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全吸力范围内土-水特征曲线的快速测定方法

岩土力学 2022年第2期43卷 299-306页

作者：李旭刘阿强刘丽刘艳吴永康北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

传统的宽(全)吸力范围内的土-水特征曲线(SWCC)测量方法动辄耗时数月。为了更好地使非饱和土力学理论指导工程实践,SWCC的快速测定显得尤为关键。为开发宽(全)吸力范围内SWCC的快速测定方法,联合压力板法、并行滤纸法、露点水势仪法进... 详细信息

传统的宽(全)吸力范围内的土-水特征曲线(SWCC)测量方法动辄耗时数月。为了更好地使非饱和土力学理论指导工程实践,SWCC的快速测定显得尤为关键。为开发宽(全)吸力范围内SWCC的快速测定方法,联合压力板法、并行滤纸法、露点水势仪法进行了两种不同土体的宽吸力范围内SWCC的测定试验。试验结果表明:(1)并行滤纸法与串行滤纸法的试验结果能较好地吻合,故可采用并行滤纸法代替串行滤纸法以缩短测量时间;(2)当测量的试验数据满足SWCC的大致形状时(或满足工程设计需求时),可适当减少试验数量,以提高测定效率,联合测定方法测量一条完整的SWCC仅需要10~12个点即可完成;(3)联合测定方法可将SWCC测量时间由数月缩短至7~10d。所提出的联合测定方法实现了宽(全)吸力范围内SWCC的快速、精准测定,有望使得SWCC的测量成为常规的土工试验。

关键词：快速测定土-水特征曲线压力板法并行滤纸法露点水势仪

考虑围岩和衬砌保角映射差异的深埋非圆形隧道力学解析

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第6期54卷 2349-2359页

作者：陈文博房倩张顶立陈炫皓北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

非圆形隧道围岩和衬砌区域的保角映射函数不同,接触面边界上不同区域的同一点位在映射后的位置差异较大。因此,在求解非圆形隧道的力学解析表达式时,有必要考虑该映射差异。首先,引入基于边界积分的保角映射理论,编制了以多段圆弧为边... 详细信息

非圆形隧道围岩和衬砌区域的保角映射函数不同,接触面边界上不同区域的同一点位在映射后的位置差异较大。因此,在求解非圆形隧道的力学解析表达式时,有必要考虑该映射差异。首先,引入基于边界积分的保角映射理论,编制了以多段圆弧为边界的有限双连通域和无限双连通域的保角映射程序;其次,考虑到围岩和衬砌保角映射差异,提出多点逼近的应力函数求解方法,并采用LSQR算法计算应力函数系数的最小二乘解,以满足隧道临空面边界和接触面边界上位移和应力条件;最后,通过多心圆隧道的算例,开展验证和分析。研究结果表明:所求围岩和衬砌保角映射函数具有良好的保角性和保圆性;随着应力函数项数增加,在边界上的应力误差和位移误差显著降低;当侧压力系数为0.50时,多心圆隧道洞周收敛变形的差异显著,拱顶和拱底变形远高于拱脚位置的变形,在衬砌拱脚位置所受围岩压力和切向力最大,并出现显著的应力集中现象;衬砌内外边界上应力和位移的解析解与数值解十分接近,验证了本文所提力学解析方法的正确性。

关键词：非圆形隧道力学解析边界积分方程保角映射应力函数

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海洋软土地层水合物开采多相渗流计算模型

岩土工程学报 2022年第S1期44卷 80-84页

作者：张鹏伟周洋鑫郜文哲刘保国北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室

天然气水合物是一种储量巨大的非常规清洁能源，其安全、高效开采对于保障我国能源安全意义重大。降压法是目前水合物开采中使用最广、最具前景的一种开采方式。本文针对水合物降压开采中动态多相渗流过程开展理论及数值模拟研究。考虑... 详细信息

天然气水合物是一种储量巨大的非常规清洁能源，其安全、高效开采对于保障我国能源安全意义重大。降压法是目前水合物开采中使用最广、最具前景的一种开采方式。本文针对水合物降压开采中动态多相渗流过程开展理论及数值模拟研究。考虑水合物分解与多相渗流之间的动态耦合，建立了耦合水合物动力学分解与多孔介质非饱和渗流的数学模型，并基于COMSOL多物理场耦合有限元软件进行数值实现。模型通过与Masuda水合物分解试验进行对比验证了有效性。基于数学模型对水合物开采的关键影响因素开展敏感性分析，分析结果表明：水合物饱和度降低速率随储层渗透率、降压幅度的增加而加快。

关键词：天然气水合物降压法多相渗流相变能源岩土工程

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水平互层围岩隧道破坏机理及其范围预测模型

力学学报 2022年第10期54卷 2835-2849,I0004页

作者：王嘉琛张顶立孙振宇方黄城刘昌北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

水平互层围岩因其显著的层理构造,导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别.目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式,未考虑破坏形式的多样性.为探究水平互层围岩的破坏范围,首先按其层理面划分为单层围岩进行分析,将围岩破坏分... 详细信息

水平互层围岩因其显著的层理构造,导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别.目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式,未考虑破坏形式的多样性.为探究水平互层围岩的破坏范围,首先按其层理面划分为单层围岩进行分析,将围岩破坏分为拉破坏、楔形剪切破坏和拱形剪切破坏3种典型模式,分别建立了岩梁受拉分析模型和拱形关键块剪切分析模型进行分析,提出了相应的破坏准则,并引入塌落系数和临界高度对不同破坏模式的孕育条件进行研究,将此方法应用于矿井巷道和隧道工程实例中,与既有方法进行比较,验证了单层围岩破坏机理模型的可靠性,同时代入离层破坏算例中验证其实用性.并以此为基础,结合破坏范围层间连续条件和破坏休止条件建立水平互层围岩破坏预测模型,将上述水平互层围岩破坏模型应用于补连塔矿巷道实例.结果表明本文预测的水平互层围岩破坏范围与数值模拟结果、真实塌落情况吻合较好.研究成果可为水平互层围岩隧道支护方案设计提供理论基础.

关键词：围岩破坏机理互层围岩塌落范围理论分析工程实例验证

强降雨条件下考虑气压和渗流作用的边坡稳定性

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上海交通大学学报 2022年第6期56卷 739-745页

作者：姚茂宏陈铁林樊容杨子力石野北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

降雨入渗分析是预测工程灾害的重要手段之一.为了有效分析强降雨条件下边坡入渗过程,在经典Green-Ampt模型的基础上,建立了初始含水率在天然非均布条件下,考虑饱和带渗流和气压作用的边坡降雨入渗模型,并推导了相应的边坡稳定性系数表达... 详细信息

降雨入渗分析是预测工程灾害的重要手段之一.为了有效分析强降雨条件下边坡入渗过程,在经典Green-Ampt模型的基础上,建立了初始含水率在天然非均布条件下,考虑饱和带渗流和气压作用的边坡降雨入渗模型,并推导了相应的边坡稳定性系数表达式.研究表明:降雨入渗受边坡尺寸的影响明显,一方面,湿润锋迁移速率随坡长的增加而增加;另一方面,当考虑气压作用时,坡长越小,达到相同的湿润锋深度所需时间越长,当坡长增大到一定程度后,差别不大.此外,渗透力对边坡稳定性的影响比气压大,因为前者在降雨过程中逐渐增大,而后者基本不变,所以渗透力影响越来越大,气压影响越来越小.

关键词：降雨入渗初始含水率饱和带渗流封闭气压边坡稳定

基于搜索分析深度学习网络(SaNet)的粗粒土级配识别

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岩土工程学报 2024年

作者：庞元恩石国栋段煜姚敏吉浩泽罗鸣李茂彪李旭北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室

粗粒土广泛应用于路基、土石坝等填方工程中，然而传统筛分法耗时低效,无法满足级配快速的质量检测需求。为解决上述问题，本文构建了黄河粉土、石英砂粗粒土“图像-级配”关系数据库,共22380张图像；针对二维图像与三维级配的不匹配的... 详细信息

粗粒土广泛应用于路基、土石坝等填方工程中，然而传统筛分法耗时低效,无法满足级配快速的质量检测需求。为解决上述问题，本文构建了黄河粉土、石英砂粗粒土“图像-级配”关系数据库,共22380张图像；针对二维图像与三维级配的不匹配的矛盾，构建了任意图像输入数量的搜索—分析网络（Searcher-Analyzer Network,SaNet），基于该网络训练所得模型精度随图像数的增加稳定提升，黄河粉土、石英砂的级配识别平均误差分别为1.63%、1.21%，拟合优度分别为0.995、0.992。结果表明：基于SaNet架构构建的机器学习模型具有较高的级配识别精度，能够满足填方工程中实时无损的级配检测需求。

关键词：粗粒土级配卷积神经网络搜索—分析网络深度学习图像识别

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TBM隧道围岩-支护动态相互作用机制研究

铁道科学与工程学报 2024年

作者：周振梁谭忠盛李林峰雷可北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室

TBM法隧道支护相较矿山法隧道具有施作滞后、时效敏感的特点，现有理论成果难以准确描述TBM隧道围岩-支护动态相互作用过程。基于TBM隧道围岩-支护相互作用特点和支护结构刚度发展特征，引入虚拟支护力模拟开挖面空间支撑效应，建立综... 详细信息

TBM法隧道支护相较矿山法隧道具有施作滞后、时效敏感的特点，现有理论成果难以准确描述TBM隧道围岩-支护动态相互作用过程。基于TBM隧道围岩-支护相互作用特点和支护结构刚度发展特征，引入虚拟支护力模拟开挖面空间支撑效应，建立综合考虑TBM隧道支护结构施作时机和时效特性的围岩-支护相互作用力学模型，通过数值模拟和现场测试对理论模型进行验证。分析掘进速度、锚杆砂浆硬化速度、喷混施作时机、喷混硬化速度等因素对洞周位移和初支结构支护力的影响规律，并给出相应的支护建议。研究结果表明：通过TBM隧道围岩-支护动态相互作用模型可得到任意时刻及断面的洞周位移和锚杆、钢拱架及喷混支护力的解析解。锚杆和钢拱架施作后围岩变形速率明显降低，喷混施作前围岩变形已经稳定，喷混的作用主要是防止掉块并作为安全储备。提高砂浆硬化速度可提升锚杆的支护力，及时施作喷混可显著提高初支结构支护力并改善锚杆和钢拱架的受力状态，加快喷混硬化速度可提高整体支护效果并减小钢拱架和锚杆承担的围岩压力。正常施工条件下，可通过降低TBM掘进速度、选用快硬锚杆水泥砂浆来提高初支的支护性能，当穿越围岩破碎稳定性差的区段时，应在距开挖面距离不大于3倍洞径处施作喷混，并选用硬化速度快的喷混材料进一步提高支护体系承载能力。研究结果为进一步优化TBM隧道支护设计与施工提供理论依据。

关键词： TBM隧道支护结构力学模型洞周位移支护力

基于广义Hoek-Brown准则的瞬时线性化强度折减技术

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岩土力学 2019年第12期40卷 4865-4872页

作者：任晋岚陈曦王冬勇吕彦楠北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室

广义Hoek-Brown(HB)准则广泛应用于岩体的计算和分析,然而,广义HB准则是典型的非线性强度准则,不能直接在有限元强度折减法中采用来开展岩体的稳定性分析。针对这一问题,开展瞬时线性化研究,根据已有的应力状态将HB强度包线上一点的抗... 详细信息

广义Hoek-Brown(HB)准则广泛应用于岩体的计算和分析,然而,广义HB准则是典型的非线性强度准则,不能直接在有限元强度折减法中采用来开展岩体的稳定性分析。针对这一问题,开展瞬时线性化研究,根据已有的应力状态将HB强度包线上一点的抗剪强度转化为该点切线对应的黏聚力和内摩擦角,并提出了两种瞬时线性化强度折减方案:(1)基于弹塑性分析获得的应力场,对每个应力点专属的瞬时Mohr-Coulomb(MC)强度参数进行折减,相应的方法记为Point-IL-SSRFEM;(2)由于传统有限元法要求单元的抗剪强度参数保持不变,在每个单元上各个应力点获得瞬时MC强度参数后,对这些参数进行单元均一化处理并进行折减,相应的方法记为Element-IL-SSRFEM。基于岩质边坡算例,对比和评述了三参数等比折减技术和瞬时线性化强度折减技术。数值分析结果表明:与Element-IL-SSRFEM相比,Point-IL-SSRFEM对网格划分的要求较低,计算精度和计算效率相对较高;与三参数等比折减相比,Point-IL-SSRFEM的计算精度高、计算性能稳定。因此,推荐使用Point-IL-SSRFEM来分析岩质边坡的稳定性。

关键词：岩质边坡广义Hoek-Brown准则瞬时线性化强度折减安全系数

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洞桩法车站下穿既有管线工程的沉降预测

土木工程学报 2021年第S01期54卷 65-75页

作者：王秀英雷可王滕张建国北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

在已建海淀黄庄站数值计算与监测结果对比验证的基础上,通过FLAC^(3D)有限差分软件建立拟建北太平庄站三维模型,研究洞桩法车站施工阶段管线埋深、水平位置、管径和管线-车站夹角四种因素对地表和管线沉降的影响,并根据数值模拟结果建... 详细信息

在已建海淀黄庄站数值计算与监测结果对比验证的基础上,通过FLAC^(3D)有限差分软件建立拟建北太平庄站三维模型,研究洞桩法车站施工阶段管线埋深、水平位置、管径和管线-车站夹角四种因素对地表和管线沉降的影响,并根据数值模拟结果建立GM灰色模型,预测不同工况下地表和管线的沉降值,研究结果表明:沉降随施工时间的变化可分为穿越前,穿越中和穿越后三个阶段;管线沉降随埋深增加逐渐增大,随水平位置、管线直径和夹角增大略有减小;不同埋深下的沉降预测结果与数值计算结果较一致,说明灰色模型对于洞桩法车站下穿时的地表沉降和管线沉降预测具有一定适用性。

关键词：地下工程洞桩法车站下穿管线沉降预测灰色模型