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任意多孔条件下围岩力学分析的非迭代解析方法

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岩石力学与工程学报 2020年第11期39卷 2204-2212页

作者：方黄城张顶立文明胡昕宇北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

多孔条件下的围岩力学分析对隧道施工安全具有重要意义,目前常用的Schwarz交替法在求解多孔问题时,其精度受迭代次数影响且计算过程复杂,不适合工程应用。为此,基于解析函数的多级数展开原理建立任意多孔条件下围岩力学分析的非迭代求... 详细信息

多孔条件下的围岩力学分析对隧道施工安全具有重要意义,目前常用的Schwarz交替法在求解多孔问题时,其精度受迭代次数影响且计算过程复杂,不适合工程应用。为此,基于解析函数的多级数展开原理建立任意多孔条件下围岩力学分析的非迭代求解方法。该方法将解析函数在每一个孔洞上单独进行Laurent级数展开,从而精确地表达了整个多连通区域内的应力与位移场。通过对每个孔洞单独进行保角变换,建立各个孔口的应力与位移边界条件。最后,利用Fourier变换技术将边界条件转化到频域上进行分析,从而求解解析函数中所有的待定系数。该方法中每个孔口的保角变换都相互独立,因而可以处理各种复杂形状的多孔问题。整个求解过程不需要进行任何迭代即可获得精确的应力与位移解答,求解过程简单高效、适合隧道工程应用。

关键词：岩石力学任意形状多孔条件围岩力学分析复变函数频域分析

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水平互层围岩隧道破坏机理及其范围预测模型

力学学报 2022年第10期54卷 2835-2849,I0004页

作者：王嘉琛张顶立孙振宇方黄城刘昌北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

水平互层围岩因其显著的层理构造,导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别.目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式,未考虑破坏形式的多样性.为探究水平互层围岩的破坏范围,首先按其层理面划分为单层围岩进行分析,将围岩破坏分... 详细信息

水平互层围岩因其显著的层理构造,导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别.目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式,未考虑破坏形式的多样性.为探究水平互层围岩的破坏范围,首先按其层理面划分为单层围岩进行分析,将围岩破坏分为拉破坏、楔形剪切破坏和拱形剪切破坏3种典型模式,分别建立了岩梁受拉分析模型和拱形关键块剪切分析模型进行分析,提出了相应的破坏准则,并引入塌落系数和临界高度对不同破坏模式的孕育条件进行研究,将此方法应用于矿井巷道和隧道工程实例中,与既有方法进行比较,验证了单层围岩破坏机理模型的可靠性,同时代入离层破坏算例中验证其实用性.并以此为基础,结合破坏范围层间连续条件和破坏休止条件建立水平互层围岩破坏预测模型,将上述水平互层围岩破坏模型应用于补连塔矿巷道实例.结果表明本文预测的水平互层围岩破坏范围与数值模拟结果、真实塌落情况吻合较好.研究成果可为水平互层围岩隧道支护方案设计提供理论基础.

关键词：围岩破坏机理互层围岩塌落范围理论分析工程实例验证

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隧道支护结构体系的刚度设计理论

岩石力学与工程学报 2021年第4期40卷 649-662页

作者：张顶立方黄城陈立平孙振宇北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

隧道围岩变形是支护荷载的来源,也是诸多安全事故产生的根源,因此隧道工程设计应以围岩变形控制为核心。围岩变形本质上就是在不平衡力作用下围岩发生运动的结果,这是隧道围岩变形的根源,其变形量大小是围岩荷载与支护抗力博弈的结果,... 详细信息

隧道围岩变形是支护荷载的来源,也是诸多安全事故产生的根源,因此隧道工程设计应以围岩变形控制为核心。围岩变形本质上就是在不平衡力作用下围岩发生运动的结果,这是隧道围岩变形的根源,其变形量大小是围岩荷载与支护抗力博弈的结果,并且在围岩的不同变形阶段表现出较大的差异性;基于牛顿第二定律建立围岩变形的动力学分析概念模型,获得围岩变形演化特征方程,可对围岩变形过程进行预测和安全性评估;在给定的地层和工程条件下,由支护刚度所决定的抗力决定了围岩变形量,为此提出可以满足隧道围岩变形分布支护需求的支护刚度分布,由此形成以围岩变形控制为目标的支护刚度设计准则;针对支护系统刚度提升后所造成的支护结构荷载增大的事实,建立结构强度校核方法,可据此对支护刚度和变形控制目标进行调整,并构建了相应的支护刚度设计流程。基于上述基本理念,形成"围岩变形控制为目标,支护刚度设计为核心和强度校核作保障"的理论体系。最后,针对复杂隧道围岩大变形和严重超前破坏的特点,创建围岩与支护结构系统的协同控制理论与设计方法。

关键词：隧道工程 “支护–围岩”关系围岩变形机制支护系统刚度协同控制理论

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海底隧道突水演化机制与过程控制方法

岩石力学与工程学报 2020年第4期39卷 649-667页

作者：张顶立孙振宇宋浩然方黄城北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

突涌水灾害是海底隧道施工面临的核心技术难题,能否成功处置直接影响到工程建设的成败。鉴于此,本文通过对突水事故案例及发生条件的分析,建立3种模式的突水机制模型,分别揭示水力劈裂型、地层坍塌型和界面滑移型突水的演化机制及本质特... 详细信息

突涌水灾害是海底隧道施工面临的核心技术难题,能否成功处置直接影响到工程建设的成败。鉴于此,本文通过对突水事故案例及发生条件的分析,建立3种模式的突水机制模型,分别揭示水力劈裂型、地层坍塌型和界面滑移型突水的演化机制及本质特点,提出以地层变形作为突水灾害过程特征参数;基于能量守恒原理揭示海底隧道上覆地层变形的传递规律,提出分层沉降的计算方法;建立海床安全性与隧道围岩变形的对应关系,其中包括地层开裂与变形、海床沉降与隧道拱顶沉降的关系,由此可对施工过程中的突水灾害进行实时预测和评估;提出以水致灾害作为核心安全风险,并基于变位分配原理提出分阶段过程控制方法。针对复杂水域条件,提出包括精细勘察和精准预报在内的地质保障技术,建立突涌水风险等级评价方法。最终形成了以地层变形控制为核心的海底隧道精细化过程控制技术体系,将其应用于厦门翔安海底隧道穿越F1风化槽段,实现了毫米量级的精细化控制,确保了工程安全。

关键词：隧道工程海底隧道水致灾害突水机制地层变形海床沉降过程控制

考虑围岩流变及衬砌劣化特性的隧道长期服役性能解析

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岩土力学 2021年第10期42卷 2795-2807页

作者：刘昌张顶立张素磊房倩方黄城北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033

衬砌劣化普遍存在于隧道工程,对隧道运营安全产生威胁。针对流变岩体中运营隧道衬砌劣化现状,建立了考虑围岩流变及衬砌劣化特性的时效解析模型,分析了隧道全寿命周期内围岩位移、支护反力变化规律。通过数值建模验证了解析模型的正确性... 详细信息

衬砌劣化普遍存在于隧道工程,对隧道运营安全产生威胁。针对流变岩体中运营隧道衬砌劣化现状,建立了考虑围岩流变及衬砌劣化特性的时效解析模型,分析了隧道全寿命周期内围岩位移、支护反力变化规律。通过数值建模验证了解析模型的正确性,借助本模型对衬砌劣化系数、衬砌厚度、支护时间及围岩流变特性等参数进行敏感性分析,最后对隧道服役性能进行了探讨。研究表明:在围岩流变效应下支护压力随时间增大,而支护结构在服役环境下力学性能逐渐降低,两者的耦合作用缩短了结构达到屈服强度发生破坏的时间;获取了支护荷载及承载能力时程曲线,建立了围岩流变及支护性能劣化耦合作用下隧道服役寿命预测模型;明确指出支护−围岩关系是隧道结构长期安全性的核心内容。

关键词：运营隧道围岩流变衬砌劣化理论解析服役性能

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初支混凝土硬化特性与围岩流变耦合作用机制

工程力学 2023年第1期40卷 63-75,86页

作者：刘昌张顶立孙振宇张素磊方黄城李然北京交通大学城市与地下工程教育部重点实验室北京100044 青岛理工大学土木工程学院青岛266033

喷射混凝土作为初期支护重要组成部分广泛应用于隧道工程。深埋软岩隧道开挖时,喷射混凝土硬化特性及围岩流变效应均于时间有关,使得围岩变形及结构受力错综复杂。基于此,该文建立了考虑喷射混凝土硬化特性与围岩流变效应的耦合解析模型... 详细信息

喷射混凝土作为初期支护重要组成部分广泛应用于隧道工程。深埋软岩隧道开挖时,喷射混凝土硬化特性及围岩流变效应均于时间有关,使得围岩变形及结构受力错综复杂。基于此,该文建立了考虑喷射混凝土硬化特性与围岩流变效应的耦合解析模型,阐明了流变岩体隧道“支护-围岩”动态演化机制,分析了喷射混凝土设计参数、隧道工程参数及围岩流变特性等对“支护-围岩”动态作用的影响机制,并通过具体实例探讨了不同支护类型的时效支护特性。分析表明:喷射混凝土施作初期刚度较低,在围岩流变特性及开挖空间效应下围岩变形速率大,而喷射混凝土承担荷载较不考虑其硬化特性时要小,对于流变岩体隧道宜采用早强混凝土限制围岩早期变形;围岩流变荷载与喷射混凝土刚度均随时间逐渐增大,不考虑围岩流变效应会低估喷射混凝土对围岩变形控制效果及所承担荷载水平;型钢钢架+喷混支护体系刚度较大有利于限制围岩变形,格栅钢架+喷混支护刚度较小更利于围岩应力释放;隧道支护时机的选择应综合考虑围岩流变效应、支护类型、喷混硬化特性、隧道掘进速率的影响,进一步给出了不同支护类型的支护时机-掘进速度的极限关系曲线。研究成果可为类似隧道工程支护设计、施工提供理论依据。

关键词：隧道工程软弱围岩流变效应喷射混凝土硬化 "支护-围岩"动态作用机制

基于三场变分原理的对偶mortar有限元法

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工程力学 2020年第6期37卷 51-59页

作者：周墨臻张丙印张顶立方黄城北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

通过引入独立媒介面,将mortar有限元法由二场变分原理推广到三场变分原理。通过采用满足双正交性条件的对偶基函数离散Lagrange乘子空间,实现了Lagrange乘子的凝聚,由此提出了基于三场变分原理的对偶mortar有限元法。提出的新方法同时... 详细信息

通过引入独立媒介面,将mortar有限元法由二场变分原理推广到三场变分原理。通过采用满足双正交性条件的对偶基函数离散Lagrange乘子空间,实现了Lagrange乘子的凝聚,由此提出了基于三场变分原理的对偶mortar有限元法。提出的新方法同时解决了常规mortar元的约束交叉、主从偏见及求解效率等问题。自主编制了相应的计算程序,并采用两个三维数值算例对新方法进行了验证。研究结果表明:基于三场变分原理的对偶mortar方法对界面连续性条件的求解精度高,可有效用于含约束交叉的非协调网格计算,所支持的复杂子区域划分使得有限元分析更为灵活。

关键词：三场变分原理对偶mortar 有限元非协调网格子区域划分

基于约束随机场理论的隧道围岩参数空间变异性优化分析

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现代隧道技术 2021年第1期58卷 99-108页

作者：文明张顶立方黄城于富才刘艳北京市安全生产科学技术研究院北京101101 北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

针对传统随机场模拟围岩参数空间变异性中存在的地勘数据使用效能不充分问题,文章通过将Karhunen-Loève级数展开法与克里金插值法有机结合,发展了基于采样数据的约束随机场生成方法,并与蒙特卡洛模拟、非侵入式随机有限差分分析和地层... 详细信息

针对传统随机场模拟围岩参数空间变异性中存在的地勘数据使用效能不充分问题,文章通过将Karhunen-Loève级数展开法与克里金插值法有机结合,发展了基于采样数据的约束随机场生成方法,并与蒙特卡洛模拟、非侵入式随机有限差分分析和地层结构模型相结合,实现了基于约束随机场理论的围岩参数空间变异性优化分析模型。运用该模型对贺街隧道施工过程中围岩的力学响应进行可靠性分析,结果证明:通过约束指定位置处的围岩力学参数值,该优化模型可以最大限度地将己知信息纳入可靠性分析框架中,减小与实际情况的离散性,提高可靠性分析的计算精度。

关键词：隧道工程空间变异性 Karhunen-Loève级数展开地勘数据约束随机场克里金插值法

隧道围岩变形的非线性自回归时间序列预测方法研究

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北京交通大学学报 2017年第4期41卷 1-7页

作者：文明张顶立房倩齐俊方黄城陈文博北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 中国中铁工程设计咨询集团有限公司北京100055

针对传统时间序列预测模型的单一线性和忽略施工过程影响的静态局限性,提出非线性自回归(包括NARNN与NARXNN)时间序列预测模型.该模型通过引入动态施工影响因子作为附加的外部输入,同时结合模型本身的反馈结构和延迟单元,在结构和动态... 详细信息

针对传统时间序列预测模型的单一线性和忽略施工过程影响的静态局限性,提出非线性自回归(包括NARNN与NARXNN)时间序列预测模型.该模型通过引入动态施工影响因子作为附加的外部输入,同时结合模型本身的反馈结构和延迟单元,在结构和动态特性上更加符合实际系统,可以非线性动态地考虑隧道施工全过程.运用该模型对史家山2号隧道施工过程中的围岩水平收敛和地表变形进行预测.结果表明:1)非线性自回归预测模型比传统的ARMA预测模型的预测精度高、适应性好;2)通过多次预测并对结果取平均值,可以保证非线性自回归预测模型预测结果的预测精度和稳健性;3)通过优化动态施工影响因子的取值方法,可以进一步提高NARXNN时间序列预测模型的预测精度.

关键词：公路隧道时间序列模型非线性自回归神经网络动态施工影响因子围岩变形预测