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Effects of data smoothing and recurrent neural network(RNN)algorithms for real-time forecasting of tunnel boring machine(TBM)performance

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第5期16卷 1538-1551页

作者： Feng Shan Xuzhen He Danial Jahed Armaghani daichao sheng School of Civil and Environmental Engineering University of Technology SydneyNSW2007Australia

Tunnel boring machines(TBMs)have been widely utilised in tunnel construction due to their high efficiency and *** predicting TBM performance can improve project time management,cost control,and risk *** study aims to use deep learning to develop real-time models for predicting the penetration rate(PR).The models are built using data from the Changsha metro project,and their performances are evaluated using unseen data from the Zhengzhou Metro *** one-step forecast,the predicted penetration rate follows the trend of the measured penetration rate in both training and *** autoregressive integrated moving average(ARIMA)model is compared with the recurrent neural network(RNN)*** results show that univariate models,which only consider historical penetration rate itself,perform better than multivariate models that take into account multiple geological and operational parameters(GEO and OP).Next,an RNN variant combining time series of penetration rate with the last-step geological and operational parameters is developed,and it performs better than other models.A sensitivity analysis shows that the penetration rate is the most important parameter,while other parameters have a smaller impact on time series *** is also found that smoothed data are easier to predict with high ***,over-simplified data can lose real characteristics in time *** conclusion,the RNN variant can accurately predict the next-step penetration rate,and data smoothing is crucial in time series *** study provides practical guidance for TBM performance forecasting in practical engineering.

关键词： Tunnel boring machine(TBM) Penetration rate(PR) Time series forecasting Recurrent neural network(RNN)

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动静组合加载下颗粒迁移与沉积特性试验研究

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岩土工程学报 2024年第5期46卷 1057-1066页

作者：高峰张军辉张升郑健龙盛岱超长沙理工大学交通运输工程学院公路养护技术国家工程研究中心湖南长沙410114 青海省交通控股集团有限公司科技信息部青海西宁810000 中南大学土木工程学院高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075 悉尼科技大学土木与环境工程学院悉尼NSW2007

悬浮颗粒在路基中迁移和沉积运动规律研究对揭示翻浆冒泥病害孕育、发展与致灾机制具有重要的理论意义和应用价值。通过开展动-静组合荷载下分层砾石-砂粉土柱翻浆试验,探究了动荷载加载强度、静荷载间歇时长、以及动静组合加载重复次... 详细信息

悬浮颗粒在路基中迁移和沉积运动规律研究对揭示翻浆冒泥病害孕育、发展与致灾机制具有重要的理论意义和应用价值。通过开展动-静组合荷载下分层砾石-砂粉土柱翻浆试验,探究了动荷载加载强度、静荷载间歇时长、以及动静组合加载重复次数等对颗粒迁移和沉积行为的影响规律,并结合试样动水力响应特征分析了诱发颗粒迁移的驱动机制。试验结果表明:颗粒在动水力作用下发生悬浮迁移而在静荷载段受重力作用发生沉降,从而造成砾石层内泥浆浊度呈现波动型增长特征。随动静组合加载重复次数增加,每一个重复周期内的颗粒悬浮增量趋于降低,且悬浮颗粒逐渐堵塞砾石孔隙并在一定程度上抑制翻浆发展。提高动载频率和动应力会进一步降低砂粉土表层的内部稳定性,但相比于增大平均动应力,提高加载频率对增大颗粒迁移量和竖向迁移距离更加显著。

关键词：翻浆冒泥室内试验颗粒迁移超孔隙水压

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Frost susceptibility of soils——A confusing concept that can misguide geotechnical design in cold regions

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Research in Cold and Arid Regions 2021年第2期13卷 87-94页

作者： daichao sheng School of Civil&Environmental Engineering University of Technology SydneySydney Australia National Engineering Laboratory for High-Speed Railway Construction Central South UniversityChangshaHunan 430074China

Frost susceptibility is a concept widely used in cold region geotechnical design, to quantify the capacity of a soil in generating frost heave and frost damage. The laboratory test used to verify frost susceptibility of a soil is based on the measurement of frost heave generated in the soil under specific conditions. In reality this concept is, however, more related to the soil's potential to thaw weakening than to frost heave. Recent experimental studies show that frost non-susceptible soils like clean sand and clean gavel can also generate much ice segregation and frost heave if the conditions are favourable, hence challenging the usefulness and suitability of soil classification based on frost susceptibility. It is further shown that the concept is not suitable for design scenarios where frost heave itself is a serious hazard, such as in high-speed rail embankments.

关键词： frost susceptibility frost heave thaw weakening high-speed rail

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Unanswered questions in unsaturated soil mechanics

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Science China(Technological Sciences) 2013年第5期56卷 1257-1272页

作者： sheng daichao ZHANG sheng YU ZhiWu School of Civil Engineering Central South University The University of Newcastle

The last two to three decades have seen significant advances in the mechanics of unsaturated *** is now widely recognized that the fundamental principles in soil mechanics must cover both saturated and unsaturated ***,there is still a great deal of uncertainties in the geotechnical community about how soil mechanics principles well-established for saturated soils can be extended to unsaturated *** is even wide skepticism about the necessity of such extension in engineering *** paper discusses some common pitfalls related to the fundamental principles that govern the volume change,shear strength and hydromechanical behaviour of unsaturated *** also attempts to address the issue of engineering relevance of unsaturated soil mechanics.

关键词： unsaturated soils constitutive modeling volume change shear strength engineering applications

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Effect of microlimestone on properties of self-consolidating concrete with manufactured sand and mineral admixture

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Frontiers of Structural and Civil Engineering 2020年第6期14卷 1545-1560页

作者： Fulin Qu Wengui Li Xiaohui Zeng Zhiyu Luo Kejin Wang daichao sheng School of Civil and Environmental Engineering University of Technology SydneySydney NSW 2007Australia School of Civil Engineering Central South UniversitChangsha 410075China Department of Civil Construction and Environmental Engineeringlowa State UniversityAmesIA 50011USA

Self-consolidating concrete(SCC)with manufactured sand(MSCC)is crucial to guarantee the quality of concrete construction technology and the associated *** properties of MSCC with different microlimestone powder(MLS)replacements of retreated manufactured sand(TMsand)are investigated in this *** result indicates that high-performance SCC,made using TMsand(TMSCC),achieved high workability,good mechanical properties,and durability by optimizing MLS content and adding fy ash and silica *** particular,the TMSCC with 12%MLS content exhibits the best workability,and the TMSCC with 4%MLS content has the highest strength in the late age,which is even better than that of SCC made with the river sand(R sand).Though MLS content slightly affects the hydration reaction of cement and mainly plays a role in the nucleation process in concrete structures compared to silica fume and fly ash,increasing MLS content can evidently have a significant impact on the early age hydration *** with MLS content ranging from 8%to 12%may be a suitable alternative for the Rsand used in the SCC as fine *** obtained results can be used to promote the application of SCC made with manufactured sand and mineral admixtures for concrete-based infrastructure.

关键词： microlimestone powder manufactured sand retreated manufactured sand self-consolidating concrete mineral admixture

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土体冻胀敏感性评价

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岩石力学与工程学报 2014年第3期33卷 594-605页

作者：盛岱超张升贺佐跃中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075

假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分... 详细信息

假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的"有效应力"的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。

关键词：土力学冻胀冰透镜体冻胀敏感性上覆压力地下水位

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冻土未冻水含量与电导率的关系研究

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岩石力学与工程学报 2021年第5期40卷 1068-1079页

作者：罗豪良滕继东张升盛岱超中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程试验室湖南长沙410075

冻土中未冻水与冰含量的确定是困扰寒区岩土工程研究的难题之一。通过对冻土的电导率进行测试,研究冻土电导率对含水率和温度的响应规律。试验结果表明,正温下电导率与温度的关系不能直接应用于负温条件,传统简单等效的方法会导致较大... 详细信息

冻土中未冻水与冰含量的确定是困扰寒区岩土工程研究的难题之一。通过对冻土的电导率进行测试,研究冻土电导率对含水率和温度的响应规律。试验结果表明,正温下电导率与温度的关系不能直接应用于负温条件,传统简单等效的方法会导致较大误差。基于冻土的导电理论建立冻土未冻水含量的电导率模型,实现了土体电导率模型在正温和负温区间的统一。分析孔隙电导率和表面电导率对总电导率的影响规律,论述了在冻结过程中可在误差允许范围内忽略孔隙电导率部分。并结合土体的冻结特征曲线数据,对简化的电导率模型进行试验验证,结果表明提出的模型与测试数据具有很好的吻合度,新模型简洁、有效。

关键词：土力学非饱和土孔隙电导率表面电导率双电层阳离子交换量

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基于冻胀量与时间平方根之比确定冻胀分级的探讨

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岩土工程学报 2023年第12期45卷 2519-2528页

作者：何浩松滕继东张升盛岱超中南大学土木工程学院湖南长沙410075 高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075 悉尼科技大学土木与环境工程学院悉尼2007

冻胀分级指标是寒区基础工程设计和冻胀防治的关键指标,目前既有方法多认为冻胀分级是材料的一种基本属性,常使用经验或半经验的分级指标表示土体冻胀能力,但缺乏理论支撑。而冻胀试验复杂、耗时长,不利于指标测试。为提出合理简单的冻... 详细信息

冻胀分级指标是寒区基础工程设计和冻胀防治的关键指标,目前既有方法多认为冻胀分级是材料的一种基本属性,常使用经验或半经验的分级指标表示土体冻胀能力,但缺乏理论支撑。而冻胀试验复杂、耗时长,不利于指标测试。为提出合理简单的冻胀分级指标,首先从冻胀机制角度出发,建立非饱和土冻胀解析模型,并对模型进行了验证。基于该模型提出了以冻胀量和时间平方根之比作为确定冻胀分级的新指标R(mm/h^(0.5)),并以大量冻胀试验结果为依据,提出当R1.18时,对应强冻胀等级。此外利用统计概率分析了冻胀过程中各指标数值的概率密度分布,发现新指标R在冻胀过程的集中程度和稳定性是最高的。新指标R具有理论基础,同时耦合了土性参数和冻结环境因素,突破了既有冻胀分级指标的局限性,完善了现有冻胀分级体系,为寒区工程设计和冻胀防治提供理论依据。

关键词：冻胀分级机制土性参数冻结环境因素新指标R

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基于分数阶热弹塑性理论的软岩力学特性描述

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岩石力学与工程学报 2020年第7期39卷 1311-1320页

作者：李海潮马博张升盛岱超中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075 悉尼科技大学土木与环境工程学院澳大利亚悉尼NSW 2007

软岩具有复杂的热力学行为,可能同时存在热增强和热减弱效应,即软岩的强度会随着温度升高增大或减小。为了描述软岩的力学特性,将其视作重超固结黏土,并假定其前期固结应力近似的等于单轴抗剪强度。基于分数阶热弹塑性理论,建立考虑温... 详细信息

软岩具有复杂的热力学行为,可能同时存在热增强和热减弱效应,即软岩的强度会随着温度升高增大或减小。为了描述软岩的力学特性,将其视作重超固结黏土,并假定其前期固结应力近似的等于单轴抗剪强度。基于分数阶热弹塑性理论,建立考虑温度影响的软岩分数阶下加载面模型,该模型能够在不引入塑性势函数的情况下统一描述相关联和非相关的流动法则。模型计算结果表明,软岩的热增强和热减弱效应与软岩的塑性流动方向和加载方向之间的夹角密切相关。在三轴压缩不排水试验过程中,采用非关联的流动法则会导致软岩的应力路径越过其临界状态线并最终达到临界状态,此时软岩的不排水剪切强度会随着温度的升高而逐渐上升;反之,则将观察到热减弱现象。此外,由于软岩的前期固结应力会随着温度的升高而减小,在p-q平面其初始下加载面可能会位于温度加载面外部,此时超固结比OCR将小于1。给出的模型能够合理地描述常温下太古石的三轴压缩排水试验结果,分析结果表明,软岩的应力-应变曲线具有应变硬化和软化特点,同时伴随着剪缩和剪胀现象的发生;针对不同温度下Ohya软岩的三轴压缩排水试验计算结果表明,随着温度的升高,软岩将逐渐由脆性破坏转变为延性破坏,其最终剪胀量也会随之减小。相比较修正剑桥模型,本文模型仅额外的引入了线膨胀系数aT和与软岩剪胀特性相关的模型参数m,两者具有明确的物理意义,可以通过常规的室内试验结果加以确定。

关键词：岩石力学分数阶微分软岩连续方程

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粗粒土颗粒破碎的级配转移矩阵研究

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岩石力学与工程学报 2021年第7期40卷 1504-1512页

作者：董宗磊童晨曦张升盛岱超中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075

级配转移矩阵通过建立颗粒破碎前后各粒径百分含量向量的关系,能有效地描述粗粒土破碎过程中的级配演化。现有的级配转移矩阵忽略了不同粒径组颗粒的破碎差异,且不能考虑颗粒发生诸如研磨等现象后其粒径分组未改变的情况。为此,提出一... 详细信息

级配转移矩阵通过建立颗粒破碎前后各粒径百分含量向量的关系,能有效地描述粗粒土破碎过程中的级配演化。现有的级配转移矩阵忽略了不同粒径组颗粒的破碎差异,且不能考虑颗粒发生诸如研磨等现象后其粒径分组未改变的情况。为此,提出一种新的级配转移矩阵求解方法:首先基于大量的单颗粒点荷载试验,提出能够描述单颗粒破碎后子颗粒粒径分布的Hill分布函数;在此基础上,将单颗粒的破碎演化规律引入到离散元模拟中,基于子颗粒替代法,对不同粒径组颗粒采用相应的阿波罗填充模式,开展一系列多粒径组试样的一维压缩试验,最后通过追踪各粒径子颗粒来源,求解土体级配转移矩阵。该研究克服了传统数值方法中子颗粒数量和粒径分布选择较为主观的缺点,可较好地反映不同粒径组颗粒的破碎演化规律。

关键词：土力学粗粒土级配转移矩阵点荷载试验 Hill分布离散元法

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