近日，同济大学工程风险研究团队张东明教授、朱帅达博士生、周鸣亮副教授、黄宏伟教授等在岩石力学顶级期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》上发表了题为“Damage quantification and failure prediction of rock: A novel approach based on energy evolution obtained from infrared radiation and acoustic emission”的研究论文，报道了基于能量方法的岩石损伤量化及破坏预测最新研究成果。

实时监测岩体损伤过程，确定能够准确预测岩体破坏和量化岩体损伤的指标，对于实现岩体灾害预警和提高地下工程的安全性具有重要意义。能量是描述一个系统或过程的物理量，而外力作用下的岩石破坏是外部环境与岩石系统之间能量转换的过程。因此，可通过研究岩石破坏过程中应变能的储存和耗散来对岩石进行损伤量化及破坏预测。

本研究采用红外辐射（IR）和声发射（AE）技术，实时监测红砂岩在单轴加载实验中的破坏过程（见图1），分析了岩石破坏过程中能量的演化规律（见图2）。基于Stefan–Boltzmann定律，提出了用于IR指标的定量参数-平均累积辐射能量增量（ΔACRE）。推导出了弹性应变能与ΔACRE的耦合数学模型。分析了AE累积能量与耗散应变能之间的相关性。研究结果表明，岩石破坏过程根据能量演化可分为四个阶段：压实阶段、弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段（见图3）。ΔACRE与弹性应变能之间存在三次多项式关系（见图4）。AE累积能量和耗散应变能呈现出相似的变化趋势（见图5）。此外，基于ΔACRE、AE累积能量和能量演化理论，提出了一种破坏预测指标（IRAEEER），该指标能够有效识别岩石破坏的前兆点（见图6）。基于IRAEEER作为岩石损伤变量的表征参数，建立了岩石损伤演化的定量指标，该指标表现出高可靠性（见图7）。本研究为岩石状态评估以及指导岩石工程结构设计提供了有力支撑。

图1 岩石破坏实验测试系统

图2 岩石破坏过程中能量的演化规律

图3 岩石破坏过程阶段划分

图4 ΔACRE与弹性应变能的相关关系

图5 AE累积能量与耗散应变能的相关关系

图6 IRAEEER作为岩石破坏预测指标

图7 基于IRAEEER的岩石损伤量化指标

第一作者

张东明教授

主要从事地下工程结构风险控制、地下工程结构计算模型不确定性、

地下工程围岩地层不确定性等研究

邮箱：09zhang@tongji.edu.cn

第二作者

朱帅达 博士研究生

主要从事地下工程结构智能感知与多源数据融合分析的研究

邮箱：dadaajoo@tongji.edu.cn

第三作者和通讯作者

周鸣亮 副教授

主要从事多相场岩土与地下工程安全分析研究

邮箱：zhoum@tongji.edu.cn

第四作者

黄宏伟教授

主要从事岩土与地下基础设施的安全风险

管控理论方法与多识智慧感知技术的研究

邮箱：huanghw@tongji.edu.cn

文献引用格式：

ZhangD, Zhu, S, Zhou M, Huang H. Damage quantification and failure prediction of rock: A novel approach based on energy evolution obtained from infrared radiation and acoustic emission[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2024, 183: 105920.

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2024.105920

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撰稿：朱帅达

编辑：王 森

校对：章艺严

审核：申轶尧