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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

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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

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

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

扭弯作用下内嵌H型钢-钢管混凝土柱拟静力试验研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：袁帅皮正波王宇航湖南工程学院建筑工程学院重庆大学土木工程学院中南大学土木工程学院长沙学院土木工程学院

为研究扭弯作用下内嵌H型钢-钢管混凝土柱的力学性能，以截面形式和扭弯比为参数对6个内嵌H型钢-钢管混凝土柱进行拟静力往复加载试验，得到扭弯作用下内嵌H型钢-钢管混凝土柱的破坏形态、滞回曲线、弯矩-位移骨架曲线及关键力学特征和... 详细信息

为研究扭弯作用下内嵌H型钢-钢管混凝土柱的力学性能，以截面形式和扭弯比为参数对6个内嵌H型钢-钢管混凝土柱进行拟静力往复加载试验，得到扭弯作用下内嵌H型钢-钢管混凝土柱的破坏形态、滞回曲线、弯矩-位移骨架曲线及关键力学特征和刚度退化曲线。研究表明：1）随扭弯比增加，内嵌H型钢-圆钢管混凝土柱和内嵌H型钢-方钢管混凝土柱的破坏特征由“弯”型向“扭”型转变；2）扭矩增加到弯矩的34%和67%时，内嵌H型钢-圆钢管混凝土柱的峰值弯矩分别减小5.0%和17.7%，而内嵌H型钢-方钢管混凝土柱的峰值弯矩分别减小5.5%和22.7%，反映内嵌H型钢-圆钢管混凝土柱和内嵌H型钢-方钢管混凝土柱均有较好的扭弯复合承载力；3）扭矩对内嵌H型钢-圆钢管混凝土柱和内嵌H型钢-方钢管混凝土柱的早期受弯刚度影响较小，但会降低内嵌H型钢-圆钢管混凝土柱和内嵌H型钢-方钢管混凝土柱的峰值割线受弯刚度；4）提出了内嵌H型钢-圆钢管混凝土柱和内嵌H型钢-方钢管混凝土柱的扭弯承载力计算方法，该方法得到的扭弯承载力理论值与试验值吻合良好，有较好的精度。研究结果可完善内嵌H型钢-钢管混凝土组合结构构件的基本理论，为内嵌H型钢-圆钢管混凝土柱和内嵌H型钢-方钢管混凝土柱的扭弯承载力设计计算提供参考。

关键词：扭弯作用扭弯比内嵌H型钢-钢管混凝土柱扭弯承载力扭弯相关关系

蒸养条件下机制砂混凝土的力学性能及干缩性能

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铁道科学与工程学报 2024年第5期21卷 1886-1897页

作者：刘穗虎曾晓辉唐卓谢友均龙广成周俊良马刚中南大学土木工程学院湖南长沙410075 悉尼科技大学土木与环境工程学院绿色科技中心澳大利亚悉尼2007

为推动机制砂在预制混凝土构件中的应用,实现机制砂在建筑行业的更广阔应用,进而有效减缓天然砂资源短缺的问题,通过混凝土抗压强度、动弹性模量和干燥收缩试验等宏观性能测试和扫描电镜测试、压汞测试及显微硬度测试等微观测试方法,探... 详细信息

为推动机制砂在预制混凝土构件中的应用,实现机制砂在建筑行业的更广阔应用,进而有效减缓天然砂资源短缺的问题,通过混凝土抗压强度、动弹性模量和干燥收缩试验等宏观性能测试和扫描电镜测试、压汞测试及显微硬度测试等微观测试方法,探讨养护条件和砂型对混凝土力学性能及干缩性能的影响规律及相应机理。试验结果表明:无论采用河砂还是机制砂,蒸养混凝土相较标养混凝土具有更高的早期力学性能和更低的干燥收缩,但高温导致水化产物分布不均,阻碍了后续的水化反应,使其后期力学性能出现不同程度的劣化。结合微观测试结果可知,孔径粗化、界面过渡区间隙增大和水化产物结构疏松是造成蒸养混凝土后期性能劣化的主要原因,但采用机制砂替代河砂能有效减弱蒸养热伤损效应产生的劣化影响。此外,蒸养机制砂混凝土相较蒸养河砂混凝土具有更高的力学性能和更优的微观结构,具体表现为:蒸养机制砂混凝土孔结构更加细化,界面过渡区间隙更小,同时基体显微硬度均值更高,整体密实度更高。但小于50 nm毛细孔增加将导致蒸养机制砂混凝土干缩变形增大。基于GL 2000收缩模型,通过引入考虑机制砂的影响因子,建立了蒸养机制砂混凝土干燥收缩预测模型,可较准确且有效地进行蒸养机制砂混凝土的干燥收缩预测。

关键词：机制砂蒸养混凝土力学性能干缩变形收缩预测模型

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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

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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

基于粗颗粒“嵌锁点”的高铁级配碎石振动压实质量控制新方法

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岩土力学 2024年

作者：邓志兴谢康李泰灃王武斌郝哲睿李佳珅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西南交通大学土木工程学院

为解决基于干密度评估压实质量所存在的压实时间不定、评价指标单一等问题，提出了一种基于粗颗粒“嵌锁点”的高铁级配碎石(high-speed railway graded aggregate，简称HRGA)振动压实控制新方法。首先，结合力学指标动刚度Krb和修正地... 详细信息

为解决基于干密度评估压实质量所存在的压实时间不定、评价指标单一等问题，提出了一种基于粗颗粒“嵌锁点”的高铁级配碎石(high-speed railway graded aggregate，简称HRGA)振动压实控制新方法。首先，结合力学指标动刚度Krb和修正地基系数K20完善振动压实评估体系，进一步提出了压实控制“嵌锁点”Tlp指标，并通过室内试验研究了Tlp前后级配碎石的力学性能及其适用性；其次，通过振动压实试验建立Tlp与HRGA的各项性能指标之间的关系，并结合灰色关联度分析(grey relation analysis，简称GRA)算法分析Tlp的主控特征；最后，基于机器学习(machine learning，简称ML)方法提出了Tlp预测模型，结合三层次优选体系选择最佳Tlp预测模型，并利用SHapley Additive exPlanations(SHAP)可解释性方法对最佳ML模型进行解释。结果表明：基于Tlp可确定最优振动时间，进而控制压实质量；基于GRA算法明确Tlp的主控特征为dmax、b、m、Qe和LAA；计算各Tlp预测模型的综合评价指标(comprehensive evaluation index，简称CEI)分别为：IPSO-ANN模型(4.3424)>IPSO-SVR模型(4.5225)>IPSO-RF模型(6.7356)，IPSO-ANN模型最佳；基于SHAP方法得到总体重要性值?排序为：dmax(17.31)>b(13.93)>m(6.59)>Qe(2.17)>LAA(1.54)，该结果与GRA算法的结果相印证，表明SHAP方法可提升ML模型的可理解性。研究成果可为振动压实的质量评估提供新思路，也为振动压实智能化控制提供强有力的理论支撑。

关键词：振动压实高铁级配碎石最优振动时间主控特征机器学习可解释性