基于集对-组合赋权的填埋场失稳风险评价方法

我国填埋场具有高水位、高气压的特征,现有规范和研究中虽提出了不同的稳定性评价指标和分级标准,但对指标权重和综合风险评估缺乏系统性研究。为此,建立了涵盖填埋场几何构型、垃圾土抗剪强度、液气赋存情况和降雨4类7个指标的填埋场失稳风险评价指标体系,通过参数敏感性分析实现5级分类(稳定、较稳定、基本稳定、不稳定、极不稳定),并采用集对分析构建指标联系度函数。采用指标重要性排序法,通过参数敏感性分析、工程失稳事故、文献关注度统计和博弈论组合赋权,确定了评价指标的综合权重。最后,将指标综合权重与指标联系度函数耦合,建立了填埋场失稳风险综合评价模型,并应用于一实际填埋场工程中,与现场实际监测数据结果一致,验证了评价模型的准确性和有效性。

盾构衬砌数字化设计平台的开发与应用研究

为了对盾构隧道结构设计过程进行降本增效,基于SaaS模式和B/S架构开发了一个Web端的盾构衬砌辅助设计平台(TIM-SAP)。TIM-SAP面向盾构衬砌结构设计业务进行功能交互设计和算法开发,基于生成式建模、网格划分、结构计算、渲染后处理等模块设计程序流程、函数及其调用接口。TIM-SAP能提供衬砌建模、衬砌拼装、隧道建模、荷载计算、横向结构计算、纵向结构计算、衬砌配筋和衬砌出图共8个功能,覆盖建模、计算、配筋、出图的相关作业。其功能模块开发主要用到的技术包括面向B-rep的参数化建模、基于KNN的围岩解析、参数化结构计算和基于RF的配筋方案生成。先通过武汉地铁12号线工程算例对TIM-SAP进行计算结果的调试,然后在武汉新港线盾构隧道设计工程进行了项目应用。研究结果表明,现有成熟的土木工程设计功能模块可以被进一步地集成以实现数字化设计平台和系统的开发。基于算例进行功能调试后,TIM-SAP的计算结果能与现有软件保持一定吻合。结合项目应用情况,TIM-SAP能免去复杂的网格处理、收敛优化、检索查表等操作过程,并提供“一键”生成式建模以支持设计文档中的附图和三维表现。经过与现有软件的操作对比,TIM-SAP减少设计人员的8~60 min工作耗时。该研究成果能提升地下工程的数字化、自动化设计水平。

浅埋超近接上下重叠隧道开挖面合理间距研究

研究目的:重庆鸡公咀上下层隧道近距离平行重叠,施工中存在相互扰动问题。针对上层隧道施工对下层隧道的扰动影响,本文采用数值模拟的方法研究上下层隧道开挖面合理间距,以降低近接隧道施工的相互影响,并达到缩短隧道施工总工期的目的。研究结论:(1)沿隧道纵向平面内,在上下层隧道开挖面水平净距为0跨时,上层隧道对下层隧道扰动最大,为最不利净距;(2)当隧道开挖面的间距在50 m以上时,随着间距的增加,上层隧道对下层隧道的扰动有较为明显的减小;(3)当上下层隧道开挖面的间距在50 m以下时,随着间距的变化,上层隧道对下层隧道的扰动变化并不明显;(4)当上下层隧道开挖面的间距为125~150 m时,下层隧道的竖向位移值稳定在13 mm左右;(5)本研究成果可为今后类似工程的设计与施工提供参考。

基于壳单元的盾构隧道参数化结构计算与验证

三维壳单元较二维梁单元能更精细地模拟管片结构受土体作用下的力学行为。为了推广三维壳单元隧道结构计算模型在大直径盾构隧道结构计算中的应用,提出基于壳单元的参数化隧道结构建模方法(Shell element-based Parametric Tunnel Structure Modeling,SPTSM)。SPTSM基于隧道中轴线及截面半径参数,能自动生成由壳单元所组成的隧道模型。在模型中,相邻环之间的壳单元公共边被定义成线性铰,以此模拟管片环缝间的接头刚度;管片纵缝间的接头刚度通过均质圆环法引入折减系数进行替代;壳单元节点被施加荷载压力、地层弹簧及约束支座,以模拟管片结构与围岩之间的力学行为。SPTSM提供了结构自动建模算法和壳单元节点荷载的自动计算算法,并通过调用Karamba3D有限元结构计算内核,实现盾构隧道结构的建模−计算一体化。将SPTSM应用于杭州某大直径盾构隧道工程76 m区间段,对比结构变形的计算和实际检测结果,验证SPTSM的合理性。SPTSM能自动建立精细的三维壳单元盾构隧道结构模型,并同时完成荷载压力、地层弹簧、线性−铰刚度以及约束支座的布置和设定。对比点云扫描的结构位移检测结果和SPTSM计算出的结构变形结果,SPTSM输出的结构变形云图属于合理范围,结合SPTSM输出的内力云图和荷载分布云图,SPTSM可以近似反映隧道结构局部位置的变形或位移趋势。综上,SPTSM可为盾构隧道的智能化结构设计提供有力支撑。

基于改进贝叶斯更新方法的边坡参数概率反分析及可靠度评估

某一特定场地的岩土力学参数在地质作用下普遍呈现固有的不确定性,融合现场观测数据进行概率反分析可有效缩减这一不确定性。虽然基于子集模拟的贝叶斯更新(Bayesian Updating with Subset simulation,简称BUS)方法可以将等量场地信息的高维概率反分析问题转化为等效的结构可靠度问题,但是当现场观测数据增多时,构建的似然函数值会变得非常小,甚至低于计算机浮点运算精度,会严重影响概率反分析计算效率与精度。为此,提出了一种基于并联系统可靠度分析的改进BUS方法,从基于乔列斯基分解的中点法出发,将接受率低的总失效区域分解为多个接受率高的子失效区域,从而避免因融合大量现场观测数据引起的“维度灾难”问题,实现对边坡岩土力学参数的准确概率反分析。最后,通过一不排水饱和黏土边坡案例验证了提出方法的有效性,结果表明提出的方法能够融合大量钻孔数据和边坡服役状态等观测信息高效进行岩土力学参数概率反分析及边坡可靠度评估,为高维空间变异参数概率反分析和边坡可靠度评估提供了一种有效的工具。

隧道围岩分级特征智能识别及可视化研究

准确、快速获取隧道围岩级别对工程设计、施工及运营意义重大。结合多个四川高速公路隧道项目,共采集7000余张隧道掌子面图像,并利用数据增广方法将数据集扩充至20000余张。按节理裂隙特征、风化卸荷情况、地下水发育情况3种像特征对数据集进行分类标注,并按8:2的比例划分为训练集与验证集。结合深度学习方法,实现掌子面围岩分级特征参数提取识别。搭建了VGG系列、ResNet系列、DenseNet系列、GoogleNet、InceptionV3等卷积神经网络分类模型,并引入准确率、查准率、召回率及F1值等多种评价指标对比分析多种卷积神经网络分类模型的围岩特征(掌子面图像的节理裂隙特征、风化卸荷特征以及地下水发育特征)识别效果。研究结果显示基于DenseNet模型分类识别效果最好,分类准确率分别为:围岩节理裂隙特征87.5%,风化程度特征90%,地下水发育程度特征91.5%,且各特征的F1值均在0.789以上,最高为0.944,平均值为0.852。此外,对DenseNet系列分类模型进行可靠性验证,基于CAM以及Grad-CAM对模型进行分类决策可视化研究分析,分类决策热力图结果显示分类结果与标签特征的强度、位置及范围强相关,为掌子面围岩智能分级提供一定的可解释性,同时也证明了分类模型的预测效果理想。研究成果为利用深度学习进行围岩特征提取提供了新思路。

温度循环作用下石窟砂岩渗透特性试验

石窟岩体常年裸露在外,会受到多种自然因素的影响,尤其是温度变化和渗水等,可能导致岩体物理力学性质发生改变。针对温度循环作用下石窟砂岩的渗透特性开展研究,选取重庆大足石刻砂岩为研究对象,通过渗透试验,对多次冷热循环后石窟砂岩的渗透率进行测定和分析,并进一步研究了渗透试验后石窟砂岩的抗压强度特性。试验过程设计了不同冷热循环次数、不同高温持续时间、不同冷却方式等多种试验工况。研究结果表明:经过多次冷热循环,砂岩渗透率增加,并且渗透率变化幅度受循环次数和冷却方式的影响;当渗透压增大,砂岩渗透率增加;在高渗透压下渗透后,砂岩的强度稍小于低渗透压下的强度。

端部嵌贴预应力CFRP加固RC梁的弯曲性能研究

为考察端部嵌贴(near-end enhanced embedded,NEEE)预应力碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)新型加固系统的效能,研究了不同加固方法、CFRP板条尺寸与黏结长度等影响因素下加固梁的受力行为。研究结果表明:与传统纤维复合材料加固技术相比,NEEE预应力CFRP加固技术具有更大的极限承载力和延性,且能有效抑制混凝土保护层剥离破坏。增大板条厚度会增大加固梁的刚度,但可能引起板端混凝土保护层过早剥离破坏。增大黏结长度能够改善加固梁的延性,减小板端弯矩,提高屈服荷载和极限承载力。

疲劳荷载下水泥砂浆中氯离子渗透行为研究

为了探讨疲劳荷载作用下混凝土中氯离子的传输行为,自行设计装置开展了砂浆疲劳和氯盐共同作用试验,运用比裂缝面积表征试件损伤,分析了不同疲劳荷载水平下的砂浆损伤和氯离子传输性能,探讨了砂浆损伤与氯离子传输的相关性。研究表明:当疲劳上限小于0.4倍试件强度时,氯离子扩散系数增长缓慢;当疲劳上限大于0.4倍试件强度时,氯离子扩散系数增长加快,且随着疲劳荷载水平的增大,砂浆损伤不断增加。

基于改进接触模型的类岩石材料裂纹扩展分析

为了探究复杂应力状态下岩体内缺陷(裂隙)的扩展与贯通机理,基于三维离散元软件(PFC3D)和改进的平行黏结模型(IPBM),模拟了双轴压缩试验中含双预制裂纹类岩石材料的裂纹扩展过程。通过逼近实验试件抗压强度、抗拉强度和弹性模量的宏观力学参数和裂纹扩展模式,调整数值模型微观参数。针对离散元模拟中的关键预制裂隙参数与围压对裂纹萌生、扩展及贯通过程的影响进行详尽的分析,结果表明:初始裂纹通常为拉伸裂纹,而次生裂纹通常为剪切裂纹,裂隙倾角主要影响初始裂纹位置;围压抑制初始裂纹,但促进次生裂纹发展;预制裂隙间的贯通裂纹与裂隙的参数和围压密切相关;围压σc>0 MPa时,观察到两种新的剪切贯通类型(New1和New2);数值试样中微裂纹的数量主要受围压影响,与裂隙参数无明显关联;试样的裂纹起始应力、峰值应力与围压和裂隙倾角相关,与岩桥长度和岩桥倾角无关;裂纹的扩展与试样内应力分布密切相关,裂纹最先在裂隙周围的应力集中区产生。结果为后续岩石与类岩石材料的离散元模型参数校准,以及基于离散元的裂纹扩展机理研究提供了可靠参考。

高寒区冻融环境下岩体爆破漏斗试验研究

相比常规岩体,高寒区冻融环境下岩体的力学参数及破碎特征均存在显著变化,其矿岩爆破开挖也难以直接应用传统设计参数,开展冻融环境下的爆破工艺参数研究具有重要意义。研究以巨龙铜矿为依托,在分析冻融循环对岩石力学特性影响的基础上,开展了冻融环境下矿岩的单孔和双孔同段爆破漏斗试验,测定了爆破漏斗几何参数和块度分布,采用拟合方法确定了爆破设计的合理参数,并对比分析了该矿山四种不同岩性条件下的爆破漏斗参数变化。结果表明:冻融循环作用下岩体力学特性显著衰减,单轴抗压强度和弹性模量下降幅度可达40.6%、54.0%;不同岩性条件下冻融矿岩的单孔爆破最佳埋深比为0.678~0.789,最佳药包埋深与漏斗半径比值分布在0.875~1.076范围内。针对知不拉矿区炮孔孔径152 mm,矽卡岩孔网参数为4.5 m×3 m,炸药单耗0.56 kg/m^(3);凝灰岩孔网参数为5 m×4 m,炸药单耗0.63 kg/m^(3);针对巨龙矿区孔径310 mm,凝灰岩爆破孔网参数为7 m×5 m,炸药单耗0.61 kg/m^(3);花岗斑岩孔网参数为8 m×5 m,炸药单耗0.64 kg/m^(3)。

螺纹桩加固风积沙地基液化特征试验研究

研究目的:随着我国的西部交通建设不断发展,线路工程将难以避免地穿越风积沙河谷地区,路基工程将面临地基液化的问题。螺纹桩作为近年来出现的新型桩基,在地震作用下加固可液化场地的桩土相互作用力学机制和抗液化效果的研究相对较少。本文通过振动台试验,首次从小波包能量变异角度研究了螺纹桩加固风积沙地基的液化特征,并验证了其适用性。进一步分析了螺纹桩复合地基液化易发部位的时频-能量演化规律,并探讨了风积沙的微观液化过程。研究结论:(1)在地震作用下,螺纹桩能提高风积沙地基的刚度和整体抗液化能力,抑制风积沙骨架结构的变化或重组;(2)小波包能量变异特征与孔压响应呈现的液化规律联系紧密,评价地基液化具有适用性;(3)螺纹桩可将风积沙地基的液化易发区从中部转移到浅层,有利于通过地基加固人为干预地基液化;(4)螺纹桩-风积沙复合地基未发生液化时,震动响应能量主要集中在第一频带(0.1~6.26 Hz),而发生液化时,低频(2~5 Hz)积聚的能量逐渐向高频(10~15 Hz)发散,并伴随在时间节点上出现新的能量尖点;(5)在微观层面,风积沙液化过程是剪胀剪缩循环交替的过程,颗粒排布从紧密接触到相互分离,而螺纹桩桩身的螺纹对风积沙的体积应变有抑制作用,降低其液化势;(6)本研究成果可为液化地基螺纹桩加固技术设计提供一定参考。

裂隙岩体三维随机裂隙建模与渗流数值仿真研究

裂隙岩体数值仿真是研究工程岩体稳定性的重要方法之一,本文围绕三维裂隙岩体随机裂隙建模和渗流仿真展开研究.针对三维裂隙空间定量表征问题,基于空间解析几何方法导出三维裂隙产状控制方程,在此基础上发展了随机裂隙生成算法和网格剖分方案,为裂隙可视化和生成裂隙单元提供基础;讨论了一种处理三维交叉裂隙的方法,从而降低网格单元扭曲度.进一步,采用裂隙孔隙双重介质渗流模型,对三维裂隙岩体进行渗流仿真,通过算例展示了几种不同的裂隙分布形式及其网格剖分结果,分析了三维交叉裂隙模型和随机裂隙模型的渗流特性.

单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征

针对单向应力作用于地下采空区顶板的破坏规律特性问题,基于弹性薄板理论和压力拱理论,利用单轴压力试验机对顶板模型进行了试验,并探究了不同荷载条件下顶板模型的受压过程和变形特性。结果表明:顶板的破坏过程与峰值应力是否超过疲劳强度密切相关,超过疲劳强度时会出现加速破坏阶段;顶板的变形过程可以分为三个阶段,分别对应于不同的应力和应变变化规律;顶板的失稳破坏位置与荷载条件有关,周期荷载条件下更容易导致整体垮落塌陷;侧帮支撑作用对顶板的承载能力和稳定性有正面影响,但也会增加应力集中和变形。研究结果对于理解顶板在不同荷载条件下的力学行为和提高顶板的安全性具有重要意义。

基于内聚力模型的盾构管片承载能力测试方法分析及评估:以福州滨海快线地铁项目为例

盾构管片的结构性能对于盾构法施工隧道的安全及正常服役有着至关重要的作用,因此有必要对盾构管片的受力性能进行详细的研究及了解。目前,针对盾构管片结构承载能力的试验测试方法主要有原型管片测试法以及更为经济的对称倾角梁测试法。为研究对称倾角梁所得的盾构管片承载性能与实际原型管片承载性能间的关系,基于内聚力模型,考虑混凝土缝间摩擦以及钢筋-混凝土界面法向分离,分别建立了混凝土潜在断裂面以及钢筋混凝土界面本构模型,提出了一种适用于盾构管片承载力分析的钢筋混凝土结构断裂损伤全过程数值分析模型,并基于已有的盾构管片原型试验对模型进行了检验。最后,基于福州滨海快线地铁项目所用的典型管片,采用已建立的模型分析了原型管片试验与对称倾角梁试验所得管片承载力间的关系,并对结果进行了分析及评估。

超长定向钻注装备关键技术分析及发展趋势

定向钻技术起源于石油钻井工业,经多年发展已拓展至隧道工程地质勘察及灾害处置、煤矿底板含水层改造、蓄能电站抽水通道施工、市政管道铺设等多个领域。地面注浆技术结合定向钻长距离精准穿越的优势,可实现地下工程不良地质高效预加固与灾害安全处置,具有广阔的应用前景。系统综述了定向钻注装备技术的发展历程、研究现状和待突破关键技术。首先,介绍了定向钻与地面注浆技术的发展历程;其次从重大科研项目、学术论文、授权专利以及工程实践等方面进行了分析与总结。结果表明:我国现阶段定向钻注技术总体已达到自主化、实用化的国际先进水平,但在千米级长距离快速钻进、复杂地质条件精准导向、地下工程精准注浆处置等核心技术方面仍存在“卡脖子”难题。面向战略性重大工程建设需求,提出了超长距离定向钻注一体化装备“预报、钻进、注浆、检测”四大功能模块,围绕随钻感知预报、快速钻进与卡钻预测、精准导向技术、远距离凝胶可控注浆材料、稳压控制分段注浆工艺、随钻检测系统六方面,开展了分析与讨论,可为我国定向钻注一体化装备技术发展和地下工程灾害防控提供参考。

弱胶结宽级配卵漂石工程地质特性及边坡稳定性研究

青藏高原山区河流阶地发育,区域内卵漂石具有弱胶结、宽级配、超大粒径颗粒含量较多等特点,工程地质特性及边坡稳定性研究难度大。采用现场原位试验、室内试验和地质调查测绘等方法,初步查明西藏扎拉水电站工程区卵漂石颗粒级配及抗剪强度。通过近景测量摄影、图像处理技术与常规颗粒分析试验相结合可确定颗粒级配,基于实测边坡地形和调查稳定坡角,结合稳定性反演计算可获得抗剪强度参数。结果表明:天然和饱水条件下卵漂石的内摩擦角差别不大,但饱水条件黏聚力仅为天然条件的25%~40%,由此对正常蓄水位以下、以上的库坝区边坡分别采取不同的支护措施,确保了处理方案的安全性与经济性。研究结果可为库坝区卵漂石边坡稳定性计算评价及处理方案设计提供地质依据。

金星金矿深部巷道岩体质量评价及支护系统优化

针对金星金矿深部岩体质量评价及支护系统优化的问题,基于地质力学RMR分级系统,以金星金矿-450 m中段巷道为研究对象,在金星金矿7号脉-450 m中段巷道应用,得出岩体的RMR评分为45,岩体质量属于Ⅲ级,岩性较好。对巷道支护材料选型进行服役效率分析与思考,基于岩体质量分级结果,提出了理论计算与数值模拟结合,选定区域现场工业分级分区多层级支护应用试验,选择最佳的支护材料及参数,以保障矿山经济效益。

超深硬岩地层井壁失稳的动力学分析模型:本征频率和高应力的影响

针对超深致密砂岩地层井壁动力学失稳难题,考虑孔隙流体和硬岩的压缩性、惯性及黏滞耦合作用,建立井筒压力波动条件下井周应力分布公式,建立了超深致密硬岩地层井壁坍塌指数的孔隙弹性动力学模型,分析地层本征频率与高应力对井壁失稳的影响规律。本文提出的孔隙弹性动力学模型预测的地层较传统模型预测的地层更易失稳,且高本征频率、最大地应力高的地层比一般地层更易失稳;揭示了超深硬岩地层井壁突发性失稳力学本质,可为钻井过程中井筒压力控制参数调整提供科学依据。

钢渣和石灰改良膨胀土的工程特性研究

在天然膨胀土中添加钢渣和石灰以改良工程性质。对改良后膨胀土进行界限含水率、压实性、膨胀性以及承载比试验,研究钢渣和石灰作为添加剂对膨胀土工程特性的影响。结果表明,随着钢渣/石灰掺量的增加,液限、塑限等界限含水率降低,最优含水率下降而最大干密度增加;掺钢渣和石灰后,改良土的膨胀性能显著降低,承载比明显增加。相同条件下,钢渣对膨胀土工程特性的改良作用优于石灰,而两者结合使用时效果更佳。这是由于钢渣除了与膨胀土发生离子交换,产生絮凝作用外,还可生产C-S-H等胶凝物质,加入石灰可以激发钢渣胶凝物质的反应。