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高速铁路路基填料智能振动压实系统研制与试验研究

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铁道学报 2024年第6期46卷 138-147页

作者：谢康陈晓斌肖宪普李泰灃张千里尧俊凯中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043

针对现有振动压实设备的局限性,研制一种振动参数调节广、能够实时监测填料干密度的室内智能振动压实设备,并进一步量化评估填料压实状态动刚度和强度的新指标。基于振动理论,揭示室内振动压实设备稳定工作机制,提出振动参数动态优化方... 详细信息

针对现有振动压实设备的局限性,研制一种振动参数调节广、能够实时监测填料干密度的室内智能振动压实设备,并进一步量化评估填料压实状态动刚度和强度的新指标。基于振动理论,揭示室内振动压实设备稳定工作机制,提出振动参数动态优化方法,基于表面沉降理论提出干密度实时计算方法,结合压密曲线建立压实性能评估方法,分别从滞后角修正刚度理论和相似修正强度理论,提出刚度和强度等力学指标对压实状态进行综合评估方法;研发室内振动压实系统以及数据采集分析软件,分析系统部件的工作性能和指标的测试计算方法;最后,开展室内振动压实试验。研究结果发现,增大容器直径和设备自重可显著提高填料干密度;当系统处于共振频率下,填料动刚度减小,承载能力增大;基于振动参数动态优化方法,能够有效减少30%振动能量输出,进一步提高压实效率,减少压实器械磨损及颗粒破碎。研究成果有助于加深对振动压实成型机理的分析,为振动压实试验方法在高速铁路路基建设中推广应用提供理论基础。

关键词：高速铁路路基振动压实振动理论参数优化表面沉降法压实状态

基于粗颗粒动态演化过程的高铁填料振动压实机理研究

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岩土工程学报 2024年第4期46卷 803-813页

作者：谢康陈晓斌尧俊凯李泰灃王业顺邓志兴吕鑫龙中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

为了揭示高铁粗粒土填料振动压实机理,以典型的高铁基床表层级配碎石填料为研究对象,首先基于自行研制的大型振动压实仪,建立连续干密度ρ_(rd)、动刚度Krb以及修正地基系数K20的压实质量评估体系;然后利用X-CT对压实过程中的级配碎石... 详细信息

为了揭示高铁粗粒土填料振动压实机理,以典型的高铁基床表层级配碎石填料为研究对象,首先基于自行研制的大型振动压实仪,建立连续干密度ρ_(rd)、动刚度Krb以及修正地基系数K20的压实质量评估体系;然后利用X-CT对压实过程中的级配碎石进行扫描,从粗颗粒动态演化角度揭示级配碎石的压实机制。研究结果表明:整个压实过程中,不同土体类型的级配碎石ρ_(rd)均呈现出急速上升-缓慢上升的趋势,而Krb和K20却呈现出急速上升-缓慢下降的趋势。进一步,提出压实嵌锁点Tlp以量化出级配碎石的压实性能拐点特征。振动压实过程中当60%的粗颗粒长轴趋于水平排布时(处于Tlp状态),即呈现出振动压实稳定态;而后进一步压实,易导致粗颗粒发生以表面研磨为主的破碎现象,破坏骨架稳定性,降低压实性能。最终通过离散元模拟验证该机制的正确性。研究成果可从细观层面揭示振动压实机理,为高铁智能碾压质量评估提供新的方法。

关键词：高铁路基级配碎石压实机理 X-CT 动态演化量化表征

基于机器学习的高铁边坡位移预测不确定性度量与应用

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中国铁道科学 2024年第1期45卷 56-67页

作者：邓志兴谢康李泰灃苏谦韩征肖宪普中南大学土木工程学院湖南长沙410083 西南交通大学土木工程学院四川成都610000 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050000

为解决不确定性问题对高铁边坡位移预测精度的影响,引入区间预测理论量化位移预测中的不确定性问题,并建立Bootstrap-GRU-BP混合区间预测模型(BGB模型)。该模型首先采用基于Bootstrap的门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)算法度量... 详细信息

为解决不确定性问题对高铁边坡位移预测精度的影响,引入区间预测理论量化位移预测中的不确定性问题,并建立Bootstrap-GRU-BP混合区间预测模型(BGB模型)。该模型首先采用基于Bootstrap的门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)算法度量位移预测均值和认知误差的方差,再采用BP算法度量随机误差的方差,然后将位移预测均值、认知误差和随机误差的方差3者结合在一起,量化出一定置信水平下的预测区间。最后,基于杭绍台高铁沿线边坡的监测数据,探讨BGB模型认知不确定性的响应特征,并通过对比多种区间预测模型来验证BGB模型的优越性。结果表明:BGB模型不仅能构造清晰可靠的预测区间,还能提供高精度的点预测结果;改变模型输入特征和预测算法会导致认知不确定性的改变,而BGB模型所构造的预测区间能正确地响应不确定性的变化;对比以极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)和支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)为核心的区间预测模型,BGB模型的区间预测和点预测性均能更优。研究成果可为高铁边坡位移发展提供可靠的预测结果,进而为高铁边坡可靠度分析提供理论基础。

关键词：边坡位移预测不确定性度量区间预测机器学习 Bootstrap算法

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高速铁路级配碎石填料振动压实劣化机制研究

铁道科学与工程学报 2024年第5期21卷 1701-1713页

作者：肖宪普谢康李新志郝哲睿李泰灃邓志兴石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

揭示振动荷载下高速铁路路基级配碎石填料压实劣化的影响机制对提高路基服役性能具有重要意义。首先,采用智能振动压实仪开展级配碎石填料振动压实试验,探究级配碎石填料物理指标干密度ρd、力学指标动刚度K与振动压实劣化的相关性;其次... 详细信息

揭示振动荷载下高速铁路路基级配碎石填料压实劣化的影响机制对提高路基服役性能具有重要意义。首先,采用智能振动压实仪开展级配碎石填料振动压实试验,探究级配碎石填料物理指标干密度ρd、力学指标动刚度K与振动压实劣化的相关性;其次,对不同振动压实阶段的级配碎石填料进行X-CT(X-ray Computed Tomography)扫描试验,揭示级配碎石填料振动压实劣化的主控因素;最后,基于劣化主控因素建立不同劣化程度的高精度三维振动压实离散元模型,探究级配碎石填料压实劣化与主控因素的内在联系,进而深入揭示级配碎石填料振动压实劣化的细观机制。研究结果表明:振动压实过程中,可通过动刚度K曲线的“拐点”表征级配碎石填料振动压实劣化状态;通过X-CT试验明确级配碎石填料振动压实劣化的主控因素为粗颗粒研磨破碎,进一步提出研磨度DF指标量化级配碎石填料的压实劣化程度;振动压实离散元模型中级配碎石填料的细观结构演化特征表明,随着DF的增加,填料各向异性、力学配位数、粗颗粒接触力均逐渐减小,从而使级配碎石填料的内部结构稳定性和动刚度K减小,且当DF≥0.68时,各向异性、力学配位数、粗颗粒接触力链与动刚度K减小速率均降低。研究结果对高速铁路路基级配碎石填料的振动压实质量控制具有重要指导意义。

关键词：高铁路基级配碎石振动压实劣化粗颗粒研磨 X-CT 离散元

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基于生态位理论大型建筑企业走出去战略选择

铁道科学与工程学报 2024年第7期21卷 2907-2916页

作者：张文锦张飞涟中南大学土木工程学院湖南长沙410075

随着国家政策推动以及建筑行业积极实践,大型建筑企业走出去战略取得了丰硕成果。但近年来世界经济增速下降,中国对外承包工程主要市场区域经济低迷,中国国际工程企业面临多方竞争,当地政府开始注重区域和系统性的整体开发等,在新国际... 详细信息

随着国家政策推动以及建筑行业积极实践,大型建筑企业走出去战略取得了丰硕成果。但近年来世界经济增速下降,中国对外承包工程主要市场区域经济低迷,中国国际工程企业面临多方竞争,当地政府开始注重区域和系统性的整体开发等,在新国际背景下,研究我国大型建筑企业走出去战略方案选择,对我国大型建筑企业走出去发展以及国际竞争力提升具有重大意义。基于生态位理论构建包含生态位宽度、重叠度、强度3个维度11个指标的企业生态位指标体系,筛选美国《工程新闻纪录(ENR)》发布的“全球最大250家国际承包商”榜单企业作为样本企业计算其企业生态位,并运用K-means方法进行企业生态位聚类,建立企业生态位与走出去战略类型对应关系,研究结果显示在生态位宽度(x):0.3~0.6、生态位重叠度(y):0.6~1.0、生态位强度(z):0.4~0.7范围内的企业应选择横向多元化战略;在生态位宽度(x):0.2~0.6、生态位重叠度(y):0.7~1.0、生态位强度(z):0~0.4范围内的企业应选择纵向一体化战略;在生态位宽度(x):0.6~1.0、生态位重叠度(y):0.6~0.8、生态位强度(z):0~0.5范围内的企业应选择商业生态系统战略。研究成果揭示了企业生态位与走出去战略类型对应关系,为我国建筑企业走出去战略选择提供理论参考,有助于推动我国建筑企业走出去高质量发展。

关键词： K-means 生态位理论国际工程承包商战略选择竞争力

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基于机器学习的粗粒土振动压实频率预测研究

中国公路学报 2024年

作者：邓志兴谢康肖宪普李泰灃郝哲睿张千里李佳珅石家庄铁道大学土木工程学院中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所中南大学土木工程学院

为确定路基填料压实的最优振动频率，实现对其智能预测的目的。采用振动压实试验和锤击模态法确定不同压实度填料的固有频率，基于填料最大干密度、动刚度揭示了固有频率与最优振动频率的相关性；建立了填料特征与最优振动频率之间的关... 详细信息

为确定路基填料压实的最优振动频率，实现对其智能预测的目的。采用振动压实试验和锤击模态法确定不同压实度填料的固有频率，基于填料最大干密度、动刚度揭示了固有频率与最优振动频率的相关性；建立了填料特征与最优振动频率之间的关系，提出了最优振动频率的主控特征参数；构建了以主控特征参数为基础的机器学习预测模型，采用双层次评价方法优化了预测模型。结果表明：振动频率为固有频率时，最大干密度最大、动刚度呈现最佳状态；影响最优振动频率的主控特征为填料最大粒径、级配参数、粗骨料的针片状颗粒含量以及洛杉矶磨耗；在预测模型对比分析中认为神经网络模型ANN的拟合优度最优，可将其作为最优振动频率预测的核心模型。研究成果可为确定路基填料压实的最优振动频率提供新方法，并对路基智能化施工提供理论指导与支撑。

关键词：路基填料振动压实最优振动频率主控特征预测性能评价

接缝变形影响下地铁盾构隧道接缝渗漏概率分布特征分析

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铁道标准设计 2024年

作者：朱彬彬雷明锋答治华石钰锋姜涛钟启凯中南大学土木工程学院中国国家铁路集团有限公司华东交通大学土木建筑学院南昌轨道交通集团有限公司中建三局集团有限公司

为准确掌握城市地铁盾构隧道管片接缝变形与渗漏水的影响关系，以某城市地铁区间隧道为工程背景，结合数理统计和数值分析的方法，研究接缝变形对地铁盾构隧道接缝渗漏概率分布以及防水性能的影响规律。首先，采用logistic回归模型对现... 详细信息

为准确掌握城市地铁盾构隧道管片接缝变形与渗漏水的影响关系，以某城市地铁区间隧道为工程背景，结合数理统计和数值分析的方法，研究接缝变形对地铁盾构隧道接缝渗漏概率分布以及防水性能的影响规律。首先，采用logistic回归模型对现场调查所得接缝变形和接缝渗漏数据进行分析，揭示接缝变形影响下的接缝渗漏概率分布特征；其次，通过数值分析模型从密封防水机制层面分析不同接缝变形影响下密封垫防水性能的演化规律；最后，构建接触应力分布热图对不同接缝变形模式下的接缝防水性能进行定量评价，为地铁盾构隧道接缝渗漏预警提供关键变形控制指标。研究结果表明：接缝变形与接缝渗漏具有显著正比例相关关系，其中接缝张开量增加1倍引起接缝渗漏的概率比接缝错台增加1倍引起的概率高17.3%；接缝张开作为主控因素，其变形量的增加导致接缝防水性能线性减小，但在接缝张开较小时，接缝防水性能易受接缝错台量变化的影响出现明显波动；所构建的接触应力分布热图反映了上述变化规律，具体表现为一个接缝张开3～6 mm范围内受接缝错台变化影响的防水性能波动区，以本工程的设计水压值0.8 MPa为控制阈值，确定波谷区域对应的变形控制指标为接缝错台6～12 mm和18～24 mm。

关键词：地铁盾构隧道接缝变形接缝渗漏概率分布特征防水性能分析

弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法

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铁道科学与工程学报 2024年第4期21卷 1435-1444页

作者：杜香刚王继军王卫东朱光楠张爽中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 高速铁路轨道轨道系统全国重点实验室北京100081 中南大学土木工程学院湖南长沙410075 哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

列车通过弹性支承块式无砟轨道时,扣件和弹性支承块的弹性叠加容易使钢轨倾翻角和轨头横移量显著增大,导致动态轨距扩大,进而影响列车运行的安全性和平稳性。综合考虑轮轨激励形式及其载荷作用关系(包括轮轨垂向力的准静态成分、动态成... 详细信息

列车通过弹性支承块式无砟轨道时,扣件和弹性支承块的弹性叠加容易使钢轨倾翻角和轨头横移量显著增大,导致动态轨距扩大,进而影响列车运行的安全性和平稳性。综合考虑轮轨激励形式及其载荷作用关系(包括轮轨垂向力的准静态成分、动态成分及其作用位置、轮轨水平力及其作用位置以及钢轨廓形等)、扣件系统力学特性及其几何参数(包括扣件系统的垂向及横向刚度和阻尼以及外形尺寸等)、弹性支承块力学特性及其几何参数(包括弹性支承块的各向刚度、模量、泊松比以及外形尺寸等),建立准确的力学分析模型和几何关系模型,全面清晰地表征了弹性支承块式无砟轨道结构受力特点。基于力矩平衡计算原理,提出弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法,根据单节点实尺模型残余变形试验对理论计算结果进行修正,若考虑消除初始装配间隙影响,支承块间距扩大理论计算值增加0.04 mm加以修正,轨距扩大量应增加0.2 mm加以修正,通过对比分析计算结果、单节点实尺模型试验结果与传统实体有限元模型仿真结果,证明数据吻合度极高。分析与计算结果表明,本文提出的全参数计算方法与单节点实尺模型试验结果、实体有限元模型仿真结果吻合程度良好;利用本文所提出的弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法,可以高效准确地开展多参数敏感性分析;能够为不同运营条件下弹性支承块式无砟轨道结构及其部件优化提供设计依据,并奠定充分的理论基础。

关键词：弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能轨距保持能力实尺模型试验全参数化计算方法

基于ML-不确定性理论的路基全断面压实度评估方法

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：郝哲睿陈晓斌肖宪普闫宏业李泰灃尧俊凯谢康中南大学土木工程学院石家庄铁道大学土木工程学院中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所

为实现高速铁路路基压实质量快速可靠的评价，基于不确定性理论提出路基全断面压实度的评估方法。首先，建立预测最大干密度ρdmax的PSO-BPNN-AdaBoost（PBA）模型，通过填料的料源参数(dmax、b、m、EI、LAA、Wac和Waf)快速准确地获得ρ... 详细信息

为实现高速铁路路基压实质量快速可靠的评价，基于不确定性理论提出路基全断面压实度的评估方法。首先，建立预测最大干密度ρdmax的PSO-BPNN-AdaBoost（PBA）模型，通过填料的料源参数(dmax、b、m、EI、LAA、Wac和Waf)快速准确地获得ρdmax；其次，引入Bootstrap算法修正PBA模型，通过区间形式量化ρdmax预测过程中误差引起的不确定性；最后，开展现场试坑试验，获取现场填料的实测干密度ρd和料源参数，并基于克里金插值（Kriging）算法获得路基试验段全断面的ρd和料源参数分布，进一步通过计算得到路基全断面压实度区间评估结果。结合现场试验，将全断面压实度区间评估方法应用于西南地区某站场路基施工最优摊铺厚度的确定，克服传统填料填筑碾压质量评价中仅依赖随机点干密度测试结果作为评价标准的局限性。结果表明，ρdmax预测中的不确定性包括认知不确定性和随机不确定性，计算认知误差和随机误差的方差可以获得预测总误差的方差，从而实现ρdmax预测过程中不确定性的量化；选取置信度95%对应的参数构建填料ρdmax预测区间，此时预测区间覆盖率（Prediction Interval Coverage Probability,Pi）、平均预测区间宽度（Mean Prediction Interval Width, Mp）和覆盖宽度综合指标（Coverage Width-based Criterion,Cw）分别为100%、0.4690g·cm-3和0.4690g·cm-3，且预测区间可较好地覆盖填料ρdmax实测曲线；在现场碾压过程中，选取摊铺厚度为40～50cm，可使路基结构压实质量达到较好的状态。研究成果提高了基于机器学习评估路基压实度结果的可靠性，并对高铁路基的压实施工提供理论指导。

关键词：高速铁路路基级配碎石振动压实机器学习不确定性理论质量控制