盘形滚刀对TBM破岩效率的影响参数分析及优化设计

为探究盘形滚刀形式对TBM破岩效率的影响,依托福州滨海快线工程项目,利用ABAQUS创建盘形滚刀破岩模型,通过优化单刃滚刀结构参数,分析多滚刀破岩方式对掘进效率的影响。结果表明:刃宽和贯入度对滚刀破岩的影响最大,随着刃宽和贯入度增加,滚刀受到的滚动力、垂直力和破岩体积逐渐增大,并在刃宽20 mm、贯入度10 mm时,达到最佳破岩效果;双滚刀下采用同步破岩的效率要明显高于顺次破岩,其最优刀间距为60 mm;随着四滚刀回转半径增加,滚刀受到的切向力、垂直力和合力均增大,侧向力呈现先增大后减小的趋势,在回转半径350 mm处达到最大。研究成果可为福州滨海快线项目TBM滚刀选型及施工方案优化设计提供依据。

基于BP神经网络的复合地层盾构掘进参数预测与分析

复杂地质条件下盾构机掘进参数的有效预测可以对盾构施工进行针对性的指导。基于深圳地铁11号线车公庙站~红树湾站和南山站~前海湾站两个区间Φ7m盾构施工现场监测的掘进参数,首先采用BP人工神经网络方法建立了复合地层条件下盾构掘进参数的预测模型;其次,以地层参数为输入组和盾构掘进参数为输出组,通过对数据样本进行训练,得到的输出值基本与原始数据一致,说明该预测模型具有很好的非线性映射能力;最后,采用盾构区间典型地段的地层参数,利用所建立的模型预测了复合地层条件下的盾构掘进参数,预测值与实际数据变化规律相近,平均误差在15%以内。本文建立的BP神经网络模型可用于复合地层条件下同类型盾构掘进参数的预测。

石林隧道底鼓灾害的特征与机理研究

基于石林隧道现场地质调查及底鼓灾害的特征分析,得到了围岩特性、地层压力、地下水、支护形式和围岩流变等诱发该隧道底鼓灾害的因素;通过深入分析各种因素的致灾过程,表明石林隧道底鼓灾害是一种集遇水膨胀性和挤压流动性为一体,且极具时效变形特性的综合型底鼓。考虑底板下近断层的影响,将石林隧道底板岩层视为板壳结构,通过理论分析得到基于非关联诱导因子群作用下隧道底鼓量的估算公式,表明隧道底板岩层弯曲失稳引起的底鼓量对总底鼓量起关键控制作用。研究结果可进一步深化对隧道底鼓灾害的认识,为灾害防治措施的制定提供可靠依据。

酸碱环境下红层软岩——泥质页岩的崩解特性试验研究

为了研究酸碱环境对泥质页岩崩解特性的影响,分别对同一风化程度的泥质页岩进行了不同pH溶液中的静态崩解试验和耐崩解试验,得到了pH值变化对泥质页岩崩解的影响规律。结果表明:pH值对泥质页岩的崩解性影响较大,pH值越小的泥质页岩的崩解性越强。崩解物的耐崩解指数随着崩解物粒径减小而增大,随着pH值的减小而减小,酸性条件对泥质页岩耐崩解性的作用效果更明显。

不同pH环境下黏土类岩崩解过程分形演化规律

基于分形的相似性原理和质量守恒定律,分别探讨了岩石颗粒的细观分数倍崩解过程及粒组宏观分布模拟崩解方法,得到了基于颗粒数量统计的岩石崩解分形描述的关联分维计算公式.在此基础上,以黏土类岩为研究对象,分析了不同pH环境下岩石颗粒崩解过程的分形演化规律.结果表明:初次崩解时溶液pH值越小颗粒分形维数越大,pH值越小分维数趋于稳定所需循环次数越少;酸性溶液对颗粒崩解分维数的增长起到加速作用,碱性溶液对颗粒崩解分维数的增加具有阻碍作用且循环多次后分维曲线才渐趋稳定,但任何溶液条件下黏土类岩崩解的颗粒分形维数最终趋于相等.

三峡库区泥质粉砂岩的SHPB试验及能量耗散特征研究

为了研究含水状态下泥质粉砂岩的动态力学性能,进行了不同冲击速度下的分离式霍普金森压杆动载试验,重点研究泥质粉砂岩动力冲击过程中的能量耗散特征。结果表明:加载速率及含水率的变化将对岩样破坏均产生较大的影响。含水率的变化对岩样能量耗散特征产生较大影响,冲击速率越高时,试件的应变率越高,含水率越大时,比能量值及破碎程度也越高,平均破碎块度d越小;含水率的变化是导致断裂韧度变化的重要影响因素,含水率增加将导致试件的断裂韧度降低,在相同的冲击荷载下更容易断裂成碎块。

基于人工智能的TBM选型适应性评价决策支持系统

随着我国西部的大开发和“一带一路”的建设,迫切需要大力发展交通、矿山、水利等重大“生命线”工程,而深埋长大隧道往往是这些生命线工程的关键控制性工程。限于地质、地形和自然环境条件,从施工工期、造价和技术进步3个方面考虑,TBM(Tunnel Boring Machine)工法是深长隧道开挖的优先选择。深长隧道TBM的适应性受到众多因素的影响,难以进行有效和定量的评价。主要影响因素为不良地质,如突涌水、软岩大变形、断层破碎带、岩爆等;此外,隧道的设计、隧址地质条件等对TBM的选型也有重要影响。人工智能方法具有能够分析复杂因素影响和处理复杂问题的突出特点,可用于TBM选型适应性的有效评价。首先,基于层次分析法和模糊综合评判方法,通过TBM选型评价知识的获取,选取能够充分反映不同机型地质适应性差异、具有代表性和区分度高的7个评价指标,构建了TBM选型适应性评价指标体系及模糊综合评价模型,确定了各个评价指标的模糊隶属函数。其次,通过编写权重辅助计算程序,确定了3种TBM机型选型适应性评价指标的权重;其中,为了避免单指标决策的局限性和主观臆断的缺陷,采用智能设计理论和决策理论相结合的方法,完成了多指标智能决策的定量化选型。将评价模型与知识获取相结合,以规则的形式表示知识,构建了TBM选型适应性评价知识库。最后,基于智能评价决策支持系统平台IDSDP,开发了TBM选型适应性智能评价决策支持系统,为深长隧道TBM选型提供了一种新的量化评价方法。利用该系统对高黎贡山铁路隧道TBM的选型进行了适应性评价,评价结果与实际情况相吻合。

含水状态下弱风化泥质粉砂岩冲击破碎的分形规律研究

水对岩石的物理力学性质影响较大,研究不同含水状态下岩石受冲击荷载后破碎物的分形规律具有较强的现实意义。借助于分离式霍普金森杆(SHPB)实验装置,开展不同含水状态的泥质粉砂岩的冲击试验,然后对破碎物的块度分布进行深入分析,并基于尺寸-频率分析方法,重点对破碎物颗粒粒径分布的分形规律进行探讨。结果表明,随着加载速率的提高,泥质粉砂岩冲击破碎物单块体积普遍减小,残留碎块的数量越多,破碎的程度也越高,此时分形维数越小;含水率越大,小颗粒比例越大,岩样破碎程度越高,饱水状态岩样的分形维数较其他两种状态大,天然含水状态和自然吸水状态岩样冲击破碎的分形维数较为接近;当冲击速度较大时其将成为影响分形维数的主要因素,含水率的影响相对较小。

深圳复合地层Φ7m土压平衡盾构刀盘地质适应性分析

刀盘是盾构机的重要组成部分,具有开挖、搅拌和稳定地层功能,刀盘与隧道开挖地层的地质条件之间的适应性是影响盾构机掘进性能的关键因素。为了研究复合地层盾构刀盘的地质适应性,本文以深圳地铁11号线车公庙站—红树湾站区间隧道施工为背景,对我国研制的首台Φ7m复合式土压平衡盾构(CET6950型)的地质适应性开展研究。在分析复合地层对盾构施工不利的地质影响因素的基础上,提出了Φ7m盾构刀盘适应性的功能要求,完成了刀盘的关键参数计算。盾构掘进效果的分析表明,该型盾构的刀盘设计满足复合地层掘进的要求,刀盘与地质条件具有良好的适应性,盾构在实际掘进中取得了较高的掘进速度。该文研究成果可为复合地层条件下大直径地铁盾构刀盘的地质适应性设计提供借鉴。

基于模糊数学和改进遗传算法的滨海地层盾构选型研究

由于地质环境的复杂性和对盾构法隧道适应性研究的缺乏,在复杂地层的沿海地区修建隧道比较困难,因盾构选型不当导致盾构掘进过程中停机、掘进困难等不适应现象时有发生。复杂地质条件下盾构在施工时往往面临着众多不确定因素的影响,难以进行有效和定量的评价。基于此,提出一种基于模糊综合评价模型和层次分析法(AHP)的盾构隧道适应性评价方法。在综合分析滨海复杂地层条件下盾构选型适应性影响因素的基础上,选取能够充分反映地质适应性差异、具有代表性和区分度高的5个评价指标,构建盾构选型适应性评价指标体系。并引入改进遗传算法(IGA)及AHP(IGA-AHP)确定评价指标的层次单排序权重和层次总排序权重,克服了AHP在一致性检验方面的缺陷。采用模糊数学构建各个评价指标的隶属函数,得到盾构选型的隶属度矩阵,并最终确定滨海复杂地层条件下盾构选型适应性模糊综合评价模型。以厦门市轨道交通4号线彭厝北站~蔡厝站区间为例,对所构建的盾构选型适应性模糊综合评价模型的合理性与准确性进行验证。评价结果符合实际情况,能为今后类似地层的盾构选型提供一定的借鉴和参考。

酸碱溶液环境中软岩的崩解试验及能量耗散特征研究

基于不同p H值溶液中泥质页岩的循环崩解试验,得到了不同粒径范围颗粒百分含量随崩解次数的变化关系。结果表明,p H值较小时小粒径的颗粒百分含量普遍较大,且随着崩解次数的增加而增大,最终趋于稳定。基于能量耗散原理,建立了岩石单次崩解后新增表面能及循环崩解累积新增表面能的计算公式,重点论述了p H值变化对泥质页岩崩解过程新增表面能的影响规律,结果表明:随着崩解循环次数的增加,岩石表面能单次增量越小,酸碱度变化对泥质页岩崩解表面能单次增量的影响较大;p H值越小,岩石循环崩解累积表面能增量越大,且趋于稳定所需的循环次数越少,说明酸性溶液有助于加速泥质页岩的崩解,碱性溶液对泥质页岩的崩解影响较小。最后,建立了泥质页岩崩解过程中能量耗散量预测的对数函数表征公式,分析认为,模型参数随p H值的增大基本呈相似的递减规律。

基于SHPB加载过程的泥质粉砂岩LS-DYNA数值模拟研究

软岩的水稳定性及在冲击荷载作用下的动态损伤力学特征一直是学术界研究的热点问题。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对泥质粉砂岩的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)冲击过程进行了数值模拟,考虑了接触类型、冲击速度等变化对模拟结果的影响。结果表明,面面接触类型比较适用于带破坏准则的HJC材料模型;试样的破坏强度随着冲击速度的增加而逐渐增大,这与相关文献试验所得规律基本一致;试样的破坏是从边界处开始脱落,然后逐渐发展到试样的中间,且试样各单元的应力随着冲击速度的增加逐渐增大。

破碎软岩注浆结石体的动力冲击试验及动态损伤模型辨识

岩体注浆结石后的动力特性直接影响到岩体加固工程的动力稳定性,目前对破碎软岩注浆结石体的动力特性并不明确,因此开展结石体动力特性的定性与定量研究具有较大意义。选取典型的软岩碎块,假定注浆裂隙的均匀性并忽略浆液扩散的随机性,通过简化控制注浆模仿过程制备注浆结石体试样,借助SHPB装置进行了动态冲击压缩试验。研究结果表明,注浆结石体的破坏大部分发生在浆-岩胶结面,细观上表现出显著的脆性损伤开裂特征,宏观全应力-应变曲线初始阶段无显著的压密过程,较小应变时便达到峰值强度,但峰值强度后阶段表现出显著的应变软化特征,破坏后阶段存在一定的残余强度;软岩碎块与水泥的质量比对结石体的动力特性具有显著影响,成分最优配比条件下结石体的峰值强度可达到极大值;相同材料含量比条件下含水率越高其动峰值强度及弹性模量普遍越小,表明含水率对结石体动力特性具有显著影响。此外,基于连续损伤及统计强度理论,辨识得到了软岩注浆结石体的动态损伤力学模型及其参数,对比表明理论计算结果与实测曲线具有较好的一致性。研究成果可为开展破碎软岩注浆体的特性研究提供借鉴与参考。

基于人工智能专家系统的岩爆烈度分级预测研究

岩爆是岩石的一种复杂动力失稳破坏。由于影响岩爆发生的因素众多,因此很难做到对其发生的可能性及烈度进行准确预测。本文基于人工智能专家系统方法,针对岩爆预测过程中出现的模糊性和随机性特点,建立了岩爆烈度分级模糊综合预测模型。通过岩爆烈度分级预测的知识获取,首先选取岩石脆性系数σ_c/σ_t、岩石应力系数σ_θ/σ_c、初始应力水平σ_1/σ_c、弹性能量指数W_(et)及岩石脆性指数Is五个因素作为岩爆评价指标,采用模糊数学方法确定各指标的模糊隶属函数及权重;然后以规则编程的形式对所获取的知识进行表示,建立了岩爆烈度分级预测专家系统的知识库,并编制了相应的分析和计算程序;最后利用国内外岩爆工程实例对所提方法进行验证,预测结果与实际情况相吻合,从而为岩爆的预测提供了一种新的有效途径。

破碎泥岩注浆结石体动力特性的SHPB试验及其数值模拟研究

通过简化控制注浆模仿过程制备注浆结石体试样,借助分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置,开展了不同注浆含量比及含水状态条件下破碎泥岩注浆结石体的动力特性研究,同时利用有限元软件Ansys/LS-Dyna对SHPB试验过程进行了数值模拟,对比分析数值模拟与试验实测结果的相似性。试验结果显示,注浆含量比变化对试样的动态力学性能有较大的影响,只有在泥岩破碎程度适中、浆液具备较好压注条件时注浆效果才能达到最佳;在相同含量比条件下,含水率变化对试样动态力学性也有较大影响,试样含水率越高,其峰值强度及弹性模量普遍越小。数值模拟得到的应力-应变曲线与实测的应力-应变曲线具有较好的吻合效果;对HJC模型参数选取的合理性分析表明,模型参数A和B与动态峰值应力之间有较强的关联性,其值随着强度的增长有不断增加的趋势。

山岭隧道塌方风险评估模型及系统研究

塌方是隧道施工过程中经常遇到的灾害问题,由于影响其发生的因子众多,且极具复杂性和模糊性,很难对隧道建设施工过程中的塌方问题进行准确地评估。在综合考虑影响隧道塌方风险因素的基础上,归纳整理了影响塌方风险等级的3大类准则层指标,16项指标层指标,构建了山岭隧道塌方风险等级评估模型;采用模糊数学方法确定各指标的隶属函数,并基于层次分析法的原理,编写权重辅助计算程序计算了各指标的权重;为了避免单指标决策的局限性和主观臆断的缺陷,将人工智能专家系统的方法与模糊数学理论结合起来,以面向对象的表示方法构建知识库,开发基于模糊数学的山岭隧道塌方风险评估专家系统。最后利用隧道塌方实例对所提方法的有效性进行验证,评价结果符合实际情况,为隧道塌方风险的评估提供了一种新的可量化分析方法。

基于案例推理的TBM选型适应性评价系统开发及应用

复杂地质条件下长大隧道TBM的选型适应性评价决策是一个受多因素影响的不确定及模糊的问题,一般难以抉择,而TBM的合理选型是工程成功的关键。基于案例推理方法可利用已有的工程经验知识来对新遇到的问题进行解答,能够准确高效地对TBM选型适应性进行评价。根据最近邻法,建立TBM选型适应性相似度计算公式,并选取能够充分反映不同机型地质适应性差异、具有代表性及区分度高的7个评价指标,确定7个评价指标的权重。针对TBM选型适应性评价的特点,提出基于案例推理的TBM选型适应性评价决策系统CBR-TBMSAEDS(Case-Based Reasoning-TBM selection adaptive evaluation decision system)的总体设计,开发了CBR-TBMSAEDS。利用该系统对所构建的案例库进行TBM的选型适应性评价,评价结果与实际情况相吻合。

冲击荷载作用下含水泥质粉砂岩的损伤规律研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对泥质粉砂岩进行了不同含水状态下的动态力学性能试验,分析了含水率变化对泥质粉砂岩动力特性的影响,并基于连续损伤理论及统计强度理论建立了泥质粉砂岩的动态损伤力学模型,得到了相应的损伤演化规律。研究结果表明,采用基于Weibull分布建立的动态时效损伤模型,其理论拟合曲线与实测曲线具有较好的一致性,损伤参数F0与弹性模量及冲击速度有一定的相关性,弹性模量越大,损伤参数F0也越大,含水率的变化对岩石动力特性具有较大的影响。

新工科背景下国家级虚拟仿真实验教学中心的新挑战与教学改革实践探索

国家级虚拟仿真实验教学中心是学科专业与信息技术深度融合的产物,更是实验教学的发展方向。从全球工业发展趋势、中国新经济发展和工程教育范式变革三方面剖析了新工科背景下,推进“智能+教育”的新型教育生产力是国家级虚拟仿真实验教学中心的责任担当;分析了虚拟仿真中心当前面临的新挑战;介绍了福建工程学院土木工程国家级虚拟仿真实验教学中心开展新工科教学改革的初步探索;最后对国家级虚拟仿真实验教学中心的持续建设给出了建议。

城市地下空间工程专业人才培养供给侧结构性改革探索

为适应社会经济发展,需对当前高校新工科专业人才供给侧结构实施动态调整。该文以福建工程学院城市地下空间工程专业为例,从四个维度深入分析了该专业的人才需求,从专业核心课程体系“三融合”、线上线下教学资源相结合、校内外教学资源双循环、学生“三创”能力提升与培养等方面进行改革探索,取得一定成效。