最小值；ΔGx为侧压条件下微破裂能量指标量级的变化百分率；ΔHx为侧压条件下微破裂能量指标量级方面的模型尺寸变化的百分率；Ix为侧压条件下微破裂能量指标的量级对某影响因素的敏感系数；ΔJx为侧压条件下微破裂能量指标量级方面的某影响因素变化的百分率；Kx＝Dx×Lx+Ix×Mx15式中，Kx为侧压条件下微破裂能量指标对某影响因素的敏感系数；Lx为侧压条件下微破裂能量指标发生顺序相应的权重系数；Mx为侧压条件下微破裂能量指标量级相应的权重系数；8.2确定侧压条件下微破裂数指标的敏感因素的评分首先，根据式16和式17，计算侧压条件下微破裂数指标发生顺序对模型尺寸的敏感度Nx、侧压条件下微破裂数指标发生顺序对某影响因素的敏感系数Qx；其次，根据式18和式19，计算侧压条件下微破裂数指标的量级对模型尺寸的敏感度Sx、侧压条件下微破裂数指标的量级对某影响因素的敏感系数Vx；进而，根据式20，计算侧压条件下微破裂数指标对某影响因素的敏感系数Xx，即为侧压条件下微破裂数指标的该影响因素的评分；最后，将侧压条件下各影响因素的评分进行由大到小的排序，即为侧压条件下微破裂数指标敏感因素的由大到小的评分序列； 式中，Nx为侧压条件下微破裂数指标发生顺序对模型尺寸的敏感度；Nxmax为Nx的最大值；Nxmin为Nx的最小值；ΔOx为侧压条件下微破裂数指标发生顺序的变化百分率；ΔPx为侧压条件下微破裂数指标发生顺序方面的模型尺寸变化的百分率；Qx为侧压条件下微破裂数指标发生顺序对某影响因素的敏感系数；ΔRx为侧压条件下微破裂数指标发生顺序方面的某影响因素变化的百分率； 式中，Sx为侧压条件下微破裂数指标的量级对模型尺寸的敏感度；Sxmax为Sx的最大值；Sxmin为Sx的最小值；ΔTx为侧压条件下微破裂数指标量值的变化百分率；ΔUx为侧压条件下微破裂数指标量级方面的模型尺寸变化的百分率；Vx为侧压条件下微破裂数指标的量级对某影响因素的敏感系数；ΔWx为侧压条件下微破裂数指标量级方面的某影响因素变化的百分率；Xx＝Qx×Yx+Vx×Zx20式中，Xx为侧压条件下微破裂数指标对某影响因素的敏感系数；Yx为侧压条件下微破裂数指标发生顺序相应的权重系数；Zx为侧压条件下微破裂数指标量级相应的权重系数；第九步，考虑微破裂发生顺序及量级的玄武岩柱尺寸效应的能量特征计算基于第四步的式5、式10和第八步的式15、式20，综合考虑单轴压缩、侧压条件，建立考虑微破裂发生顺序及量级的玄武岩柱尺寸效应的能量特征计算模型；其中，考虑微破裂能量发生顺序及量级的玄武岩柱尺寸效应的能量特征计算模型，如式21；考虑微破裂数发生顺序及量级的玄武岩柱尺寸效应的能量特征计算模型，如式22；通过式21、式22，获得单轴压缩、侧压条件下微破裂能量指标、微破裂数指标对各影响因素的敏感系数，进而表征单轴压缩、侧压条件下微破裂能量指标的敏感因素的等级、微破裂数指标的敏感因素的评分序列；通过玄武岩柱尺寸效应的能量特征计算模型的运算，筛选出单轴压缩、侧压条件下微破裂能量指标的主要敏感因素、微破裂数指标的主要敏感因素； 式中，Kprx为单轴压缩、侧压条件下微破裂能量指标对某影响因素的敏感系数；Xprx为单轴压缩、侧压条件下微破裂数指标对某影响因素的敏感系数；Prx为侧压的量值，其单位为MPa；Prx＝0表示侧压为0MPa，即单轴压缩情况；Prx＞0表示侧压大于0MPa，即有侧压的情况。

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