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考虑界面脱空和土体屈服的盾构下穿管线响应计算

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岩土工程学报 2024年

作者：林存刚王忠杰赵辰洋陈瑜梁禹黄林冲丁智中山大学土木工程学院广东省海洋土木工程重点实验室广东省地下空间开发工程技术研究中心隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室浙江省城市盾构隧道安全建造与智能养护重点实验室南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)

大量试验证实盾构隧道开挖可引起管线与土体界面脱空和土体屈服现象。基于无拉力Winkler地基及管线地基承载力理论，将界面脱空和土体屈服判据条件引入管土线弹性相互作用分析；由此推导了考虑界面脱空和土体屈服影响的管土非线性相互... 详细信息

大量试验证实盾构隧道开挖可引起管线与土体界面脱空和土体屈服现象。基于无拉力Winkler地基及管线地基承载力理论，将界面脱空和土体屈服判据条件引入管土线弹性相互作用分析；由此推导了考虑界面脱空和土体屈服影响的管土非线性相互作用计算方法，并与模型试验结果对比验证了其适用性。参数分析发现，界面脱空范围随管线抗弯刚度增大而拓宽；受管土分离和地基屈服影响，管线响应随地层损失呈非线性变化；在土体脱空和屈服范围较大时，其对管线响应影响显著，忽略该效应将导致计算管线挠度和弯矩过于保守。

关键词：盾构隧道开挖管土相互作用界面脱空土体屈服无拉力Winkler地基

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基于机器学习模型的节理岩体UCS预测方法

人民长江 2024年第S1期55卷 192-197,202页

作者：王海波黄林冲林越翔马建军中山大学航空航天学院广东深圳518107 中山大学土木工程学院广东珠海519082

节理岩体力学性能研判不明会对地下工程建设安全造成极大隐患,规范中对含节理岩体的力学性能判断多以粗略的定性分级为主,未给出明确的力学性能量化表征方法;而传统回归分析方法难以综合考量节理形貌多维度特性,岩体力学性能预判精度低... 详细信息

节理岩体力学性能研判不明会对地下工程建设安全造成极大隐患,规范中对含节理岩体的力学性能判断多以粗略的定性分级为主,未给出明确的力学性能量化表征方法;而传统回归分析方法难以综合考量节理形貌多维度特性,岩体力学性能预判精度低。为探寻含节理岩体力学性质智慧量化预测方法,从含单节理岩体入手,广泛调研并收集了130组含单节理岩体单轴抗压强度(UCS),并采用节理倾角θ、节理贯通率k量化节理形貌特征,以弹性模量E及抗压强度σ表征岩石强度,开展基于机器学习的含单节理岩体力学性质智慧预测方法研究。为充分论证机器学习算法在岩体性能预测方面的适用性,引入神经网络、随机森林、支持向量机等多种机器学习算法,并采用分布统计、灰色关联分析等手段遴选关键控制指标,进一步结合k折交叉验证法训练映射网络,在此基础上比较了多种机器学习算法及传统回归分析模型的预测性能。研究结果表明:①统计分析与灰色关联度分析可高效筛选指标组合;②k折交叉验证和多指标评价能有效减少机器学习模型的偶然误差;③整体上特征数量与预测效果成正比,其中支持向量机、随机森林分别为全参量预测和局部参量预测的最佳表现模型;④机器学习模型比经验、半经验得出的传统多元非线性回归模型预测效果更佳,充分展现了其在岩石力学性能智慧判别与预测中的巨大潜力。

关键词：节理岩体单轴抗压强度统计分析灰色关联分析 k折交叉验证机器学习

基于黏聚力弱化边界面模型的深部洞室响应分析

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铁道科学与工程学报 2024年第6期21卷 2396-2405页

作者：梁基冠黄林冲马建军杨宏伟中山大学·深圳航空航天学院广东深圳518107 中山大学土木工程学院(隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室(中山大学)) 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)广东省海洋土木工程重点实验室广东省地下空间开发工程技术研究中心广东珠海519082

在原位地应力和开挖卸载作用下,深部洞室围岩呈现硬化-软化响应,这一特性对洞室力学响应评估和支护结构设计有着重要影响。为研究开挖后深部围岩的硬化-软化响应,基于边界面理论框架,引入黏聚力弱化机制,结合改进的Rowe应力-剪胀规律,... 详细信息

在原位地应力和开挖卸载作用下,深部洞室围岩呈现硬化-软化响应,这一特性对洞室力学响应评估和支护结构设计有着重要影响。为研究开挖后深部围岩的硬化-软化响应,基于边界面理论框架,引入黏聚力弱化机制,结合改进的Rowe应力-剪胀规律,构建了深部围岩黏聚力弱化边界面模型,将常见的屈服面-峰值强度面-残余强度面简化为初始(峰值)边界面-残余边界面,避免了屈服面参数测量误差对计算结果的影响。在该本构模型增量化应力-应变关系的基础上,引入Hencky应变以评估洞室大变形工况,并引入辅助变量完成坐标转换,推导了描述深部圆形洞室周围应力场分布的常微分方程组。进一步地,结合深部圆形洞室的地应力环境等边界条件,对常微分方程组进行求解,获得所研究工况下的深部洞室应力分布,并将所得结果与现有解答进行对比校验。随后,分别讨论了相同支护力与不同地应力组合,以及相同地应力与不同支护应力组合等工况下的洞室应力分布。此外,基于所得深部洞室应力分布解答,计算围岩特征曲线并与相关文献进行对比,并讨论残余黏聚力取值对围岩特征曲线的影响。相关结果表明:黏聚力弱化边界面模型可以较好地描述岩石试样的硬化-软化力学行为。采用黏聚力弱化边界面模型可以有效描述深部洞室周围的应力分布,并能为支护设计提供参考。所得的围岩特征曲线能有效反映围岩的响应特征,在中段同支护力下预测的变形值比经典解答略大,残余黏聚力取值对围岩特征曲线影响较大。本文相关结论可为深部洞室支护理论构建、施工方法研发和保障深部洞室安全提供参考。

关键词：深部洞室黏聚力弱化边界面理论响应围岩特征曲线

基于颗粒非连续变形法的路基桩网结构土拱效应

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科学技术与工程 2024年第7期24卷 2917-2926页

作者：刘启清李诚豪张凌之夏斌靳昆马建军黄林冲广东珠肇铁路有限责任公司广州510000 中山大学土木工程学院珠海519082

桩网路基由于其施工工期短和沉降变形小等优点在中国铁路和公路建设中得到了广泛的应用。为研究桩网路基中土拱效应的机理和影响因素,采用非连续变形分析方法(discontinuous deformation analysis, DDA),通过改变路基高度、桩间净距和... 详细信息

桩网路基由于其施工工期短和沉降变形小等优点在中国铁路和公路建设中得到了广泛的应用。为研究桩网路基中土拱效应的机理和影响因素,采用非连续变形分析方法(discontinuous deformation analysis, DDA),通过改变路基高度、桩间净距和土工格栅参数建立了九种不同模型。结果表明:数值结果与实验结果吻合良好,验证了非连续变形分析方法在模拟路基桩网结构土拱效应上的可行性;随着路基高度的增加,土拱产生的作用逐渐显著,等沉面高度稳定为0.8~0.85倍桩间净距;桩间净距对桩土应力比峰值时刻有明显影响,随着桩间净距的减小,桩顶接受来自路基荷载传递的压力增大,桩土应力比达到峰值的速度加快。桩间净距的减小会导致等沉面高度的下降;加入土工格栅后,桩网结构所产生的桩土应力比与未加入土工格栅的相比更大,说明土工格栅可有效提高路基强度。

关键词：非连续变形分析法路基高度桩间净距桩网路基土拱效应

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基于球面沃罗诺伊的颗粒表面离散与重构方法

工程力学 2022年

作者：吴峰黄林冲赖正首中山大学航空航天学院中山大学智能工程学院

提出了一种基于球面沃罗诺伊、球谐函数及计算机断层扫描的岩土颗粒表面离散与重构方法。该方法在球坐标参数空间采样的基础上，采用带权重的加权球面质心沃罗诺伊对采样点进行自适应分布，并给出了两种表面重构的加权公式：基于径向距... 详细信息

提出了一种基于球面沃罗诺伊、球谐函数及计算机断层扫描的岩土颗粒表面离散与重构方法。该方法在球坐标参数空间采样的基础上，采用带权重的加权球面质心沃罗诺伊对采样点进行自适应分布，并给出了两种表面重构的加权公式：基于径向距离加权和基于曲率加权。该方法适用于如二次曲面或球谐函数等隐式函数描述的颗粒表面的网格化离散，以及通过计算机断层等方法得到的颗粒原始表面的优化重构，其优点是：可以重构得到任意数量节点的表面网格；提供了一种控制表面网格节点分布密度的灵活方法。对重构后的颗粒进行形状参数分析和离散元模拟，分析并验证了该方法应用于颗粒表面离散与重构的有效性与准确性，其可以简化复杂的表面网格、减少颗粒表面节点，同时保证形状参数的误差在较小的范围，显著减少离散元模拟的时间成本，而不影响最终模拟结果。

关键词：岩土工程表面重构离散元沃罗诺伊球谐函数

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摄像机与激光相融合的地表沉降监测方法

中山大学学报（自然科学版）（中英文） 2022年第6期61卷 123-128页

作者：郑野风陈海南黄林冲中山大学航空航天学院广东深圳518107 浙江理工大学信息学院浙江杭州310018

图像包含丰富的场景环境信息,激光具有极佳的测距精度和可靠性,可以补足二维图像中场景的深度信息。利用图像信息与激光的互补性,文章提出了一种摄像机与激光融合的监测方法。该方法基于目标平面方程和摄像机视场偏转角,建立了目标对象... 详细信息

图像包含丰富的场景环境信息,激光具有极佳的测距精度和可靠性,可以补足二维图像中场景的深度信息。利用图像信息与激光的互补性,文章提出了一种摄像机与激光融合的监测方法。该方法基于目标平面方程和摄像机视场偏转角,建立了目标对象的二维像素坐标到三维空间坐标的转换方法,实现了基础设施结构健康监测任务中对目标地表沉降的自动化监测。最后,通过实验对提出的自动化地表沉降监测方法进行了验证。实验结果的平均相对误差为4.6%,并且在不同监测距离上都能够获得稳定的监测结果。

关键词：地表沉降结构健康监测相机激光融合摄影测量图像处理

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地铁隧道上方近距离爆炸动力响应研究

铁道科学与工程学报 2023年第6期20卷 2246-2255页

作者：马建军李诚豪关俊威陈万祥黄林冲中山大学土木工程学院广东珠海519082 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519082

随着我国城市化和工业化的不断推进,城市人口规模日益增大,为缓解交通压力而修建的地下轨道交通成为大中城市日常出行的重要交通方式。地铁隧道作为一种深埋在地下的构筑物,保障其结构安全有着重要的意义。在隧道运营期间,恐怖袭击和燃... 详细信息

随着我国城市化和工业化的不断推进,城市人口规模日益增大,为缓解交通压力而修建的地下轨道交通成为大中城市日常出行的重要交通方式。地铁隧道作为一种深埋在地下的构筑物,保障其结构安全有着重要的意义。在隧道运营期间,恐怖袭击和燃气管道爆炸等近距离爆炸会对隧道结构的稳定性造成巨大的影响。研究隧道在近距离爆炸作用下的破坏机理,并参考制定切实可行的防护措施和处置预案对确保隧道安全营运有重要意义。采用自研的数值模拟软件与工程实际相结合的方式开展研究。首先通过深埋隧道爆炸动力响应特征模型试验,对后续计算中采用的连续−非连续数值计算方法进行了验证。以广州地铁9号线某区段为例,建立4D-LSM数值计算模型,分析不同爆炸压力、隧道−爆源距离、有无衬砌等条件下的隧道动力响应及破坏特征。计算结果显示:受上方爆炸作用后,隧道拱顶、拱底左右两侧区域和隧道拱腰区域出现严重破坏;当爆源与隧道拱顶距离减小到一定值后,隧道破坏程度发生显著改变,可依据不同的响应特征划分破坏等级,并采取不同的防护措施。在相同爆压下,由于衬砌的支护作用,隧道拱顶振速减小,说明衬砌结构对隧道抗爆能力具有提升作用;爆炸压力越大,衬砌对爆炸冲击波的削弱作用越明显。

关键词：连续−非连续力学 4D-LSM 爆炸冲击波动力响应

一种基于四边形面积坐标的四结点平面参变量单元

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工程力学 2014年第7期31卷 15-22页

作者：李根黄林冲中山大学工学院应用力学与工程系广州510275

基于四边形面积坐标和广义协调原理,通过投影技术,并引入0~1区间上可连续变化的罚因子β,构造了一款具有统一格式的四结点平面参变量单元AQGβ6-I。通过4组数值算例测试了单元性能,并将计算结果与许多著名单元对比表明:β=0时,单元退化... 详细信息

基于四边形面积坐标和广义协调原理,通过投影技术,并引入0~1区间上可连续变化的罚因子β,构造了一款具有统一格式的四结点平面参变量单元AQGβ6-I。通过4组数值算例测试了单元性能,并将计算结果与许多著名单元对比表明:β=0时,单元退化为原始格式,具有原始单元的全部优良性能;β=1时,单元可以精确通过强分片检验,此时性能与许多著名单元基本相当,显著优于传统平面四结点等参单元(Q4);β=0.5时,单元兼具较好的抗网格畸变能力和收敛速度。单元的构造方式对缓解一个有限元难题(通过常分片检验的四结点单元在弯曲问题中表现欠佳,而在弯曲问题中表现非常好的单元无法通过强分片检验)提供了有益思路。

关键词：四边形面积坐标广义协调四结点四边形单元分片检验网格畸变有限元

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应力-剪胀关系比较与岩石应力-剪胀关系研究

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西南交通大学学报 2023年

作者：梁基冠黄林冲马建军陈万祥陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室中山大学.深圳航空航天学院中山大学土木工程学院(南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)广东省海洋土木工程重点实验室广东省地下空间开发工程技术研究中心)

为研究典型应力-剪胀关系对常见岩土材料力学响应的预测效果，构建适合岩石材料的应力-剪胀关系，提升本构模型的准确性，本文结合试验数据对典型应力-剪胀关系展开对比分析，并构建适用于岩石的应力剪胀关系模型。首先基于热动力学框... 详细信息

为研究典型应力-剪胀关系对常见岩土材料力学响应的预测效果，构建适合岩石材料的应力-剪胀关系，提升本构模型的准确性，本文结合试验数据对典型应力-剪胀关系展开对比分析，并构建适用于岩石的应力剪胀关系模型。首先基于热动力学框架和能量守恒方程，梳理了三种典型的应力-剪胀关系模型，并将多种岩土材料的应力-剪胀数据与典型应力-剪胀关系进行对比；随后以Rowe剪胀关系模型为基本框架，考虑多种因素影响，提出了适用于岩石的改进Rowe应力-剪胀关系模型，并分析了所提模型对试验数据的拟合效果，并对比所提模型和变剪胀角模型对加载过程剪胀角演化的模拟效果；最后将修正Rowe剪胀关系与修正剑桥模型耦合，并与经典的修正剑桥模型的模拟结果和试验数据进行对比校验。研究结果表明：由于黏聚力的影响，基于纯摩擦假设推导的经典应力-剪胀关系无法准确描述含黏聚力岩土材料的应力-剪胀响应；修正Rowe剪胀关系模型可以有效反映岩石的应力-剪胀响应，并能模拟数据中的“回旋勾”现象；本文提出的应力-剪胀关系模型不仅形式简洁，且参数数量较变剪胀角模型少；应用本文所提的修正Rowe剪胀关系模型可以提升本构模型在变形预测方面的准确性。

关键词：应力-剪胀关系岩石黏聚力剪胀角模型