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轨道结构对隧道衬砌及周围土体减振性能影响研究

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中国矿业大学学报 2024年第2期53卷 377-389页

作者：李涛侯蕊赵晶李灵锋郑康康任东伟中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

厘清不同轨道结构下地铁管片及周围土体的动力响应特性,可为地铁轨道结构减振技术提供重要依据.开展大型物理模型试验,设计纯管片无道床、普通道床、橡胶浮置板道床3种不同的地铁隧道模型,采用实际地铁列车振动信号,基于傅里叶变换时频... 详细信息

厘清不同轨道结构下地铁管片及周围土体的动力响应特性,可为地铁轨道结构减振技术提供重要依据.开展大型物理模型试验,设计纯管片无道床、普通道床、橡胶浮置板道床3种不同的地铁隧道模型,采用实际地铁列车振动信号,基于傅里叶变换时频域的分析方法,以峰值加速度和频响函数的对数作为评价指标,分析不同隧道管片结构的及周围土体的动力响应变化规律.研究结果表明:列车荷载的频域区间内动力响应变化分为3个阶段:阶段Ⅰ(0~20 Hz)内轨道结构的频响函数与荷载频率成负相关;阶段Ⅱ(20~150 Hz)内的动力响应随荷载频率变化整体上升局部波动,分别在50 Hz和110 Hz的峰值处出现振动放大现象;阶段Ⅲ(150~250 Hz)上的动力响应与荷载频率成正相关.普通道床和橡胶浮置板道床在50~250 Hz的频段有良好的减振效果,而对低频的振动衰减作用较小.3种轨道结构管片同环上不同位置的动力响应随着距振源距离的增加而衰减,道床的存在会降低振动波在同环测点传播的衰减幅值;环与环之间的动力响应呈现出随振源的距离增加逐渐降低的趋势;道床结构和橡胶浮置板结构的存在改变了周围土层的动力响应的频响性质,在高频范围内出现振动放大现象,但整体的动力响应小于纯管片无道床结构周围的土层.土层中的动力响应随着与振源的距离的增加逐渐降低,由仰拱至拱顶动力响应的衰减幅值为20.3%.

关键词：模型试验轨道结构动力响应频响函数时频分析

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冲旋作用下随钻测量系统研发与应用

采矿与安全工程学报 2024年第1期41卷 114-122页

作者：李杨王雁冰岳小磊岳中文李为中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

硬岩巷道岩体性质是爆破参数设计的重要依据,快速获取岩体力学参数对提升巷道掘进效率至关重要。随钻参数与岩石性质有着密不可分的关系,随钻测量系统是监测钻机钻进过程中钻进参数的重要工具。通过随钻测量系统,可以实时掌握钻进过程... 详细信息

硬岩巷道岩体性质是爆破参数设计的重要依据,快速获取岩体力学参数对提升巷道掘进效率至关重要。随钻参数与岩石性质有着密不可分的关系,随钻测量系统是监测钻机钻进过程中钻进参数的重要工具。通过随钻测量系统,可以实时掌握钻进过程中的钻压、转速、钻速等工程参数,进而分析实际钻进岩体性质,为爆破参数设计及优化提供参考。为了快速、准确地获取硬岩力学参数,在冲旋钻机基础上建立了具有冲击功能的智能随钻测量系统,该系统主要由智能钻进控制系统和智能感知系统组成,可对钻进速度、钻头转速、推进压力、旋转压力、冲击压力等多种随钻参数进行智能控制与实时监测。基于该系统开展了不同等级高强度岩石试样冲旋钻孔试验,讨论分析了不同钻进参数条件下钻具的响应性能以及各钻进参数之间的相互关系。试验结果表明:冲旋智能随钻测量系统控制性能稳定,智能感知系统监测数据有效可靠;随钻参数与岩石性质间响应关系具有显著规律性,不同强度岩石钻进参数响应最明显的是钻进速度,表明平均钻速与试件强度呈负相关。该系统可有效识别不同强度岩石,定量评价岩体力学参数,研究结果可为实时获取工程原位岩体力学参数提供一种新的方法。

关键词：冲旋钻进随钻测量系统研发岩体参数硬岩巷道

基于SSA-SVM的巷道顶板空顶沉降量预测模型

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煤炭学报 2024年第S1期49卷 57-71页

作者：于冰冰李清赵桐德黄晨高正华中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院

为解决煤矿深部井巷工程巷道掘进顶板空顶期沉降量的预测问题，引入人工智能的支持向量机（SVM）工具，结合麻雀搜索优化算法（SSA），提出基于SSA-SVM的巷道顶板空顶沉降量预测模型。以内蒙古长城五矿深部地下巷道掘进过程的顶板空顶... 详细信息

为解决煤矿深部井巷工程巷道掘进顶板空顶期沉降量的预测问题，引入人工智能的支持向量机（SVM）工具，结合麻雀搜索优化算法（SSA），提出基于SSA-SVM的巷道顶板空顶沉降量预测模型。以内蒙古长城五矿深部地下巷道掘进过程的顶板空顶期位移量数据作为样本集合，选择单轴抗压强度（UCS）、岩石完整性（RQD）、地应力、巷道宽跨比、空顶时间、人为采动6项影响因素，通过适用性、相关性和归类一致性评价对数据的综合影响权重进行归纳整理。将十折交叉验证的准确率作为适应度函数，对不同种群数量的SSA-SVM预测模型展开训练和测试，通过误差相关系数（RMSE、MAPE、R2）、ROC曲线、AUC±Std、运行时间以及标准偏差率η等5方面来选择种群数量最优参数模型，并将该模型应用于1902S回风巷进行巷道掘进顶板空顶期的沉降量预测，同巷道实际矿压监测数据进行比较。研究结果表明：当种群数量为90时，SSA-SVM模型预测性能较好，训练样本的RMSE为0.016 5,MAPE为22.54%,R2为0.829 5；测试样本的RMSE为0.015 6,MAPE为22.37%,R2为0.849 0；真实度AUC达到最大0.846 7，离散度Std最小为0.011 5；运行时间最短为8.723 9 s；标准偏差率维持在0.12%。在1902S回风巷现场应用中，预测值与实际值没有出现较大偏差，维持在线性拟合y=0.90x和y=1.10x范围内，误差相关系数与AUC±Std均符合试验精度要求，该模型的预测效果能够对后续的支护设计及补强支护作业提供重要的指导。

关键词：空顶期顶板沉降量支持向量机麻雀搜索算法误差相关系数

穿断层隧道NPR锚索支护体系抗震特性振动台试验研究

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岩土力学 2024年第4期45卷 939-949页

作者：陶志刚丰于翔赵易张晓宇何满潮雷啸天中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

为研究具有负泊松比效应(negative Poisson’s ratio,NPR)的恒阻大变形锚索在地震作用下的吸能特性与动力响应规律,利用振动台开展含断层隧道使用普通锚索支护以及使用NPR锚索支护的振动台物理模型试验,对比分析地震作用下处于不同围岩... 详细信息

为研究具有负泊松比效应(negative Poisson’s ratio,NPR)的恒阻大变形锚索在地震作用下的吸能特性与动力响应规律,利用振动台开展含断层隧道使用普通锚索支护以及使用NPR锚索支护的振动台物理模型试验,对比分析地震作用下处于不同围岩条件中以及使用不同锚索进行支护时隧道结构的动力响应规律。研究结果表明:在同一地震波作用下,使用NPR锚索进行支护的隧道结构破坏程度与使用普通锚索进行支护的隧道结构相比有明显的改善,表明NPR锚索在地震作用下具有良好的吸能特性,能够为隧道结构提供有效支护;通过对比分析普通锚索与NPR锚索的锚索轴力时程曲线可知,在地震波作用下,普通锚索会发生破断现象,轴力突降至零,而NPR锚索的高恒阻力能够持续提供有效支护;分析隧道结构各测点的加速度、应变、土压力等动力响应可知,隧道断层区域在地震作用下的动力响应更为明显,隧道结构在地震作用下呈现出拱肩→拱腰→拱顶的破坏规律,这一研究成果为类似隧道工程的支护对策提供了理论参考。

关键词：振动台试验隧道支护 NPR锚索地震响应

复杂地质条件下隧道围岩大变形负泊松比锚索主动支护方法及控制效果研究

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 275-286页

作者：陶志刚谢迪隋麒儒孙吉浩何满潮中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

隧道工程在建设过程中面临复杂地质条件时发生围岩大变形灾害造成大量经济损失与人员安全威胁。为解决复杂地质条件下隧道围岩大变形灾害难控制的工程问题,首先以开挖补偿法为基础,利用岩石力学方法,说明高支护力主动支护方法是控制围... 详细信息

隧道工程在建设过程中面临复杂地质条件时发生围岩大变形灾害造成大量经济损失与人员安全威胁。为解决复杂地质条件下隧道围岩大变形灾害难控制的工程问题,首先以开挖补偿法为基础,利用岩石力学方法,说明高支护力主动支护方法是控制围岩大变形的有效手段。然后,针对高支护力主动支护方法对于高性能新材料的需求,介绍团队研发的具有高恒阻力、大变形特性的多世代NPR(negative Poisson’s ratio)新材料。最后,介绍以NPR新材料为核心的主动支护方法在工程应用中对于不同复杂地质条件下的隧道围岩大变形灾害的控制。结果表明:(1)隧道围岩大变形主要由于隧道开挖造成围岩应力重分布导致围岩大变形破坏,而通过主动支护提供支护力可恢复或接近初始应力状态;(2)团队研发的NPR新材料较传统材料不同,可为深部围岩提供足够的支护力以恢复原岩应力状态;(3)根据工程案例分析,NPR主动支护技术在软岩隧道、断层破碎带隧道以及岩爆隧道中均表现出良好的大变形控制效果,为未来复杂地质条件下围岩大变形提供参考依据和实践基础。

关键词：隧道工程复杂地质大变形 NPR材料工程应用

异构集成代理辅助的区间多模态粒子群优化算法

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自动化学报 2024年第9期50卷 1831-1853页

作者：季新芳张勇巩敦卫郭一楠孙晓燕中国矿业大学信息与控制工程学院徐州221116 中国矿业大学机械电子与信息工程学院(北京) 北京100083

现实生活中的很多黑盒优化问题可归为高计算代价的多模态优化问题(Multimodal optimization problem,MMOP),即昂贵多模态优化问题(Expensive MMOP,EMMOP).在处理该类问题时,决策者希望以尽量少的计算代价(即尽量少的真实函数评价次数)... 详细信息

现实生活中的很多黑盒优化问题可归为高计算代价的多模态优化问题(Multimodal optimization problem,MMOP),即昂贵多模态优化问题(Expensive MMOP,EMMOP).在处理该类问题时,决策者希望以尽量少的计算代价(即尽量少的真实函数评价次数)找到多个高质量的最优解.然而,已有代理辅助的进化优化算法(Surrogate-assisted evolutionary algorithm,SAEA)很少考虑问题的多模态属性,运行一次仅可获得问题的一个最优解.鉴于此,研究一种异构集成代理辅助的区间多模态粒子群优化(Interval multimodal particle swarm optimization algorithm assisted by heterogeneous ensemble surrogate,IMPSO-HES)算法.首先,借助异构集成的思想构建一个由多个基础代理模型组成的模型池;随后,依据待评价粒子与已发现模态之间的匹配关系,从模型池中自主选择部分基础代理模型进行集成,并使用集成后的代理模型预测该粒子的适应值.进一步,为节约代理模型管理的代价,设计一种增量式的代理模型管理策略;为减少代理模型预测误差对算法性能的影响,首次将区间排序关系引入到进化过程中.将所提算法与当前流行的5种代理辅助进化优化算法和7种最先进的多模态优化算法进行对比,在20个测试函数和1个建筑节能实际问题上的实验结果表明,所提算法可以在较少计算代价下获得问题的多个高竞争最优解.

关键词：粒子群优化多模态优化高昂计算代价代理辅助

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多元排水体复合地基固结解析模型和解答

岩土力学 2024年第S1期45卷 73-83页

作者：许宝龙卢萌盟刘元杰张鑫岩中国矿业大学力学与土木工程学院

目前对多元复合地基的研究大多以排水桩联合不排水桩的形式为主，对具有不同排水能力的排水体相结合形成的多元排水体复合地基固结的理论研究几乎为空白。鉴于此，以碎石桩联合塑料排水板加固软土地基形成的多元排水体复合地基为研究对... 详细信息

目前对多元复合地基的研究大多以排水桩联合不排水桩的形式为主，对具有不同排水能力的排水体相结合形成的多元排水体复合地基固结的理论研究几乎为空白。鉴于此，以碎石桩联合塑料排水板加固软土地基形成的多元排水体复合地基为研究对象，基于等应变假设，考虑桩体径、竖向渗流与土体径向渗流，建立了多元排水体复合地基的径向双向渗流固结解析模型，推导了瞬时荷载下各孔压和固结度的解析解答，并经退化分析与实测对比验证了解的合理性。对多元排水体复合地基的固结性状进行了研究分析，结果表明：相较于单一排水体复合地基，多元排水体复合地基可显著加快地基固结；对大直径桩体，不考虑桩体径向渗流会高估复合地基固结度；由于土中水具有双向流，多元排水体复合地基中土体孔压沿径向呈先增后减的趋势，其峰值径向坐标随深度会逐渐偏向塑料排水板，随着固结进行，该趋势逐渐减弱。

关键词：复合地基固结多元排水体碎石桩塑料排水板

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基于正交-响应面法的砂土细观参数标定

吉林大学学报（地球科学版） 2024年第4期54卷 1280-1290页

作者：刘红帅张东涛河北大学建筑工程学院河北保定071000 河北大学岩土工程研究所河北保定071000

颗粒离散元的模拟精度主要取决于所标定细观参数的准确性,为提升细观参数的标定精度和效率,本文首先采用抗转动线性接触模型模拟砂土三轴压缩试验;再利用正交试验中的方差分析法筛选出宏观参数的控制性细观参数;然后建立宏观参数与控制... 详细信息

颗粒离散元的模拟精度主要取决于所标定细观参数的准确性,为提升细观参数的标定精度和效率,本文首先采用抗转动线性接触模型模拟砂土三轴压缩试验;再利用正交试验中的方差分析法筛选出宏观参数的控制性细观参数;然后建立宏观参数与控制性细观参数的响应面方程,依据室内三轴试验确定的砂土宏观参数,代入所建的响应面方程求解得到控制性细观参数;最后结合三轴试验结果验证所标定细观参数的准确性。结果表明:宏观参数包括弹性模量、泊松比、峰值摩擦角和剪胀角,其中弹性模量的控制性细观参数为有效模量和摩擦系数,泊松比的控制性细观参数为刚度比与摩擦系数,峰值摩擦角和剪胀角的控制性细观参数都为摩擦系数;通过三轴试验得出宏观参数取值,弹性模量为83.83 MPa、泊松比为0.45、峰值摩擦角为34.47°、剪胀角为8.93°;进一步标定细观参数取值,有效模量为153.35 MPa,刚度比为2.16,摩擦系数为0.45;利用标定的细观参数进行三轴试验模拟,结果与室内试验结果在低围压(100 kPa)下峰值强度相差7.2%,在高围压(300、500 kPa)下误差都控制在了±15.0%以内,证明了所提出的标定方法具有准确性和可靠性。

关键词：砂土离散元法细观参数正交试验响应面法宏观参数弹性模量泊松比

跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理及控制技术研究

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 14-28页

作者：郭志飚赵元欣杨东山高敬威尹松阳蒯孝辉中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

针对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形大不易支护的问题,以棋盘井煤矿东区11101工作面运输巷为工程背景,探究跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理,研究“切顶卸压+恒阻锚索”支护对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形的控制效果。建立力学分析模... 详细信息

针对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形大不易支护的问题,以棋盘井煤矿东区11101工作面运输巷为工程背景,探究跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理,研究“切顶卸压+恒阻锚索”支护对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形的控制效果。建立力学分析模型研究断层及切顶卸压自成巷顶板各相关参数对巷道直接顶应力的影响,将切顶卸压自成巷顶板变形过程划分为4个阶段,研究巷道顶板各阶段及总垂直位移量计算方法并给出计算公式,并将相关参数代入公式求解跨断层切顶卸压自成巷顶板垂直位移量;利用3DEC数值模拟软件建立跨断层切顶卸压自成巷数值计算模型,研究断层附近巷道顶板应力应变演化规律及恒阻锚索控制效果,研究结果表明:数值模拟上下盘巷道顶板变形数据与理论分析所得数据结果误差分别为1.14%、4.04%;恒阻锚索能够有效减小巷道顶板变形,与未使用恒阻锚索模型相比,上盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至16.8%,下盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至50.7%;上下盘巷道顶板在工作面回采过巷道测点断面过程中出现不同程度的应力集中,其中上盘巷道顶板的垂直应力集中值大于下盘巷道,分别为5.72 MPa和4.48 MPa;恒阻锚索通过减缓断层附近巷道顶板变形速率,待巷旁碎石帮充填完成后与碎石帮共同对巷道顶板变形进行控制;将11101工作面运输巷围岩位移监测数据与理论模型计算结果相比较,误差均在10%以内,证明“切顶卸压+恒阻锚索”支护方式对跨断层巷道顶板变形具有良好的控制效果。

关键词：切顶卸压跨断层开采 3DEC 顶板变形应力应变演化恒阻锚索