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基于变分模态分解的CNN-LSTM模型在基坑变形预测中的应用

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力学与实践 2024年

作者：方庆陈胜刘雪珠邱伟江苏省岩土工程公司

基坑变形会对工程造成许多不利影响，甚至可能引发土体塌陷和临近道路、建筑物开裂等灾害事故，所以基坑变形的预测是基坑工程中非常重要的一环。为了更准确地预测基坑变形，提出一种以监测数据的时间序列为输入的变分模态分解(variatio... 详细信息

基坑变形会对工程造成许多不利影响，甚至可能引发土体塌陷和临近道路、建筑物开裂等灾害事故，所以基坑变形的预测是基坑工程中非常重要的一环。为了更准确地预测基坑变形，提出一种以监测数据的时间序列为输入的变分模态分解(variational mode decomposition， VMD)的卷积神经网络-长短期记忆神经网络(convolutional neural network-long short term memory，CNN-LSTM)预测模型(variational mode decomposition-convolutional neural network-long short term memory，VMD-CNN-LSTM)。基于南京江北新区图书馆基坑工程的现场监测数据，利用VMD-CNN-LSTM模型对CX07监测点的地下连续墙深层水平位移进行预测，得到的变形预测值与长短期记忆神经网络(long short term memory，LSTM)和CNN-LSTM模型的预测结果对比分析。可知VMD-CNN-LSTM模型相比其他两种模型具有更高的准确性。再选取另外两个监测点的监测数据对模型的预测效果进一步验证，证明了VMD-CNN-LSTM模型的适用性和稳定性。

关键词：基坑变形预测变分模态分解卷积神经网络长短期记忆神经网络

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碱渣轻质土孔隙结构对宏观性能的影响研究

中国公路学报 2024年

作者：王正成刘松玉吴恺张翔李梦瑶东南大学岩土工程研究所江苏省低碳与绿色岩土工程重点实验室南京现代综合交通实验室

碱渣是氨碱法生产纯碱过程中产生的工业废渣，其大量堆积会造成土地资源浪费和环境污染。为实现碱渣的大规模利用，提出利用碱渣部分代替水泥生产碱渣轻质土（A-LS）。通过抗压试验、承载比（CBR）试验、吸水试验、导热试验、导电试验... 详细信息

碱渣是氨碱法生产纯碱过程中产生的工业废渣，其大量堆积会造成土地资源浪费和环境污染。为实现碱渣的大规模利用，提出利用碱渣部分代替水泥生产碱渣轻质土（A-LS）。通过抗压试验、承载比（CBR）试验、吸水试验、导热试验、导电试验、扫描电镜（SEM）和压汞试验（MIP），对A-LS的物理力学性能和孔隙结构特征进行了系统研究。将A-LS用作连云港至宿迁高速公路徐圩至灌云段X204桥头路基填料，监测A-LS内的实时温度。研究结果表明，A-LS的抗压强度、CBR、流值和导热系数随着湿密度的增加而增大，但吸水率和电阻率降低，湿密度与各指标间近似满足线性关系。A-LS的平均孔径和孔隙率分别为82～179.86 nm和57.78%～82.65%，当湿密度≤700 kg/m3时，A-LS中的孔隙以气孔和微裂纹为主，高于700 kg/m3时，以大孔为主。随着湿密度增加，大孔体积占比和迂曲度增大，但中值孔径、平均孔径、最可几孔径、压入汞量、气孔和微裂纹体积占比、孔隙率和分形维数降低。随着气孔和微裂纹体积占比、孔径和孔隙率的增加，抗压强度、CBR、流值和导热系数降低，但吸水率和电阻率增大。由于普通硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣发生水化反应，释放出大量热量，A-LS内部温度先快速增大至最大值，随后降低，最终趋于稳定。此外，A-LS内部温度不受大气温度的影响，呈现出良好的保温隔热性能，可考虑在冻土地区推广应用。A-LS不但能大规模消纳碱渣，还能节约水泥，具有良好的推广应用前景。

关键词：道路工程碱渣轻质土压汞试验孔隙结构孔隙率

考虑截面规则性的柱状节理岩体变形及强度特性研究

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岩土力学 2024年第1期45卷 213-225页

作者：朱姝阙相成朱珍德朱其志河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心江苏南京210098

柱状节理岩体的复杂结构使其现场力学参数的确定存在困难,可靠地估计柱状节理岩体强度及变形特性对工程安全至关重要。结合Voronoi图形及3D打印技术制作不规则柱状节理岩体光敏树脂模具,并制备了具有不同倾角的规则及不规则柱状节理岩... 详细信息

柱状节理岩体的复杂结构使其现场力学参数的确定存在困难,可靠地估计柱状节理岩体强度及变形特性对工程安全至关重要。结合Voronoi图形及3D打印技术制作不规则柱状节理岩体光敏树脂模具,并制备了具有不同倾角的规则及不规则柱状节理岩体试样。基于开展的单轴压缩试验结果,分析不同截面柱状节理岩体的变形及强度特性差异。根据试样最终破坏形态,揭示柱状节理岩体破坏模式及机制。结合已有研究结果,描述节理面材料对柱状节理岩体破坏形态及强度的影响。基于传统节理系数方法,提出了更能反映柱状节理岩体柱体结构特征的修正节理系数方法。采用修正节理系数法建立规则及不规则柱状节理岩体试验结果与现场变形及强度参数间的经验关系,将所提出计算公式应用于白鹤滩水电站工程,预测结果与现场实测值及RMR法(RMR为岩石质量评分指标)、Q法(Q为岩体质量指标)的预测值进行比较。结果表明,对于现场变形和强度参数,所提出的修正节理系数法的预测结果与现场实测结果较为吻合。

关键词：截面规则性柱状节理岩体变形及强度特性物理模型试验经验关系

基于相场法的预制双裂隙岩体水力压裂扩展数值模拟研究

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岩土力学 2024年第6期45卷 1850-1862页

作者：吕茂淋朱珍德周露明葛鑫梁河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心江苏南京210098

水力压裂裂隙扩展形态对于深部岩体油气开采和地热能开采具有重要意义。针对深部地层岩体水力压裂裂隙扩展问题,基于相场法理论、Biot多孔弹性介质力学理论和渗流力学理论建立了相场法应力−渗流耦合模型。该模型采用有限元方法对方程组... 详细信息

水力压裂裂隙扩展形态对于深部岩体油气开采和地热能开采具有重要意义。针对深部地层岩体水力压裂裂隙扩展问题,基于相场法理论、Biot多孔弹性介质力学理论和渗流力学理论建立了相场法应力−渗流耦合模型。该模型采用有限元方法对方程组进行离散化处理,运用牛顿迭代法(Newton-Raphson method,简称NR法)和分离式耦合方法求解方程组以提高计算精度。对比了该模型数值解与室内试验模拟结果和基于数值流形法(numerical manifold method,简称NMM)的数值解,并将数值解与理论解析解进行比较,验证了模型的可靠性。基于该模型,研究了地应力差、裂隙间距和注入流量等因素对垂直于最大主应力方向的双裂隙水力压裂裂隙扩展的影响规律。研究结果表明:随着地应力差的增大,裂隙扩展路径的偏转角度增大,扩展分支路径相应增多;较小的裂隙间距使裂隙更易贯通,且裂隙扩展的偏转程度和扩展长度均随着裂隙间距的增大而逐渐增大;较大的注入流量更有利于裂隙扩展长度和扩展速度的增加。通过探讨不同因素对裂隙扩展的影响,为深部岩体水力压裂优化复杂裂隙网络提供了理论依据。

关键词：相场法水力压裂多孔介质裂隙扩展数值模拟

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上海某深基坑项目承压水层抽水试验探讨

中国科技期刊数据库工业A 2024年第2期 0191-0194页

作者：孔竹明梁剑晖江苏省岩土工程公司江苏南京210018

在深基坑工程施工过程中地下水对基坑围护的稳定性起着至关重要的作用;尤其在有着软土代表性的上海地区,两层地下室的基坑围护工程中,微承压水和承压水的影响成为基坑设计和施工不得不考虑的棘手的问题。为了更好的指导降水设计和施工,... 详细信息

在深基坑工程施工过程中地下水对基坑围护的稳定性起着至关重要的作用;尤其在有着软土代表性的上海地区,两层地下室的基坑围护工程中,微承压水和承压水的影响成为基坑设计和施工不得不考虑的棘手的问题。为了更好的指导降水设计和施工,需要对承压水层进行试抽水试验,用以复核和得到更加详细准确的承压水层水文地质参数,从而制定可行、合理的地下水处理方案,同时可以用于指导降压井的布置、开启和封闭的提供依据。本文结合上海市青浦区某深基坑工程实例进行了抽水试验,并对试验结果进行了分析。通过现场抽水试验得到了承压水位实际埋深、单井出水量及不同承压水土层间的水力联系关系;并通过现场抽水试验结果求解出承压水土层的水文地质参数。

关键词：深基坑承压水抽水试验出水量水文地质参数

碳化复合桩透水混凝土-MgO固化土界面摩擦特性试验

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中国公路学报 2024年第6期37卷 46-56页

作者：张超哲刘宜昭刘松玉张莹江臣陈光伟东南大学岩土工程研究所江苏南京211189 南京现代综合交通实验室江苏南京211100 江苏省交通工程建设局江苏南京210004

碳化复合桩是由透气管桩(内芯)和MgO搅拌桩(外芯)组成,通过对插入透气管桩的MgO固化土进行碳化形成的复合桩技术。内外芯界面的摩擦特性是影响碳化复合桩荷载传递规律的重要因素,为了研究碳化复合桩内外芯界面的剪切特性,开展了不同法... 详细信息

碳化复合桩是由透气管桩(内芯)和MgO搅拌桩(外芯)组成,通过对插入透气管桩的MgO固化土进行碳化形成的复合桩技术。内外芯界面的摩擦特性是影响碳化复合桩荷载传递规律的重要因素,为了研究碳化复合桩内外芯界面的剪切特性,开展了不同法向应力条件下透水混凝土-MgO固化土的直剪试验,分析了碳化时间Tc、MgO掺量w_(m)和初始含水率w_(w)对接触面剪切特性的影响,并采用多元线性回归方法建立界面剪切强度的预测模型。试验结果表明:随着碳化时间的增加,曲线类型由“理想弹塑型”向“剪切软化型”转化,最佳碳化时间为6 h的试样剪切强度可达到311 kPa,过长的碳化时间会使土体内部产生裂隙,使得整体强度下降;MgO最优掺量(w_(m)=20%)下的试样其剪切强度相比于wm为10%的试样可提高37%;最优含水率为25%的试样其剪切强度可达到257 kPa,低含水率不利于水化反应和碳化反应,会影响试样的界面剪切强度,而当含水率较高(w_(w)=28%)时,会因水分子填充孔隙造成气体运移速率降低,且水分子会在颗粒表面形成水膜,从而降低固化土的黏聚力和强度;界面剪切强度与法向应力和碳化固化土无侧限抗压强度呈近似线性关系,界面的剪切破坏符合摩尔-库仑准则。

关键词：路基工程桩基工程碳化活性MgO 界面特性

单向冻结粉质黏土已冻区分凝冰分布规律试验研究

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岩土力学 2024年第2期45卷 407-416,432页

作者：王震朱珍德胡家豪周子玉汕头大学土木与环境工程系广东汕头515063 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学江苏省岩土工程技术工程研究所江苏南京210098

在单向冻结中,已冻区分凝冰的产生和发展是影响冻融土结构性特征的重要因素。选取降温速率(0.5~0.005℃/s)、冷端温度(–30~–70℃)、暖端补水(无补水、恒压补水)等3种单向冻结边界条件,探究其对已冻区分凝冰发育的影响规律。基于光学... 详细信息

在单向冻结中,已冻区分凝冰的产生和发展是影响冻融土结构性特征的重要因素。选取降温速率(0.5~0.005℃/s)、冷端温度(–30~–70℃)、暖端补水(无补水、恒压补水)等3种单向冻结边界条件,探究其对已冻区分凝冰发育的影响规律。基于光学显微数字拍摄,自主研发了裂纹显微测量系统,为分凝冰裂纹的原位、无接触式测量提供了便利。试验研究发现:(1)不仅是温度梯度、暖端补水条件,单向冻结冷端降温速率对已冻区分凝冰分布也会产生影响,传统模型(如分凝模型)计算的水分迁移量难以准确反映已冻区冰裂纹分布特征;(2)冻结锋面移动速率对已冻区分凝冰宽度的影响大于温度梯度;(3)冻结过程中已冻区分凝冰宽度随0℃线移动速率呈指数形式变化。最后基于0℃线移动速率提出了已冻区分凝冰宽度预测的经验公式,为工程中评估变降温速率条件下黏土的单向冻胀破坏提供了参考。

关键词：单向冻胀降温速率黏土分凝冰裂纹超低温

热−力耦合作用下垃圾土体积变形特性和模型研究

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岩土力学 2024年第1期45卷 49-58,67页

作者：李玉萍陈嘉瑞施建勇樊宝云河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学岩土工程研究所江苏南京210098

城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构... 详细信息

城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构模型研究。在前期试验基础上,采用GDS温控应力路径三轴仪,研究了排水条件下温度对垃圾土中黏土体积变形特性和压缩特性的影响,并与相同条件下垃圾土体积变形特性进行比较,揭示了温度变化对垃圾土体积变形特性的影响机制。基于垃圾土温控三轴试验结果,推导了垃圾土热弹塑性压缩指数λT和热弹性压缩指数κT的确定方法;采用等效应力原则,假设温度变化引起的弹塑性体积应变等于某一等效应力增量引起的弹塑性体积应变,建立了垃圾土在热−力耦合作用下的体变计算模型,并对模型进行了验证分析。研究结果表明,孔隙比是影响垃圾土温度体积应变的主要因素;垃圾土的λT和κT随初始固结应力的增加而减小,比黏土高一个数量级;选取常温下相应固结应力水平的回弹指数κ和压缩指数λ比例值(κ/λ)能够较好地模拟热−力耦合作用下垃圾土的体积变形特性。

关键词：垃圾土热-力耦合作用体积变形弹性体积应变塑性体积应变

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碳纤维水泥土压电性及传感器性能研究

岩土力学 2024年第7期45卷 2105-2116页

作者：林江源童立元李洪江马海洋刘文源闫鑫东南大学岩土工程研究所江苏南京210096

国内外研究表明,在常规混凝土中加入碳纤维形成导电网络,可以使混凝土根据导电网络的变化感知自身应力应变、裂缝及损害,并提高混凝土强度和耐久性。鉴于碳纤维的自感知特性,提出碳纤维水泥土这一新型智能感知材料,通过无侧限抗压强度... 详细信息

国内外研究表明,在常规混凝土中加入碳纤维形成导电网络,可以使混凝土根据导电网络的变化感知自身应力应变、裂缝及损害,并提高混凝土强度和耐久性。鉴于碳纤维的自感知特性,提出碳纤维水泥土这一新型智能感知材料,通过无侧限抗压强度试验、电阻率试验、微观试验和模型试验,研究纤维掺量和纤维长度对碳纤维水泥土无侧限抗压强度和电阻率变化率的影响规律,并按最优配比制作碳纤维水泥土“传感器”,将此种传感器植入水泥土构件,建立传感器电阻率变化率与水泥土构件应力的函数关系,从而实现传感器对水泥土构件的应力监测。结果表明:在碳纤维水泥土材料的强度研究方面,碳纤维掺量和碳纤维长度均对碳纤维水泥土的无侧限抗压强度有影响,抗压强度随二者的增大均呈现先增大后减小的趋势。在试验范围内,2%为最优碳纤维掺量,6 mm为最优碳纤维长度;在碳纤维水泥土的电阻率变化率研究方面,碳纤维掺量为1%,纤维长度为3 mm时,试件破坏时的电阻率变化率最大,碳纤维水泥土的受压自感应灵敏度最好;埋入构件的传感器电阻率变化率与水泥土构件的应力之间存在明显的指数关系,通过建立基于电阻率变化率的应力预测公式,从而可以实现水泥土结构的受力状态监测。

关键词：碳纤维水泥土无侧限抗压强度电阻率变化率自感传感器

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