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盾构下穿施工既有隧道变形机理数值模拟研究

防灾减灾工程学报 2024年

作者：路德春宋涛林庆涛孟旭杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室

盾构施工下穿既有运营隧道，易导致既有线路变形过大，给地铁列车运营安全带来安全隐患。考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用，以及同步注浆硬化过程和压力消散等关键因素，发展了盾构施工全过程数值模拟方法。结合实... 详细信息

盾构施工下穿既有运营隧道，易导致既有线路变形过大，给地铁列车运营安全带来安全隐患。考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用，以及同步注浆硬化过程和压力消散等关键因素，发展了盾构施工全过程数值模拟方法。结合实际工程建立盾构下穿既有隧道三维有限元数值模型，获得了盾构下穿过程中既有隧道结构变形、内力响应、围岩压力，及其周围地层应力的发展变化规律，揭示了既有隧道的变形机理。结果表明：既有隧道在纵向上发生挠曲和扭转变形，挠曲变形呈现为中部沉降两端隆起的“V”形变形，断面扭转变形呈中间大两端小的分布形式，且随盾构掘进先逆时针扭转后顺时针扭转；对于隧道横断面，在x=-0.8D至0.8D范围内隧道断面呈现侧向压扁、竖向伸长的变形模式，在x=±0.8D之外隧道断面呈现侧向伸长、竖向压扁的变形模式，x=-0.8D至0.8D范围内隧道断面变形由盾构开挖引起的土体卸载引起，x=±0.8D之外的隧道断面变形由中间区域隧道断面扭转和沉降变形的传递导致。

关键词：盾构下穿施工既有隧道变形机理数值模拟

基于多对数螺旋曲线破坏机构的富水软岩隧道开挖面支护应力分析

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北京工业大学学报 2024年第5期50卷 571-582页

作者：许敬叔刘俊路德春杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所北京100124

为了避免对胡克-布朗准则进行任何线性化处理,将广义胡克-布朗(generalized Hoek-Brown, GHB)强度准则直接引入到开挖面稳定性分析中,基于极限分析理论构建了富水地层浅埋隧道开挖面多对数螺旋线破坏机构。在考虑孔隙水压力的作用下,推... 详细信息

为了避免对胡克-布朗准则进行任何线性化处理,将广义胡克-布朗(generalized Hoek-Brown, GHB)强度准则直接引入到开挖面稳定性分析中,基于极限分析理论构建了富水地层浅埋隧道开挖面多对数螺旋线破坏机构。在考虑孔隙水压力的作用下,推导出能量平衡方程,得到开挖面极限支护应力表达式,并且通过程序优化得到支护应力最优上限解。在此基础上,分析了GHB强度参数、孔隙水压力系数、岩土体重度以及隧道埋深比对开挖面稳定性的影响。最后通过归一化处理得到不同情况下的开挖面极限支护应力稳定性图表,通过该图表能够快速便捷地获得富水地层隧道开挖面维持稳定性所需的极限支护应力,为盾构隧道初步设计提供理论依据。

关键词：隧道开挖面广义Hoek-Brown准则多对数螺旋线破坏机构孔隙水压力极限分析上限法极限支护应力

基于GA-PSO算法的冻土本构模型参数识别

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冰川冻土 2024年第1期46卷 235-246页

作者：梁靖宇张跃东路德春北京建筑大学土木与交通工程学院北京100044 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点试验室北京100124

遗传算法(GA)与粒子群算法(PSO)分别具有缺乏目标导向性和易陷入局部最优的缺点,但同时分别具有全局搜索能力强与能有效传递优势信息的优点。本文以GA计算步结合精英保留策略作为PSO计算步的优势信息,避免PSO算法陷入局部最优,以PSO计... 详细信息

遗传算法(GA)与粒子群算法(PSO)分别具有缺乏目标导向性和易陷入局部最优的缺点,但同时分别具有全局搜索能力强与能有效传递优势信息的优点。本文以GA计算步结合精英保留策略作为PSO计算步的优势信息,避免PSO算法陷入局部最优,以PSO计算步结合非精英优化策略作为GA计算步的导向信息,克服GA算法缺乏目标导向的问题,建立了GA-PSO新算法。其具体过程为,通过采用GA计算步对解空间进行全局搜索并对精英个体进行保留,进一步,将适应度较差的个体利用PSO计算步进行优化。基于多峰函数的验证结果表明,GA-PSO算法在解空间中具有更强的全局搜索能力,同时具有更快的收敛速度。将GA-PSO算法应用到冻土非正交弹塑性本构模型的参数识别中,通过模型的参数识别以及模型预测结果对比与验证,结果表明GA-PSO算法能够有效识别冻土非正交弹塑性本构模型的参数,提升了模型的预测效果。

关键词：参数识别冻土本构模型优化算法遗传算法(GA) 粒子群算法(PSO)

索桁架结构施工误差评估的孪生仿真与模型试验

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建筑结构学报 2024年第4期45卷 107-119页

作者：史国梁刘占省路德春黄春及炜煜王泽强北京工业大学城市建设学部北京100124 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124 北京市建筑工程研究院有限责任公司北京100039

索结构施工复杂,施工误差具有很强的随机性,严重影响结构的安全状态。而已有的施工误差对结构力学性能影响的研究,存在模型不统一、精度及效率不足等问题。为此,针对索桁架结构进行了施工误差评估的孪生仿真与模型试验,建立了索桁架结... 详细信息

索结构施工复杂,施工误差具有很强的随机性,严重影响结构的安全状态。而已有的施工误差对结构力学性能影响的研究,存在模型不统一、精度及效率不足等问题。为此,针对索桁架结构进行了施工误差评估的孪生仿真与模型试验,建立了索桁架结构参数化模型和施工误差空间模型,并获取了影响因素与结构受力性能间的非线性映射关系。在所提施工误差评估方法的基础上进行了四个基本输入参数的参数化分析,得到了不同类型施工误差耦合作用下结构受力性能的变化规律。并以带刚性环的索桁架结构为例,开发了数字孪生仿真平台,进一步验证了评估方法的有效性。研究结果表明:基于数字孪生的数据映射关系可以有效获取施工误差下的受力性能;通过评估方法获取的试验模型力学性能与试验值高度吻合,验证了该方法的可行性;减小径向索尺寸和增加拉索成形态索力是降低施工误差影响的有效措施;为满足索力误差不超出±10%的要求,制定了施工误差的控制指标,在满足结构自身成形态应力的要求下,应控制最不利组合工况下长度误差在索长的1/350以内。

关键词：索桁架结构数字孪生施工误差受力性能智能评估

盾尾注浆材料硬化特性对隧道和地层力学响应影响的有限元模拟研究

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北京工业大学学报 2024年第6期50卷 711-723页

作者：路德春刘竹根林庆涛孔凡超杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所北京100124 清华大学土木工程系北京100084

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施... 详细信息

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施工精细化的有限元数值仿真模型,并利用实测地层沉降和隧道衬砌的收敛变形验证了数值模型的合理性。同时,对注浆材料初凝时间分别为0、2、6、12 h的数值模型进行了计算,获得了地层和隧道衬砌受力变形随注浆材料硬化过程的发展规律,以及注浆材料硬化特性对地层和隧道衬砌受力变形的影响规律。模拟结果表明:盾尾注浆8 h以内,地层的沉降和水平位移以及隧道衬砌的围岩压力和内力增加显著,注浆时间超过8 h后增加变得缓慢;注浆材料的初凝时间越长,地表沉降、地层水平位移和竖向位移则越大;衬砌拱顶和拱腰的径向收敛越大,拱底径向收敛则越小;衬砌的轴力和弯矩在注浆8 h以内增加显著。

关键词：盾构施工盾尾注浆硬化过程注浆压力消散有限元数值模拟地层变形衬砌力学响应

考虑温度与围压影响的冻结砂土非正交弹塑性本构模型

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岩土工程学报 2024年

作者：梁靖宇齐吉琳张跃东路德春李昊雯北京建筑大学土木与交通工程学院北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点试验室

冻土的受力变形特性受温度与围压的影响显著。为描述温度的影响，本文通过建立冻土三向拉伸强度与温度的非线性关系，并采用平移变换的方法将其考虑到屈服函数中。为描述围压的影响，本文建立了潜在强度衰减因子，通过将其引入统一硬化... 详细信息

冻土的受力变形特性受温度与围压的影响显著。为描述温度的影响，本文通过建立冻土三向拉伸强度与温度的非线性关系，并采用平移变换的方法将其考虑到屈服函数中。为描述围压的影响，本文建立了潜在强度衰减因子，通过将其引入统一硬化参量中，发展得出了考虑围压影响的硬化参量。最终，基于非正交弹塑性模型框架，在平移变换空间内建立了能够考虑温度和围压影响的冻土非正交弹塑性本构模型。模型预测结果与冻结粉砂三轴压缩试验结果的对比表明，所建立模型能够模拟不同温度和围压下冻结砂土应力–应变关系。其不仅能够反映冻土峰值抗剪强度随温度降低而增大的温度效应，还能描述围压增大条件下应力应变曲线由剪胀与软化型逐渐转变为剪缩与硬化型的规律。

关键词：冻土本构模型非正交塑性流动法则温度效应围压效应

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城市地下结构抗震韧性研究进展

中国科学：技术科学 2022年第10期52卷 1469-1483页

作者：路德春马超杜修力王作虎北京工业大学岩土与地下工程研究所北京100124 北京建筑大学土木与交通工程学院北京102616

地下结构抗震韧性要求在保护生命与财产安全的前提下,不仅要减小地下结构在地震中的损伤破坏,而且震后无需修复或者稍加修复就能快速恢复结构的使用功能.随着韧性城市建设的提出,提升城市地下结构抗震韧性已经成为地下结构地震工程研究... 详细信息

地下结构抗震韧性要求在保护生命与财产安全的前提下,不仅要减小地下结构在地震中的损伤破坏,而且震后无需修复或者稍加修复就能快速恢复结构的使用功能.随着韧性城市建设的提出,提升城市地下结构抗震韧性已经成为地下结构地震工程研究的热点问题之一.本文对地下结构抗震韧性研究现状进行了较为系统的梳理,介绍了韧性抗震地下结构的防震理念,从提升地下结构地震中抗力韧性和震后地下结构的功能恢复韧性两个方面,总结了国内外关于提升地下结构抗震韧性的研究成果,最后探讨了韧性抗震地下结构的发展趋势.现有研究表明,提升地下结构抗震韧性的技术,还主要集中在提高结构抗力韧性、减小地震引起的地下结构损伤破坏方面,而对结构震后功能恢复韧性的研究还非常不充分.因此,对地下结构抗震韧性的提升,应在震后结构功能恢复韧性方面开展大量研究工作,要重视震后结构功能恢复的程度与快速性,从地下结构地震反应的特点着手,在新结构体系的研发和大尺寸模型试验等方面开展深入研究,形成地下结构抗震韧性设计标准与规范,推广相关研究成果的工程应用.

关键词：地下结构抗震韧性防震理念抗震性能功能恢复

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基于混凝土黏弹性变形机制的近场动力学方法

同济大学学报（自然科学版） 2022年第9期50卷 1232-1239页

作者：路德春宋志强王国盛北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

原始近场动力学的控制方程由保守力做功的能量方程得到,从而无法合理反映材料的黏弹性变形行为和系统能量耗散。针对这一问题,提出一种考虑非保守力做功的近场动力学方法,其理论框架包括两部分:(1)材料点的黏弹性相互作用及其运动方程;... 详细信息

原始近场动力学的控制方程由保守力做功的能量方程得到,从而无法合理反映材料的黏弹性变形行为和系统能量耗散。针对这一问题,提出一种考虑非保守力做功的近场动力学方法,其理论框架包括两部分:(1)材料点的黏弹性相互作用及其运动方程;(2)键的率相关断裂准则。在描述材料点运动方面,基于对混凝土变形机制的认识,提出了材料点之间的黏弹性相互作用模型,采用考虑能量耗散的哈密尔顿原理建立了黏弹性运动方程,利用黏弹性近场动力学方法与连续介质力学的能量密度等效的方法提出了弹性参数和黏性参数确定方法;在描述键的断裂和材料强度方面,利用混凝土动态单轴S强度准则发展了键的率相关断裂准则。通过数值实验,探讨了黏弹性近场动力学方法的功能和优越性。结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映加载速率对混凝土变形、强度和开裂行为的影响。

关键词：近场动力学混凝土黏弹性率效应变形机制

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考虑钙质砂颗粒破碎的分数阶边界面本构模型

岩土工程学报 2023年第6期45卷 1162-1170页

作者：汪成贵束善治肖杨路德春刘汉龙重庆大学土木工程学院重庆400045 Kiewit 10055 Trainstation CircleLone TreeCO 80124 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心重庆400045 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

钙质砂作为海洋工程中广泛应用的建筑材料,颗粒破碎会导致其强度和剪胀性降低,压缩性增加,影响构筑物的安全和稳定。通过引入破碎应力建立考虑颗粒破碎的临界状态线来描述破碎对临界状态线位置和形状的影响;并基于分数阶微分和状态相关... 详细信息

钙质砂作为海洋工程中广泛应用的建筑材料,颗粒破碎会导致其强度和剪胀性降低,压缩性增加,影响构筑物的安全和稳定。通过引入破碎应力建立考虑颗粒破碎的临界状态线来描述破碎对临界状态线位置和形状的影响;并基于分数阶微分和状态相关理论建立了统一的状态相关分数阶塑性流动法则;在边界面塑性理论和临界状态理论框架下建立了考虑钙质砂颗粒破碎和状态相关特性的分数阶塑性边界面本构模型。模型能够模拟不同初始密实度和围压条件下钙质砂三轴排水试验结果和颗粒破碎影响下的状态相关行为,并验证了模型的适用性。

关键词：钙质砂颗粒破碎状态相关分数阶本构模型