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Undrained vane shear strength of sand-foam mixtures subjected to different shear rates

Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2023年第6期15卷 1591-1602页

作者： jiazheng zhong Shuying Wang Tongming Qu School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha410075China Tunnel and Underground Engineering Research Center Central South UniversityChangsha410075China Department of Civil and Environmental Engineering The Hong Kong University of Science and TechnologyClearwater BayHong KongChina

The shear strength of sand-foam mixtures plays a crucial role in ensuring successful earth pressure balance(EPB)shield *** the sand-foam mixtures are constantly sheared by the cutterhead and the screw conveyor with varied rotation speeds during tunneling,it is non-trivial to investigate the effect of shear rates on the undrained shear strength of sand-foam mixtures under chamber pressures to extend the understanding on the tunneling *** study conducted a series of pressurized vane shear tests to investigate the role of shear rates on the peak and residual strengths of sand-foam mixtures at different pore *** from the shear-rate characteristics of natural sands or clay,the results showed that the peak strength of sand-foam mixtures under high vertical total stress(σ_(v)≥200 kPa)and low foam injection ratio(FIR30%)decreased with the increase in shear ***,the peak strength was not measurably affected by shear *** sand-foam mixtures in the residual state resembled low-viscous fluid with yield stress and the residual strength increased slightly with shear *** addition,the peak and residual strengths were approximately linear with vertical effective stress regardless of the total stress and *** peak effective internal friction angle remained almost invariant in a low shear rate(γ′<0.25 s1)but decreased when the shear rate continued *** residual effective internal friction angle was lower than the peak counterpart and insensitive to shear *** study unveiled the role of shear rates in the undrained shear strength of sand-foam mixtures with various FIRs and vertical total *** findings can extend the understanding of the rate-dependent shear characteristics of conditioned soils and guide the decision-making of soil conditioning schemes in the EPB shield tunneling practice.

关键词： Sand-foam mixture Shear rate Peak and residual strengths Effective stress Effective internal friction angle

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Influence factors and calculation model of the adhesion strength of clayey soil for EPB shield tunnelling

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Transportation Safety and Environment 2022年第3期4卷 55-64页

作者： Shuying Wang Pengfei Liu jiazheng zhong Zhunlin Ni Tongming Qu School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha 410075HunanChina CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd. Wuhan 430012HubeiChina Institute of Rock and Soil Mechanics Chinese Academy of ScienceWuhan 430061HubeiChina Zienkiewicz Centre for Computational Engineering College of EngineeringSwansea UniversitySwansea SA18EPWalesUK.

When earth pressure balance (EPB) shield tunnels are constructed through clayey ground, the soil adheres to the cutter, cutterheadand chamber bulkhead due to the high adhesion strength between the steel and the clay, thus clogging the shield. To investigatethe influence of different factors on the adhesion strength, this study used montmorillonite, kaolin and mixtures of the two as testsoils. The adhesion strength between the steel and clay is determined with a customized rotary shear apparatus. The results showthat when the consistency index of the soil specimen is less than 1, the adhesion strength between the steel and clay increaseswith the consistency index. As the consistency index decreases, the effect of the normal pressure on the adhesion strength graduallyweakened. As the contact angle of the shear plate increases, thus reducing the hydrophilicity, the adhesion strength decreases. Whenthe soil specimens with different plasticity index values have the same consistency index value, the adhesion strengths are *** adhesion strength increases gradually with increasing surface roughness. Based on grey incidence analysis, the order of thefactors affecting the adhesion strength is as follows: normal pressure > consistency index > contact angle > plasticity index ≈ surfaceroughness. The normal pressure, consistency index and contact angle all have important effects on the adhesion strength betweensteel and clay. However, because there are no large differences in the contact angle among the metal materials, the approximateadhesion strength can be calculated by considering the effects of only the normal pressure and consistency index. Themeasures thatare effective for preventing EPB shield clogging are increasing the soil softness and decreasing the hydrophilicity of the cutterheadby applying new materials for the cutters and cutterhead.

关键词： Earth pressure balance(EPB)shield clayey soil adhesion strength grey theory

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土压平衡盾构改良渣土坍落度试验与理论研究综述

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现代隧道技术 2023年第2期60卷 1-13页

作者：刘霆宇王树英钟嘉政中南大学土木工程学院长沙410075 中南大学隧地工程研究中心长沙410075 轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室长沙410075

针对土压平衡盾构改良渣土坍落度试验,从改良渣土合适坍落状态指标、改良渣土坍落度影响因素及机理、坍落度试验流变理论和坍落度试验数值仿真4个方面,详细剖析了国内外坍落度试验技术、理论与数值计算发展动态,总结既有研究不足,并提... 详细信息

针对土压平衡盾构改良渣土坍落度试验,从改良渣土合适坍落状态指标、改良渣土坍落度影响因素及机理、坍落度试验流变理论和坍落度试验数值仿真4个方面,详细剖析了国内外坍落度试验技术、理论与数值计算发展动态,总结既有研究不足,并提出了研究方向建议:基于坍落发展全过程提出渣土改良状态新型评价指标;探究泡沫衰变、渣土化学特性和矿物成分对坍落度的影响规律和内在机理;完善描述改良渣土坍落行为的流变理论模型,构建坍落度与流变参数的映射关系;研究改良渣土坍落度与带压状态流动行为及流变参数的联系。

关键词：土压平衡盾构渣土改良综述坍落度流变学

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基于有效应力原理的泡沫改良粗粒土不排水残余剪切强度计算模型

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岩土工程学报 2023年第12期45卷 2614-2623页

作者：钟嘉政王树英冯志耀朱汉标中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学隧地工程研究中心湖南长沙410075 中南大学轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室湖南长沙410075

泡沫常用于土压平衡盾构渣土改良,流动性良好的泡沫改良粗粒渣土有利于盾构进排土顺畅和土舱压力传递,进而避免地层过大变形和失稳。从泡沫改良粗粒土不排水压缩和剪切机理出发,推导了不排水条件下带压泡沫改良粗粒土流动大变形后的残... 详细信息

泡沫常用于土压平衡盾构渣土改良,流动性良好的泡沫改良粗粒渣土有利于盾构进排土顺畅和土舱压力传递,进而避免地层过大变形和失稳。从泡沫改良粗粒土不排水压缩和剪切机理出发,推导了不排水条件下带压泡沫改良粗粒土流动大变形后的残余剪切强度统一理论模型。首先基于理想气体定律和土的有效应力-应变双曲线方程求解不排水一维压缩时的有效应力,然后推导不排水剪切引起的超孔隙压力和残余状态下剪切强度与有效应力的关系式,再构建剪切速率相关的残余剪切强度计算模型。采用不排水加压十字板剪切试验验证了计算模型的准确性,试验值与理论值的平均误差约10%,表明该计算模型可用于确定泡沫改良粗粒土连续流动时的残余剪切强度。最后开展了影响因素分析,竖向总应力增大能提高残余剪切强度,而泡沫注入比增加能降低残余剪切强度;残余状态下流动大变形泡沫改良粗粒土的屈服应力和塑性黏度均与竖向总应力呈正相关,而与泡沫注入比呈负相关。

关键词：泡沫改良粗粒土剪切大变形连续流动有效应力率相关残余剪切强度不排水加压十字板剪切试验

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考虑黏土蠕变特性的大埋深盾构复推总推力增量解析解研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第1期55卷 139-150页

作者：王树英钟嘉政付循伟龚振宇中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学隧地工程研究中心湖南长沙410075 中南大学轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室湖南长沙410075 中国土木工程集团有限公司北京100038 中铁五局集团电务工程有限责任公司湖南长沙410205

由于黏土存在蠕变效应,黏土地层中盾构长时间停机会诱发盾构复推总推力增量过大、盾构姿态难以控制、管片易破损等次生风险等问题,将黏土地层视为Burgers黏弹性体,构建考虑地层应力和蠕变特性的大埋深圆截面隧洞简化力学模型,根据黏弹... 详细信息

由于黏土存在蠕变效应,黏土地层中盾构长时间停机会诱发盾构复推总推力增量过大、盾构姿态难以控制、管片易破损等次生风险等问题,将黏土地层视为Burgers黏弹性体,构建考虑地层应力和蠕变特性的大埋深圆截面隧洞简化力学模型,根据黏弹性理论推导盾壳-地层径向接触应力的黏弹性解,进而通过积分和分段计算求解复推总推力增量与停机时间的理论关系式。结合水工盾构隧洞停机实例,对比复推总推力增量实际值与理论值。研究结果表明:复推总推力增量实际值与理论值平均相对误差为13.81%,验证了该解析解的可靠性;隧洞埋深越大,复推总推力增量越大,表明大埋深段停机需更关注复推推力控制;盾壳-地层界面摩阻力随超挖间隙增大而减小,而复推总推力增量随之增大;此外,总推力增量随着盾壳-地层界面摩擦因数减小而显著减小。因此,设置合适的超挖间隙和长时间停机时采取往盾壳外注入膨润土等润滑减阻措施能有效预防大埋深段停机的次生风险。

关键词：黏土蠕变特性盾壳-地层接触应力复推总推力增量超挖间隙摩擦因数

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泡沫改良砾砂渣土力学行为与流变模型研究

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哈尔滨工业大学学报 2021年第11期53卷 84-92页

作者：钟嘉政王树英刘朋飞王海波中南大学土木工程学院长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学) 长沙410075

正确认识土压平衡盾构渣土力学行为特征是优化渣土改良方案、确保盾构开挖面稳定和高效掘进的重要前提,为此,针对砾砂地层盾构改良渣土,采用加压式十字板剪切仪,通过不排水侧限压缩试验,揭示泡沫改良砾砂法向压力-压缩应变的关系;通过... 详细信息

正确认识土压平衡盾构渣土力学行为特征是优化渣土改良方案、确保盾构开挖面稳定和高效掘进的重要前提,为此,针对砾砂地层盾构改良渣土,采用加压式十字板剪切仪,通过不排水侧限压缩试验,揭示泡沫改良砾砂法向压力-压缩应变的关系;通过多工况十字板剪切试验,探究泡沫改良砾砂的剪切变形全过程,分析其峰值和残余剪切强度的大小及影响因素。试验结果发现泡沫改良砾砂符合可压非牛顿流体的特征,因此,基于流变学建立泡沫改良砾砂的可压缩宾汉姆流体本构模型,拟合并分析改良土的流体压缩系数、不同法向压力下的流变参数(屈服应力、塑性黏度),并提出其密度和峰值及残余剪切强度流变参数的压力相关性公式。研究成果可提升对带压环境下泡沫改良砾砂渣土力学行为特征的认识,并为描述盾构渣土宏观流动变形的计算流体力学数值模拟提供理论依据。

关键词：土压平衡盾构泡沫改良砾砂不排水侧限压缩试验十字板剪切试验可压缩宾汉姆流体

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基于激光扫描技术的盾构渣土改良状态自动识别方法

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第10期54卷 3975-3986页

作者：周子豪王树英钟嘉政倪准林瞿同明中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学隧地工程研究中心湖南长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室中南大学湖南长沙410075 香港科技大学土木与环境工程系中国香港999077

为促进渣土改良状态评价方法向着规范化、自动化的方向发展,提出一种基于激光扫描技术的盾构渣土改良状态快速自动识别方法。针对不同含水率和泡沫注入比的粗粒土试样开展坍落度试验,采用激光扫描仪获得坍落体中心位置竖向截面轮廓点云... 详细信息

为促进渣土改良状态评价方法向着规范化、自动化的方向发展,提出一种基于激光扫描技术的盾构渣土改良状态快速自动识别方法。针对不同含水率和泡沫注入比的粗粒土试样开展坍落度试验,采用激光扫描仪获得坍落体中心位置竖向截面轮廓点云数据,并通过计算机提取截面轮廓几何特征点,获得试样的坍落度和割线角,建立以坍落度和割线角的合适范围作为合适改良状态评价指标的自动识别方法。研究结果表明:采用坍落度和坍落体割线角可以准确识别改良粗粒土的改良状态;相对于传统坍落度试验,该方法的突出优点是可自动扫描并快速识别渣土的改良状态;室内坍落度试验结果验证了该方法对粗粒土试样改良状态识别的有效性,可为研究盾构水平传送带上渣土截面轮廓几何特征和渣土改良状态识别提供参考。

关键词：渣土改良坍落度割线角自动识别激光扫描技术

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泡沫混合土中颗粒间黏结强度理论计算方法

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第4期53卷 1320-1330页

作者：刘正日王树英王海波钟嘉政瞿同明中南大学土木工程学院湖南长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室中南大学湖南长沙410075 斯旺西大学辛克维奇工程计算中心英国斯旺西SA18EP

盾构掘进往往需要注入泡沫来提高砂土颗粒间黏结力、改善砂性渣土塑流性。为了了解这种泡沫混合土的细观力学特征,对泡沫混合土中颗粒间黏结强度这一关键参数的理论计算方法进行研究。基于能量守恒原理,首先推导泡沫−泡沫与砂土−泡沫颗... 详细信息

盾构掘进往往需要注入泡沫来提高砂土颗粒间黏结力、改善砂性渣土塑流性。为了了解这种泡沫混合土的细观力学特征,对泡沫混合土中颗粒间黏结强度这一关键参数的理论计算方法进行研究。基于能量守恒原理,首先推导泡沫−泡沫与砂土−泡沫颗粒间的抗拉强度计算解析式,揭示颗粒间抗拉强度与泡沫颗粒粒径、表面张力的关系。然后,通过试验测定颗粒间的抗拉强度。研究结果表明:颗粒间抗拉强度随泡沫颗粒粒径及溶液质量分数增加而减小,其中泡沫颗粒粒径的影响更加明显;颗粒间抗拉强度理论计算结果和试验结果相对误差不超过10%,证明解析式能较好地计算泡沫−泡沫、泡沫−砂土颗粒间的抗拉强度,可为离散元数值模拟中颗粒平行黏结模型中黏结强度参数的确定提供理论依据。

关键词：砂性土泡沫颗粒接触黏结强度

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Empowering highway network:Optimal deployment and strategy for dynamic wireless charging lanes

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Communications in Transportation Research 2023年第1期3卷 176-186页

作者： Mingyang Pei Hongyu Zhu jiazheng Ling Yi Hu Handong Yao Lingshu zhong School of Civil Engineering and Transportation South China University of TechnologyGuangzhou510640China Boyd Research and Education Center University of GeorgiaAthens30602USA School of Systems Science and Engineering Sun Yat-Sen UniversityGuangzhou510399China

Amid escalating energy crises and environmental pressures,electric vehicles(EVs)have emerged as an effective measure to reduce reliance on fossil fuels,combat climate change,uphold sustainable energy and environmental development,and strive towards carbon peaking and neutrality *** study introduces a nonlinear integer programming model for the deployment of dynamic wireless charging lanes(DWCLs)and EV charging strategy joint optimization in highway *** into account established charging resources in highway service areas(HSAs),the nonlinear charging characteristics of EV batteries,and the traffic capacity constraints of *** model identifies the deployment of charging facilities and the EV charging strategy as the decision-making variables and aims to minimize both the DWCL construction and user charging *** ensuring that EVs maintain an acceptable state of charge(SoC),the model combines highway EV charging demand and highway EV charging strategy to optimize the DWCL deployment,thus reducing the construction cost of wireless charging facilities and user charging *** efficacy and universality of the model are demonstrated using the classical Nguyen-Dupius network as a numerical example and a real-world highway network in Guangdong Province,***,a sensitivity analysis is conducted to corroborate the stability of the *** results show that the operating speed of EVs on DWCLs has the largest impact on total cost,while battery capacity has the *** comprehensive study offers vital insights into the strategic deployment of DWCLs,promoting the sustainable and efficient use of EVs in highway networks.

关键词： Electric vehicle Dynamic wireless charging lane Charging strategy Nonlinear charging characteristics Optimal deployment

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Research on Network Cognition Model and Mechanism of Intelligent Information Network

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China Communications 2023年第2期20卷 257-277页

作者： Nannan Dong Hao Yin Baoquan Ren Hongjun Li Xiangwu Gong Xudong zhong Junmei Han jiazheng Lyu College of Intelligent Systems Science and Engineering Harbin Engineering UniversityHarbin 150001China Institute of Systems Engineering AMSPLABeijing 100000China

Intellectualization has been an inevitable trend in the information network,allowing the network to achieve the capabilities of self-learning,self-optimization,and self-evolution in the dynamic *** to the strong adaptability to the environment,the cognitive theory methods from psychology gradually become an excellent approach to construct the intelligent information network(IIN),making the traditional definition of the intelligent information network no longer ***,the thinking capability of existing IINs is always *** paper redefines the intelligent information network and illustrates the required properties of the architecture,core theory,and critical technologies by analyzing the existing intelligent information ***,we innovatively propose a novel network cognition model with the network knowledge to implement the intelligent information *** proposed model can perceive the overall environment data of the network and extract the knowledge from the *** the model’s core,the knowledge guides the model to generate the optimal decisions adapting to the environmental *** last,we present the critical technologies needed to accomplish the proposed network cognition model.

关键词： intelligent information network network cognition multi-domain perception network knowledge

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