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基于RPM方法的隧道开挖地层失稳模式及形成机理研究

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应用基础与工程科学学报 2024年第4期32卷 926-943页

作者：路德春张富军董宏宇林庆涛史磊磊杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所北京100124 北京市政建设集团有限责任公司北京100089

基于材料破坏时邻近颗粒间相对运动的特征,提出了颗粒相对运动(RPM)指标描述材料的渐进破坏行为;考虑颗粒的平动和转动,建立了RPM计算的方法;基于PFC2D平台实现了RPM与离散元方法的结合,发展了颗粒材料破坏分析方法,并利用活动门试验结... 详细信息

基于材料破坏时邻近颗粒间相对运动的特征,提出了颗粒相对运动(RPM)指标描述材料的渐进破坏行为;考虑颗粒的平动和转动,建立了RPM计算的方法;基于PFC2D平台实现了RPM与离散元方法的结合,发展了颗粒材料破坏分析方法,并利用活动门试验结果验证了其描述岩土材料破坏过程的合理性.以北京地铁12号线暗挖隧道为背景建立数值模型,分析了隧道开挖时不同地层的破坏渐进过程和失稳模式.均质砂土和黏土地层最终都呈现椭圆形失稳模式,砂土地层表现为失稳区整体塌落,黏土地层中土体自拱顶至上分块逐渐掉落;黏土-砂土复合地层破坏区是否发展至地表和最终失稳模式与上层黏土厚度有关,黏土地层较厚时失稳模式接近于均质黏土地层,较薄时地层破坏区更易发展至地表,且呈现U型失稳模式;砂土-黏土复合地层上部地层厚度对破坏区是否发展至地表和最终失稳模式的影响较小,下部黏土地层破坏发展与均质黏土地层接近,上部砂土地层主要呈现整体失稳破坏的特征.

关键词：隧道开挖复合地层失稳模式土拱效应颗粒相对运动(RPM) 变形局部化离散元

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盾尾注浆材料硬化特性对隧道和地层力学响应影响的有限元模拟研究

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北京工业大学学报 2024年第6期50卷 711-723页

作者：路德春刘竹根林庆涛孔凡超杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所北京100124 清华大学土木工程系北京100084

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施... 详细信息

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施工精细化的有限元数值仿真模型,并利用实测地层沉降和隧道衬砌的收敛变形验证了数值模型的合理性。同时,对注浆材料初凝时间分别为0、2、6、12 h的数值模型进行了计算,获得了地层和隧道衬砌受力变形随注浆材料硬化过程的发展规律,以及注浆材料硬化特性对地层和隧道衬砌受力变形的影响规律。模拟结果表明:盾尾注浆8 h以内,地层的沉降和水平位移以及隧道衬砌的围岩压力和内力增加显著,注浆时间超过8 h后增加变得缓慢;注浆材料的初凝时间越长,地表沉降、地层水平位移和竖向位移则越大;衬砌拱顶和拱腰的径向收敛越大,拱底径向收敛则越小;衬砌的轴力和弯矩在注浆8 h以内增加显著。

关键词：盾构施工盾尾注浆硬化过程注浆压力消散有限元数值模拟地层变形衬砌力学响应

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基于超对偶数微分的无约束应力更新算法

岩土工程学报 2024年

作者：路德春石安毓周鑫杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所清华大学土木工程系

加卸载判断和繁琐的解析求导运算一直是制约先进弹塑性模型数值应用的瓶颈问题。研究提出一种基于超对偶数微分方法的无约束应力隐式更新算法，有效解决了上述计算难点。针对加卸载判断问题，新算法利用光滑函数代替弹塑性本构方程组中... 详细信息

加卸载判断和繁琐的解析求导运算一直是制约先进弹塑性模型数值应用的瓶颈问题。研究提出一种基于超对偶数微分方法的无约束应力隐式更新算法，有效解决了上述计算难点。针对加卸载判断问题，新算法利用光滑函数代替弹塑性本构方程组中的Karush-Kuhn-Tucker条件，将受不等式约束的非线性应力积分方程组问题，转化为无约束的最小化问题，计算时无需加卸载判断。针对导数计算问题，新算法利用超对偶数微分方法代替解析求导，获得光滑函数的1阶导数以及塑性势函数的1阶和2阶导数，用于构造非线性计算的迭代公式，以保证局部应力更新迭代和全局平衡迭代的二次收敛速度。数值算例表明，相较于其它数值微分方法，超对偶数微分方法不受截断误差和减法消去误差影响，计算结果等同于解析求导。最后，基于所提算法编写了光滑莫尔库伦塑性模型的UMAT子程序，并通过3个典型边值问题的数值分析，验证了算法的有效性和收敛性速度。

关键词：应力更新算法塑性模型超对偶数数值微分一致性切线刚度矩阵有限元法

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盾构下穿施工既有隧道变形机理数值模拟研究

防灾减灾工程学报 2024年

作者：路德春宋涛林庆涛孟旭杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室

盾构施工下穿既有运营隧道，易导致既有线路变形过大，给地铁列车运营安全带来安全隐患。考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用，以及同步注浆硬化过程和压力消散等关键因素，发展了盾构施工全过程数值模拟方法。结合实... 详细信息

盾构施工下穿既有运营隧道，易导致既有线路变形过大，给地铁列车运营安全带来安全隐患。考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用，以及同步注浆硬化过程和压力消散等关键因素，发展了盾构施工全过程数值模拟方法。结合实际工程建立盾构下穿既有隧道三维有限元数值模型，获得了盾构下穿过程中既有隧道结构变形、内力响应、围岩压力，及其周围地层应力的发展变化规律，揭示了既有隧道的变形机理。结果表明：既有隧道在纵向上发生挠曲和扭转变形，挠曲变形呈现为中部沉降两端隆起的“V”形变形，断面扭转变形呈中间大两端小的分布形式，且随盾构掘进先逆时针扭转后顺时针扭转；对于隧道横断面，在x=-0.8D至0.8D范围内隧道断面呈现侧向压扁、竖向伸长的变形模式，在x=±0.8D之外隧道断面呈现侧向伸长、竖向压扁的变形模式，x=-0.8D至0.8D范围内隧道断面变形由盾构开挖引起的土体卸载引起，x=±0.8D之外的隧道断面变形由中间区域隧道断面扭转和沉降变形的传递导致。

关键词：盾构下穿施工既有隧道变形机理数值模拟

基于机器学习的盾构隧道地表沉降曲线智能预测方法

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北京工业大学学报 2024年 1285-1300页

作者：路德春徐冰孔凡超马一丁杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所华北电力大学水利与水电工程学院

本文联合机器学习模型和启发式智能优化算法,提出盾构隧道开挖地表沉降曲线智能预测方法。首先,建立盾构隧道开挖数值分析模型,在考虑等代层弹性模量、土体弹性模量、隧道半径、土体摩擦角、黏聚力影响的基础上,构建了1 680组不同工况... 详细信息

本文联合机器学习模型和启发式智能优化算法,提出盾构隧道开挖地表沉降曲线智能预测方法。首先,建立盾构隧道开挖数值分析模型,在考虑等代层弹性模量、土体弹性模量、隧道半径、土体摩擦角、黏聚力影响的基础上,构建了1 680组不同工况影响的地表沉降曲线数据库;然后,分析地层和衬砌力学参数、隧道几何参数对地表沉降曲线的影响规律,采用Peck函数对获得的地表沉降槽曲线进行拟合,获得对应工况下地表最大沉降和沉降槽宽度系数;最后,采用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)分别优化4种机器学习方法的超参数或随机数,即多层感知机(multi-layer perceptron,MLP)、极限学习机(extreme learning machine,ELM)、随机森林(random forest,RF)和支持向量回归(support vector regression,SVR),建立了4种盾构隧道开挖有限元模拟代理模型,预测了盾构隧道地表沉降曲线,并对模型的预测结果、预测误差和评价指标进行了对比分析,结果表明PSO-SVR模型在训练和测试过程中性能最佳。建立的盾构隧道地表沉降智能预测方法具有较高的计算精度及计算效率,能合理高效地预测地表沉降曲线分布规律。

关键词：机器学习 Peck公式盾构隧道数值模拟地表沉降曲线智能预测方法

可液化土体中浅埋管廊上浮机制和抗浮措施研究

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 510-520页

作者：张鑫磊纪展鹏黄凯王志华高洪梅胡正阳南京工业大学城市地下空间研究中心江苏南京211816 南京工业大学岩土工程研究所江苏南京211816

为解决可液化土体中浅埋地下管廊类结构的抗浮稳定性问题。提出一种用于控制地下管廊位移的支撑抗浮装置,并通过多组振动台模型试验,验证LS型支撑抗浮装置在地基土液化条件下的工作性能,探明钢板桩间距和斜拉板倾角对支撑抗浮装置工作... 详细信息

为解决可液化土体中浅埋地下管廊类结构的抗浮稳定性问题。提出一种用于控制地下管廊位移的支撑抗浮装置,并通过多组振动台模型试验,验证LS型支撑抗浮装置在地基土液化条件下的工作性能,探明钢板桩间距和斜拉板倾角对支撑抗浮装置工作性能的影响规律,揭示支撑抗浮装置在地基土体液化条件下的抗浮机制。研究结果表明:地基土液化过程中廊底动土压力逐渐增大、廊顶动土压力迅速减小是廊体失稳上浮的原因。LS型地下管廊支撑抗浮装置可有效控制地基土液化导致的管廊上浮问题,并降低廊体应变响应;采用L=150 mm的拉森钢板桩间距及斜拉板倾角为α=45°的支撑抗浮构件时管廊结构受力及变形较小。结论可为地下管廊抗浮稳定性问题提供一定的参考依据。

关键词：地下工程地下管廊可液化地基抗浮稳定性振动台模型试验动土压力

EPS混合土地基-沉箱抗震性能振动台模型试验

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工程力学 2024年第5期41卷 192-200页

作者：高洪梅张淑姗蔡鑫涛张鑫磊王志华孙晋晶黎冰南京工业大学城市地下空间研究中心南京211816 南京工业大学岩土工程研究所南京211816 南京吉欧地下空间科技有限公司南京211800 东南大学土木工程学院南京211189

采用振动台试验研究了饱和砂土地基(CSS)和EPS混合土地基(CES)两种地基模型下沉箱结构的抗震性能。对比了两种不同地基模型下土体动力响应特征及沉箱结构动力稳定性,探讨了动力作用下沉箱的受力状态及失稳机制,分析了EPS混合土地基对上... 详细信息

采用振动台试验研究了饱和砂土地基(CSS)和EPS混合土地基(CES)两种地基模型下沉箱结构的抗震性能。对比了两种不同地基模型下土体动力响应特征及沉箱结构动力稳定性,探讨了动力作用下沉箱的受力状态及失稳机制,分析了EPS混合土地基对上部沉箱结构地震稳定性的影响。试验结果表明:振动过程中CES工况的超孔压发展速率明显低于CSS,EPS混合土可显著提高模型抗液化性能。墙后填土作用于沉箱的动土压力沿深度方向呈三角形分布,沉箱中部位置动土压力最大。CES工况沉箱动力响应,包括加速度、位移及转动角等均小于CSS,表现出更好的抗震性能。CES沉箱所受动土推力与惯性力存在明显的相位差,有利于提高沉箱结构的稳定性。

关键词：岩土工程 EPS混合土地基振动台试验抗震性能相位差转动角

场地均质性对浅埋地铁车站地下结构地震易损性的影响

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振动与冲击 2024年第6期43卷 151-156,178页

作者：蒋家卫李文彪赵雅芝陈国兴杜修力南京工业大学岩土工程研究所南京211816 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

场地条件是影响地下结构地震响应的关键因素之一,该文旨在研究场地均质性对于地铁车站地下结构地震易损性的影响。以两层两跨地铁车站为研究对象,基于ABAQUS/Standard软件平台建立了考虑土-结构相互作用的二维有限元分析模型。模型考虑... 详细信息

场地条件是影响地下结构地震响应的关键因素之一,该文旨在研究场地均质性对于地铁车站地下结构地震易损性的影响。以两层两跨地铁车站为研究对象,基于ABAQUS/Standard软件平台建立了考虑土-结构相互作用的二维有限元分析模型。模型考虑了循环动力荷载作用下土体的非线性与钢筋混凝土的弹塑性力学行为。采用增量动力分析方法分别计算了结构在层层场地条件下与均质场地条件下结构的地震响应,并以层间位移角为损伤指标与地面峰值加速度为地震动强度指标绘制了地铁车站结构的地震易损性曲线。结果表明,层层场地条件下结构的响应均值要显著高于均质场地,但两者标准差一致。在地震动作用下,结构处于层层场地下的破坏概率要明显高于均质场地,这主要归因于层层场地中毗邻结构的土体产生了较大的剪切变形。上述结论可为地下结构基于性能的抗震设计提供科学参考。

关键词：地铁车站地下结构场地均质性地震易损性

典型浅埋矩形框架地铁车站地下结构地震易损性分析

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工程力学 2024年第9期41卷 9-17页

作者：蒋家卫黄文婷赵凯陈国兴杜修力南京工业大学岩土工程研究所江苏南京211816 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

该文旨在研究典型浅埋矩形框架形式地铁车站结构的震后失效概率模型。以9座已建典型矩形框架地铁车站工程实例为研究对象,通过Abaqus/standard有限元软件平台建立了土-结构相互作用三维数值模型。基于地下结构Pushover分析获得的抗震性... 详细信息

该文旨在研究典型浅埋矩形框架形式地铁车站结构的震后失效概率模型。以9座已建典型矩形框架地铁车站工程实例为研究对象,通过Abaqus/standard有限元软件平台建立了土-结构相互作用三维数值模型。基于地下结构Pushover分析获得的抗震性能曲线,定义了各个车站结构的层间位移角限值。采用IDA方法计算得到了地铁车站结构的概率地震需求模型,并绘制了不同地铁车站结构的地震易损性曲线。通过对比研究发现,地铁车站结构之间的震后失效概率相差巨大,场地平均剪切波速对地下结构地震易损性分析结果起主导作用,尤其是与结构等高分布土层的自由场响应结果,但地下框架结构本身的变形能力也是影响结构震后失效概率的重要因素之一。上述研究成果能够有效加强对现行浅埋地下框架结构抗震性能的认识,可为基于性能的浅埋地铁车站地下框架结构抗震设计提供科学参考。

关键词：地下结构抗震浅埋地铁车站矩形框架断面地震易损性 IDA方法