基于透明土石混合体的水力侵蚀特性研究

土石混合体是一种力学性质极其不均匀的材料,其水力侵蚀过程往往也是复杂和难以预测的。现有的水力侵蚀试验往往难以观察土石混合体水力侵蚀过程的变化,而透明土石混合体是一种可以较好地还原真实土石混合体力学性质的相似材料。基于此,进行了透明土石混合体水力侵蚀模型试验。试验考虑了含石量、块石尺寸、固结压力3个内在因素及流量外在因素。对试验结果进行二维断面分析以及三维重构,结果表明:对于每个试样组,存在一个平均侵蚀速率及临界侵蚀流量,平均侵蚀速率越小、临界侵蚀流量越大表明试样抗侵蚀能力越强。试样的抗侵蚀能力随着含石量增大而先增大后减小,随着块石尺寸增大而先增大后减小,随着固结压力增大而增大。纯土试样在低流速冲刷下最终会趋于光滑、平缓的“S”型岸坡,而在高流速冲刷下会在前端形成较陡的坡,而后端土体几乎被冲走;土石混合体通常在水力侵蚀下呈块状剥离,最终形成表面粗糙的倒梯形岸坡。

基于物理信息神经网络的盾构隧道诱发地表沉降预测

地表沉降是城市复杂环境下盾构隧道施工重点关注的问题。传统机器学习方法在预测隧道施工诱发地表沉降时忽略了其内在的物理机理,存在对训练样本需求量较大的弊端。基于深度神经网络(deep neural networks, DNN)对Verruijt-Booker解的围岩位移因子进行修正,构建地表沉降与隧道开挖面空间位置的关联。将修正后的Verruijt-Booker解的物理方程耦合至另一并行的DNN框架中,构建数据-物理双驱动的物理信息神经网络模型(physics-informed neural networks, PINN),从而约束神经网络在满足物理机制的空间中进行训练。算例分析的结果表明:在同等配置的条件下,提出的PINN模型的预测效果显著优于单一数据驱动的传统DNN模型,其外推泛化性能得到显著提升。工程应用的结果表明:PINN模型可以利用施工前期的实测数据,准确预测后续施工过程中开挖面在不同位置时监测断面的地表沉降值。提出的方法有助于提高盾构隧道施工过程中地表沉降控制的智慧化程度,可为工程的潜在风险及施工决策提供预警和指导。

岩溶区空间变异性边坡建筑荷载作用下稳定分析

基于长沙湘江欢乐城废弃矿坑进行改造再利用工程项目,为保证上部工程建筑安全,对地质条件复杂且常有岩溶发育的矿坑高陡边坡稳定性开展了系列研究。考虑岩土体固有的空间变异性及岩溶孔洞影响,采用确定性和可靠度分析相结合的方法对边坡稳定性进行评价。首先针对土岩结构多级高边坡采用Morgenstern‐Price法计算非圆弧滑动面条件下的安全系数;随后基于随机场理论,考虑岩土体抗剪强度指标的空间变异性,对不同变异特征下受结构荷载作用的高陡分级边坡稳定性开展了概率分析;并探讨了岩溶空洞的发育情况及位置对高陡边坡可靠度的影响。结果表明,在土‐岩二元结构的边坡中,滑动破坏往往只发生在性质较差的上层土体中。考虑岩土体力学特性的空间变异特征对边坡稳定性分析具有重要意义,忽略空间变异性可能高估边坡的失效概率;溶洞位置和形状都会影响边坡稳定性,溶洞越靠近陡峭临空面对边坡影响越大,整体来说圆形溶洞比方形溶洞更容易造成边坡失稳破坏。

基于Chebyshev-Galerkin-KL展开的土质边坡稳定可靠度分析

提出了一种基于Chebyshev-Galerkin-KL(Karhunen-Loève)展开的新型随机场离散方法,推导了该方法的理论公式,并研发了基于Python语言的边坡滑体体积计算及其失效模式自动识别的高效程序。采用一个水位上涨时的非饱和土坡算例验证了方法的有效性。结果表明:所提随机场生成方法为求解第二类Fredholm积分方程提供了一种新思路,可准确表征岩土体参数的空间变异性。基于Python提出的边坡风险评估程序,与随机有限元计算过程不耦合,极大地提升了开展边坡风险评估的效率,从而增强预测滑坡致灾风险的时效性。此外,研究中非饱和土坡算例可靠度分析结果表明:水位上涨速度越慢,最大水位高度越高,该边坡的安全程度将越低。岩土体参数的竖向空间变异性对该算例边坡安全系数的影响甚微,但对滑体体积的影响较为显著。在对水位上升条件下的边坡开展可靠度分析时,应关注抗剪强度参数间的负相关性,否则将会低估边坡的安全程度。

不可移动石质文物岩石理化性质研究——以重庆市石佛寺遗址摩崖造像区为例

以重庆市石佛寺遗址摩崖造像区为工程背景,通过开展野外勘测及岩石试样的理化性质测试,提出一种针对不可移动石质文物的理化性质研究方法,即跨尺度分析方法。室内试验采用宏观试验及微观试验,宏观试验包括三轴试验和直剪试验,微观试验包括扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析。采用宏观试验测得样品的基本力学参数;通过电镜分析可知,试样为标准的砂岩,孔隙率较大,表明其对水的敏感性较高,在长期干湿循环作用下,其强度会随着时间的推移而降低,即典型的水岩相互作用;XRD衍射试验表明,由于砂岩中黏土矿物含量较高,故其水理性质较差,抗风化能力较弱,这是导致其风化的主要原因。地质雷达勘测及辅助声波探测表明,在有效保护文物的前提下,可以采用该方法对文物进行宏观和微观的跨尺度科学分析。

重庆老鼓楼衙署遗址强度劣化规律及渗水病害防治对策

为研究饱水作用下石质遗址的力学强度劣化特征,掌握地下水的渗流迁移路径,多尺度联合开展室内微观试验、宏观试验和现场渗水检测。微观试验包括偏光显微镜、X射线衍射分析和孔隙度测试,宏观试验包括吸水试验和单轴抗压强度软化试验,现场检测主要采用高密度电阻法对含水岩层成像分析。岩相鉴定结果表明:整体岩性为砂质泥岩,矿物成分主要为石英、长石;黏土矿物以伊利石为主,则此类岩石抗干湿循环能力差;砂质泥岩饱和系数在0.84~1.00之间,软化系数在0.55~0.65之间,属于工程地质软岩,高软化性是地层结构变形的主要原因;地表水作用下泥岩裸露并产生构造裂隙,部分岩石表面出现盐析病害,渗流-应力耦合作用下坡体失稳变形;高密度电阻率法现场检测发现,地下水渗漏导致城墙遗址下呈现低阻带,电阻率在20Ω·m以下,主要为水渠渗水所致。建议对遗址地上和地下结构进行排水和防渗处理。

长大隧道建设与运营安全致灾风险评估综述

随着我国长大、特大隧道不断涌现,隧道工程建设高速发展,而隧道风险评估领域研究稍显滞后,影响精品化隧道工程与高质量发展。对国内外长大隧道建设与运营阶段风险评估现状开展综述研究,从单因素评价法到多因素评价法对风险评估方法进行介绍及优缺点评价,并针对隧道建设阶段涌水、塌方、岩爆等风险,阐述单因素风险评估现状。同时介绍目前主要的风险评估方法,包括(模糊)层次分析法、贝叶斯网络法、神经网络法,并对不同方法进行简要评价。最后,就目前隧道领域风险评估进行总结,对该领域未来发展提供建议,以期为该领域工程和研究人员提供一定参考。

自然灾害防控产业的技术突破与发展路径战略研究

在全球气候变化及地质活动日益活跃的孕灾大环境下,我国亟待实现自然灾害的快速高效应急处理,相应的灾害防控产业升级同样势在必行。结合自然灾害防控关键环节的发展方向,通过文献整理、现场调研、专家咨询及问卷调查等方式,分析了自然灾害防控产业面临的问题与挑战,开展自然灾害防控产业技术突破与发展路径的研究,提出以下对策措施:构建更为完善的标准化体系,严格核定从业资格,实时把控自然灾害防控产业的市场动态,保障产业市场良性竞争;立足本土化发展优势,集群化发展自然灾害防控产业,贯通自然灾害多产业链条;以自然灾害防灾减灾的基础研究为主导,通过理论创新和技术迭代,完成自然灾害产业升级,提升产业整体性、系统性和协同性,打造防灾减灾产业端的国际核心竞争力。本文将为自然灾害防控的产业高质量快速发展提供前瞻性、针对性、储备性的科学参考。

基于贝叶斯更新的非饱和土坡参数概率反演及变形预测

滑坡变形预测一直是实现滑坡灾害预报与防控的有效手段。岩土体参数是开展滑坡变形计算的关键输入信息,然而目前研究鲜有考虑岩土体参数不确定性对滑坡变形的影响,如何融合有限监测数据实现岩土体参数不确定性定量表征及滑坡变形概率预测仍然是一大难点。以降雨入渗非饱和土坡为例,开展流固耦合分析,基于有限的孔压监测数据,利用DREAM_zs算法实现对岩土体参数的高效概率反演。根据岩土体参数的先验分布,采用拉丁超立方抽样法生成随机样本,将其导入ABAQUS中计算相应的坡脚变形作为数据集,分别采用多元自适应回归样条曲线(MARS)和Light GBM模型构建基于数理-机制双驱动的边坡坡脚变形预测模型,计算贝叶斯更新后的后验稳态样本对应的边坡坡脚变形值,并对边坡变形值开展统计分析。结果表明:DREAM_zs算法仅需少量的孔压监测数据,即可完成对岩土体参数的更新,并且计算效率高、收敛速度快。此外,提出的边坡坡脚变形预测模型不仅突破了由孔压等间接监测数据来预测边坡变形的局限,同时还实现了对边坡变形发生概率的预测,为滑坡变形预测提供了新的思路和探索。

考虑岩体空间变异性的边坡可靠度分析及抗滑桩随机响应研究

在边坡稳定可靠度分析中,通常采用确定性分析方法计算安全系数从而衡量边坡的稳定性,但传统的确定性分析方法无法充分考虑以及描述岩体天然存在的空间变异性,而导致对边坡的失效概率计算不够准确。基于Hoek-Brown准则和随机有限差分法(RFDM),将单轴抗压强度σci和完整岩石材料常数mi视为随机场变量,地质强度指标GSI视为随机变量,开展考虑岩体参数空间变异性的抗滑桩加固前后边坡可靠度分析和桩体随机响应研究。结果表明,岩体参数的空间变异性对边坡的失效概率及抗滑桩响应有显著影响,忽略岩体参数的空间变异性将高估边坡的失效概率和抗滑桩体的最大弯矩均值,同时将低估桩顶位移均值。研究结果可为抗滑桩加固边坡工程的可靠度分析与优化设计提供技术参考。

岩体空间变异性对隧道拱顶失效概率的影响

在隧道的设计和施工中,通常采用确定性分析方法计算安全系数,从而衡量隧道拱顶楔形体的稳定性,而传统的确定性方法无法考虑和描述岩体天然存在的空间变异性。基于极限平衡法推导了考虑岩体节理摩擦角空间变异性的隧道拱顶楔形体安全系数积分表达式,并通过通用离散元程序(universal distinct element code,简称UDEC)对该表达式进行了验证。基于随机场理论和蒙特卡罗模拟(Monte Carlo Simulation,简称MCS)方法,将生成的岩体节理摩擦角随机场代入推导的隧道拱顶楔形体安全系数积分表达式中,计算了考虑隧道地质力学参数和几何参数不确定性的隧道拱顶楔形体失效概率。结果表明:岩体节理摩擦角的空间变异性对隧道拱顶楔形体失效概率有显著影响,忽略岩体力学参数的空间变异性会明显高估隧道楔形体的失效概率。

基于RF和KNN的地下采场开挖稳定性评估

针对传统地下采场开挖稳定评估方法存在的局限性,引入机器学习方法,提出基于随机森林算法(Random forest,RF)和K-最近邻算法(K-nearest neighbor,KNN)的地下采场开挖稳定性预测模型.以加拿大8个采场为例,首先,获取并分析399组观测数据,其中涵盖了相应的岩石质量分级(Rock Mass Rating,RMR)值、跨度以及对应的稳定、潜在不稳定或不稳定状态.然后将地下采场的稳定性程度进行三分类及二分类,采用10折交叉验证方法进行模型超参数优化,在不作任何假设的前提下,捕捉地下采场开挖稳定性与RMR值、跨度之间的复杂关系.研究表明:二分类结果准确性高于三分类预测结果;在二分类方式下,两种算法的准确率及召回率均高于90%,其中KNN算法的表现优于RF算法;提出的两种方法较先前研究的正确率有很大提升,为开挖稳定性评估提供了可靠途径.

含缺陷空间变异性岩体裂纹扩展的近场动力学模拟

天然岩体内部含有微裂纹,其裂纹的发展贯通机制一直是岩石力学研究的热点问题。此外,岩体物理力学参数的空间变异性,也会影响其强度及破坏演化过程。本文采用了一种新的随机近场动力学方法(RPD),并对含缺陷岩体单轴压缩下的裂纹发展进行模拟,该方法结合了近场动力学方法在模拟裂纹发展及随机场方法在表征材料参数空间变异性方面的优势,使所建模型更接近真实岩体状态。利用MATLAB编程并依托含单一倾斜预制裂缝模型进行了计算程序的准确性验证。结果表明,所采用的随机近场动力学方法可以很好地模拟裂纹发展过程,预制裂缝倾角对后续裂纹发展有较大影响。此外,不考虑岩体物理力学材料参数空间变异性的存在时,会大大低估裂纹发展速度。

平行隧道开挖引起场地沉降的透明土模型试验研究

为了便捷现代城市交通,地铁系统普遍采用平行隧道模式。平行隧道开挖引起的场地沉降预测一般基于单一隧道工况,利用简化叠加法生成变形剖面,而没有考虑两个隧道之间的相互作用。采用透明土模型试验技术,自主研发平行隧道模型试验装置及试验方法,研究了在砂质场地上开挖平行隧道引起的地表和地层沉降特性。通过模型试验探索了平行隧道间距、土体损失率、埋深等要素对地表和地表沉降的影响规律。在此基础上,量化了土体损失率和场地沉降值间的数值关系。此数值关系可为砂质场地中平行隧道施工与设计提供参考依据,也为隧道间距初选以及埋深的初步确定提供理论支撑。

堤防地震液化数值模拟及动力反应分析

为了评估青草沙水库在地震作用下的性状,利用FLIP程序分析堤基及上部堤防地震液化变形规律,比较了堤防不同位置处的残余变形、超静孔隙水压力比分布、有效应力路径等。结果表明:抗震设防烈度7度条件下,堤防结构的存在放大了地表的加速度;堤防残余变形主要发生在堤身和堤脚周围一定深度范围,地下12 m及以下土体残余变形很小;堤顶中心在地震作用下,有效高度下降较多,若此时库内处于高水位或洪水位或遭遇持续暴雨,可能发生溃堤。工程建设中,需对这些薄弱环节进行加固。

隧道施工与运营过程中的可靠度分析方法研究

随着地下空间资源的不断开发与利用,隧道工程的可靠度分析与研究越发重要。首先阐述了隧道工程中存在的岩土体的变异性、统计的不确定性、模型不准确引起的不确定性3方面的不确定性因素,然后介绍了隧道工程中常用的可靠度分析方法:直接积分法、矩法、点估计法、蒙特卡洛模拟法、随机场模拟法、响应面法等,接着分别描述了隧道施工及运营过程中的可靠度分析现状。现有研究中,对于施工过程中的隧道,针对隧道掌子面及隧道断面的可靠度研究较多,而隧道开挖对临近建筑物影响的可靠度分析相对较少;对于运营隧道,目前的隧道可靠度分析多集中于某一单种病害,并未综合考虑各种病害的影响。笔者最终预测隧道工程的可靠度分析将朝向参数的不确定性表征、发展高效的可靠度计算方法、新旧隧道与近接构筑物的风险分析、运营隧道的风险综合评估体系的建立4方面发展,期望为今后隧道工程的可靠度研究提供参考和建议。

基于多元自适应回归样条的高维岩土工程问题分析

为解决岩土工程中多元变量间的非线性相关问题,采用一种非参数回归算法--多变量自适应回归样条建立对目标参数的预测模型。该算法基于大量可靠的岩土监测数据,运用简单线性样条函数的组合对输入、输出参数进行相关性拟合,生成显性表达式,同时得到各输入参数的相对重要性。通过桩的可贯入性、地下洞室稳定性分析2个实例,对该方法进行评估。2个实例中测试集的决定性系数R^2分别为0.921和0.986,最重要的输入参数分别是桩材料的弹性模量和围岩质量,表明该方法可较精确地拟合多元输入参数与输出参数间的相关性,可用于未知响应的预测。

基于学术论文写作能力提升的“深开挖与支护系统”研究生全英文课程建设探索

高水平的研究生教育对国家的学术研究水平能起到重要的促进作用。目前全球的研究生培养要求用英语论文发表研究成果已经成为主流趋势,全英文课程体系建设已成提高研究生学术论文写作能力的重要举措。基于重庆大学土木工程学院研究生全英文专业课程"深开挖与支护系统"的课程建设经验,从教学资料、教学环节、考核环节等方面开展了教学改革探索,并分析了学生对本课程的主要收获,对如何提升学生学术论文写作能力、追踪国际学术前沿进行了探讨。

基于CRITIC-熵权法的桥梁地震风险多尺度评估

城市道路网络中既有桥梁的地震风险评估是一个复杂且关键的问题,针对现有评估方法中多依赖于经验判断或者对风险评估影响因素的考虑存在缺陷,笔者提出一个多尺度的评估方法,在第一尺度中通过定义特殊路段,将路网内桥梁进行分组,再在第二尺度中通过改进的结构易损性分析方法和拓扑特征提取方法,得到桥梁的结构抗震性能以及在网络中的拓扑特性,最后使用CRITIC-熵权法综合赋权并计算出路网中桥梁的综合抗震重要度。结果表明:方法可以实现决策过程的量化,能够作为评估道路网络中桥梁地震风险以及判断城市桥梁抗震加固优先级的可靠的依据。

不同弯矩作用时斜坡上单桩承载特性的数值模拟

为研究不同弯矩作用对斜坡上单桩水平承载特性的影响,运用ABAQUS有限元分析软件建立45°斜坡模型,对不同弯矩荷载作用时斜坡上单桩桩身水平位移,桩身弯矩和桩前后土压力进行数值模拟。结果表明,随着桩顶弯矩荷载的增加,桩身水平侧移、桩身最大弯矩和桩前土压力均随之增加。桩顶弯矩的施加大大降低了斜坡上桩的水平承载力。