基于深度学习的盾构机土舱压力场预测方法

土舱压力是盾构机受力状态和掌子面稳定等核心问题中的关键因素。土舱压力具有显著的空间变异性,其形成演化机制源于装备与岩土之间的复杂耦合作用,与地质特征、掘进参数等多源参数相关。然而,现有土舱压力预测方法一般未考虑空间分布特征或地质参数影响。针对该问题,提出了一种基于空间分布物理特征函数导引深度学习的盾构机土舱压力场预测方法。该方法构建物理特征函数用于解耦土舱压力空间分布特征,采用卷积神经网络和门控循环单元分别提取多源参数历史信息的空间特征和特征系数的时序特征,结合多源参数实时信息对特征系数进行预测,从而实现土舱压力场的预测。以长沙地铁四号线某区段为案例,利用该方法准确预测了土舱压力空间分布实测数据,准确率高达0.98,验证了所提方法的有效性。敏感性分析表明,不同地层中土舱压力空间分布特征系数的主要敏感参数基本一致,但其敏感度随地层地质条件的变化规律差异显著,可为复杂地层盾构机土舱压力精细化调控提供参考。

门式抗浮框架作用下上方开挖既有盾构隧道响应解析解

上方开挖卸载导致既有盾构隧道结构产生上浮,易引发结构渗漏水、开裂等病害。竖井开挖联合门式框架技术是限制上方开挖引起既有隧道上浮的一种有效控制措施,但是目前仍缺少相应的理论方法用于指导门式抗浮框架的设计。为此,提出了既有隧道结构响应的解析解,可以实现竖井和基坑开挖阶段既有隧道结构纵向和横截面变形计算,并给出了相关的计算流程。通过与工程实例和三维数值模拟结果进行对比,验证了解析解的可靠性。通过典型算例计算和参数敏感性分析讨论了门式抗浮框架的作用机理以及既有隧道埋深和竖井开挖尺寸等因素的影响规律。结果表明:门式抗浮框架在基坑开挖阶段可以有效控制上方开挖引起的既有隧道变形,控制效果与既有隧道上方剩余覆土厚度密切相关,剩余覆土越小控制效果越明显;门式抗浮框架的作用效果主要取决于抗浮板与土体之间的作用力,抗拔桩与土体的作用力对既有隧道变形影响较小。

双道密封垫分布形式对大直径盾构隧道接缝力学性能影响研究

为探究大直径盾构隧道双道防水密封垫的合理分布方式,采用考虑接缝细部构造及混凝土塑性损伤的精细化数值模拟方法,通过纵缝抗弯足尺试验验证该方法的有效性,并进一步利用精细化数值模拟对比分析密封垫双道内外分布及密封垫双道外侧分布下接缝的力学性能及防水性能。研究结果表明:1)精细化数值模拟在反映接缝抗弯性能方面具有良好的可靠性;2)接缝受压区高度、张开量及螺栓应力随弯矩增大呈现4阶段的发展模式,受压侧外缘接触一定程度提升了抗弯性能;3)轴力显著影响接缝初始抗弯刚度的保持,且轴力与初始抗弯刚度并非完全正相关,高轴力下初始抗弯刚度有一定下降;4)密封垫双道内外分布的负弯性能略优于正弯性能,密封垫双道外侧分布的负弯性能远超正弯性能;5)密封垫分布从轴力附加弯矩和核心区混凝土高度2方面影响了接缝的抗弯刚度;6)正弯矩下双道外侧防水性能优于双道内外的防水性能,而负弯矩下双道外侧防水性能较双道内外的防水性能差。由于具有更好的正弯性能以及至少有一侧密封垫受压的防水性能,密封垫双道内外分布的纵缝形式具有更好的适用性。

软土地基上刚性桩—路堤共同作用分析

针对桩承式路堤工作性状比较复杂、对路堤—桩—土之间共同工作机理的认识还不是十分清楚的问题,建立了考虑土—桩—路堤变形和应力协调的平衡方程,分析了三者协调工作时路堤、桩、土的荷载传递特性,获得了路堤的土拱效应、桩土荷载分担、桩和土的沉降等结果。将本文的方法与弹塑性有限元计算结果进行了对比,验证了该计算模型的合理性,同时应用所提出的方法,对杭甬高速公路拓宽工程进行了分析。

干砂盾构开挖面稳定性模型试验研究

盾构技术在地下空间开发中得到广泛应用,保持开挖面稳定性是盾构施工的关键,但这方面的大尺寸模型试验研究一直很少。利用直径1 m的盾构模型,研究了干砂地层中不同埋深比(C/D=0.5,1.0,2.0)下盾构开挖面稳定性问题。试验中分析了埋深比对开挖面极限支护力及地表沉降的影响,揭示了开挖面稳定性与极限支护力及地表沉降的关系,提出同时监测控制开挖面土舱压力及地表沉降的重要性,并给出关键控制键参数。对确定开挖面极限支护压力有重要的指导意义。

竖向卸荷下砂土和粉质黏土力学特性试验研究

土体极限卸荷比和临界卸荷比是确定基坑底扰动区深度的重要指标。基于福建标准砂和福州粉质黏土开展了多组竖向卸荷试验,根据归一化回弹变形确定了土体卸荷比特征值。试验结果表明:竖向卸荷下土体表现出三阶段回弹变形规律;小于临界卸荷比时,土体回弹变形可忽略不计;而大于极限卸荷比时,土体回弹变形、侧压力系数快速增加,回弹模量和剪切模量显著弱化,水平残余应力比出现拐点且开始下降。此外,针对既有卸荷试验研究,总结了试验手段和卸荷比特征值的判断依据,并给出黏性土、粉土和砂土等土体的卸荷比特征值统计均值。

软黏土地层盾构隧道底部注浆抬升量计算方法

下部地层注浆是盾构隧道过大沉降的常用治理措施。结构性软黏土地层中注浆引起的超孔压在注浆后持续消散,导致隧道抬升后因地层固结而发生沉降,进而降低隧道抬升效率。为预测下方地层注浆引起的盾构隧道纵向变形,提出了考虑土体结构性的盾构隧道底部注浆抬升量—沉降量两阶段计算方法。应用于宁波地铁2号线注浆抬升案例,隧道抬升效率计算值约51%,与同为软黏土地层的上海地铁2号线某区间盾构隧道实测抬升效率非常接近。此外,针对注浆参数、地层参数与隧道参数开展了参数分析,结果表明:隧道最终抬升量及抬升效率与土体基床系数、注浆体积呈正相关,与地层屈服应力成负相关;随埋深比增大,注浆区域隧道最终抬升量减小,而抬升效率变化甚微。计算方法可以为软黏土地层运营盾构隧道注浆抬升设计提供理论支撑。

水平循环荷载下高桩基础受力性状模型试验研究

近海高耸结构基础承受风、浪、波流等水平循环荷载作用,受力变形性状十分复杂。在饱和粉土地基中完成了单桩和群桩的水平循环加载试验,揭示了单桩和群桩响应随循环加载的变化规律。试验结果表明:循环加载使桩周土体产生累积塑性变形,桩–土体系水平刚度随循环次数增加不断下降;先期循环加载对后期加载的刚度有着明显影响;群桩中各基桩分担的水平荷载比例随循环加载发生重分配,前排桩的作用得到更多发挥;荷载循环效应对群桩的影响大于单桩。基于p-y曲线法引入循环效应系数以考虑荷载循环的影响,并将该方法与其它文献方法和试验结果作了对比验证。

改进的桩土界面荷载传递双曲线模型及其在单桩负摩阻力时间效应研究中的应用

桩土界面荷载传递模型对预测桩的承载变形性状有重要影响。本文在总结前人研究成果的基础上,改进了反应桩土界面荷载传递性状的双曲线模型。改进后的模型可以描述随着地基土的固结,桩侧土初始剪切刚度随时间增长及桩土界面的加载、卸载循环剪切特性。利用该模型分析了大面积堆载下,在桩顶作用大小不同的竖向荷载以及桩侧土达到不同固结度时再施加桩顶荷载情况下,桩身摩阻力的发展变化规律。研究结果表明:随着地基土的固结,桩身中性点位置处于一个变化过程中,桩顶作用的荷载大小不同,桩身中性点位置也不同;地基土固结一段时间后再打桩能减小桩侧负摩阻力。

基坑开挖坑底土拱效应离心模型试验及数值分析

基坑开挖会导致坑底产生土拱效应。与活动门上方土拱效应相比,基坑底土拱效应发展方向与土体自重应力方向相同且具有不同的力-位移边界条件。为探究土拱效应影响下基坑底土体竖向应力和回弹变形等力学响应,开展了干砂地层基坑开挖离心模型试验,并同时进行了不同开挖深度和宽度的多工况下数值分析。研究表明,基坑底地层存在差异变形和应力转移现象,证明了坑底土拱效应的存在;基坑底存在松动区和土拱区,松动区内土体相对密实度明显下降,土拱区以下地层回弹量仅占坑底总回弹量的20%;开挖深度和宽度是影响坑底土拱效应形成-演化的关键因素,二者与松动区和土拱区高度呈正相关。研究结论可为预测基坑开挖导致的地层响应和下方既有地下结构变形控制提供支撑。

饱和及非饱和粉土中扩底桩极限上拔承载力大尺寸模型试验研究

通过采用大比例尺模型对饱和度为49%的非饱和粉土及饱和粉土中埋深比(桩埋深与扩底直径之比)为1,2,3和5的扩底桩进行试验研究,揭示饱和度、埋深比对扩底桩极限上拔承载力及其破坏模式的影响。试验结果表明:土体饱和度从49%增加至100%,扩底桩的极限上拔承载力降低至原来的30%～50%;扩底桩埋深比从1增加至5,非饱和及饱和土中桩的极限上拔承载力分别增加8和12倍;扩底桩的上拔破坏模式随埋深增大由桩周土体倒圆锥台形破坏变为扩底圆周土体局部破坏。

水位变化对无砟轨道路基变形特性影响的研究

在地下水位变化等干湿循环作用下,高速铁路路基中含水量和饱和度发生变化,加剧了路基在列车移动荷载作用下的累积变形,影响路基的长期服役性能。本文采用足尺物理模型试验,研究多次水位变化情况下高速铁路无砟轨道路基的变形特性,获得轨道板弹性变形以及路基累积变形的发展规律。本文研究表明,轨道结构弹性变形会受到列车运行速度、列车轮轴荷载振动次数和水位变化等综合因素的影响。路基地下水位第一次循环变化极大加剧了路基的累积变形,而多次循环下路基累积变形变化较小。最后对路基累积变形实测结果进行拟合,得出路基累积变形随轮轴荷载振动次数以及列车运行速度的变化规律。

桩承式加筋路堤关键问题研究

利用弹塑性有限元方法研究了桩承式加筋路堤应用中的几个关键问题,包括桩承式路堤的沉降组成和分布规律、适用条件、荷载分担比的影响因素等。具体研究了未打穿软土层情况下不同路堤高度时的路堤沉降规律,在打穿和未打穿2种情况下荷载分担比随桩托板尺寸、桩间距、路堤高度等因素的变化规律及土工格栅的作用。结果表明:路堤沉降主要取决于桩端以下软土层的压缩;荷载分担比随桩托板尺寸和路堤高度的增加而增大,随桩间距的增加而减小;土工格栅对荷载分担比和路堤沉降影响都不大。

桩承式加筋路堤受力机理及沉降分析

作为一种经济、有效的软土地基处理方法,桩承式加筋路堤在国内外已开始使用。把单桩处理区域及上部路堤等效为圆桩体,采用弹塑性有限元法分析了瞬时加载后地基中超静孔隙水压力的分布特征及消散过程,研究了加筋格栅的受力和路堤的沉降特性等,分析了桩长、桩间距及桩托板大小对桩体荷载分担比和路堤沉降的影响。研究结果表明,打桩后桩体所受荷载向下传递,地基中的初始最大孔隙水压力出现在桩端以下土层。打穿软土层情况下,路堤的沉降量决定于浅部桩间土的压缩,而未打穿情况下,路堤的沉降量决定于桩端以下软土层的压缩。桩长是控制路堤沉降的最主要因素,其次是桩间距和桩托板尺寸。最后对一个工程实例进行了分析。

不同水平偏心距下群桩内力变化规律试验研究

为研究不同偏心距下水平加载群桩性状和内力分配规律,开展饱和粉土中2组3×3钢管桩群桩(偏心距分别为e=11D和6D,D为桩径)大尺寸模型试验。试验结果显示,扭矩荷载和水平荷载存在着显著耦合效应,外加扭矩显著降低群桩水平承载能力;群桩中,各基桩桩头内力表现出明显的差别,少数基桩承担大部分荷载,且随着偏心距增加,差别更加明显;桩头水平剪力与扭转抗力对抵抗外加扭矩都发挥着重要作用,随着外荷载的增加,水平剪力所占比重明显增大。

桩网结构路基应力传递特性及累积沉降规律

桩网结构路基由于诸多优点而成为高速公路、高速铁路广泛采用的一种路基形式。通过足尺物理模型试验研究了动、静荷载作用下的应力传递特性以及长期列车荷载作用下的路基累积沉降规律。试验表明,路堤内部的静应力先随路堤深度衰减,到达土拱区域后,桩顶上方土体的应力并没有衰减,反而随路堤深度递增,即产生明显的土拱效应。列车动荷载作用下,土拱效应仍可以发挥作用,动应力沿深度的分布模式与静载作用下类似。该种形式的桩网结构路基在40k Pa静载作用下,变形小于1mm,荷载20k Pa时,路基弹性变形小于0.4mm。该种路基在列车循环荷载作用下的累积沉降在毫米级别,并在列车运营的1~2年内完成。

高铁路基粗颗粒土水力学参数测试方法研究

高铁路基粗颗粒土的水力学特性对路基内部水分运移及路基的长期累积变形有重要影响。而对这种高压实度的粗颗粒土,常规非饱和土试验仪器存在试样尺寸小、制样难度大的缺点,难以应用。介绍了一种用于测试高压实度路基粗颗粒土-水力学参数的试验装置,利用张力计和时域反射计量器,分别测量路基粗颗粒土在浸湿、干燥阶段不同高度处土体基质吸力、介电常数的变化情况,获得高压实度下高铁路基粗颗粒土土-水特征曲线;并通过瞬态剖面法获得路基粗颗粒土非饱和渗透系数与基质吸力的关系。试验结果表明,该套装置能够适用于最大粒径为20 mm的粗颗粒土,试样压实度最大可达到0.95。通过对一组试验结果分析,并结合Ekblad等试验结果,发现随着填料细颗粒含量增大,?(与进气值有关的参数)值逐渐减小,土体进气值增加;粒径越大,细颗粒含量越低,土体储水能力越低,对应n(与排水程度有关的参数)值越大。为路基粗颗粒土-水力学参数的测定提供了方法。

砂土地层盾构隧道开挖面被动破坏极限支护力研究

盾构掘进时推力过大极易造成地表隆起,导致开挖面前方土体被动破坏。基于莫尔–库仑屈服准则,采用大型有限元软件ABAQUS对砂土中盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,得到开挖面的被动破坏支护力并揭示开挖面的被动破坏模式。进而,将传统的三维楔形体极限平衡模型中的棱柱体修正为具有一定倾角的倒棱台,使其破坏区域更为接近真实的土体隆起区域。推导开挖面被动极限支护力关于楔形体倾角的表达式,并通过试算,找出最小的支护力值即为被动破坏支护力。采用修正后的极限平衡模型得到的被动支护力与数值计算结果吻合良好,并且都较好的落在E.Leca等计算的上下限范围内。该模型为盾构隧道施工中确定支护力的上限值提供参考。

高速铁路板式无砟轨道不平顺下路基动应力的概率分布特征

路基动应力的概率分布特征是路基极限状态法设计的基础。本文利用列车-板式轨道-路基耦合三维动力有限元模型,研究了高速列车在德国低干扰谱下以3种典型速度运行时路基动应力的概率分布特征,给出了路基动应力的均值及变异系数沿深度方向的分布,讨论了列车运行速度对均值及变异系数的影响。最后根据柯尔莫哥洛夫检验方法,对路基动应力进行了正态性验证,发现列车运行时各个路基深度处的动应力均服从正态分布。本文获得的动应力概率分布特征可为路基累积沉降的可靠度分析提供基础。

水平及扭转荷载作用下群桩基础受力分析方法

江河与海上的大型结构在船舶撞击、风浪等作用下,其桩基础往往会受到水平及扭转荷载共同作用,极易造成基础倾斜倒塌。针对水平和扭转共同受荷下群桩基础,建立了由刚性承台–弹性梁–土非线性弹簧组成的群桩计算模型。通过水平p–y曲线法、竖向荷载传递法、扭转τ–θ曲线法,计算单桩非线性刚度;群桩各基桩间相互作用和基桩各自由度耦合,通过考虑p乘子和运用考虑推力弯矩影响的基桩受扭计算模型体现。结合牛顿迭代法,对计算模型进行求解,并与大尺寸物理模型试验结果进行了对比。通过参数分析表明在水平和扭转荷载共同作用下,群桩中各基桩桩头剪力分配不均性十分显著;并获得不同承台高度时群桩中基桩轴力变化规律,为复杂荷载下群桩设计提供依据。