新工科背景下研究生创新能力培养模式探索——以陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心实践为例

新工科的产生与发展势必对未来的高等教育改革产生深刻的意义,面向未来,在新工科指引下,防灾减灾专业研究生培养,为实现创新型卓越工程师科技人才培养目标,在高校一线教学中积极探索研究生实践创新能力培养模式。针对目前陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心的研究生培养现状,基于该中心特有的大国重器,结合国家重大工程,提出以国家平台支撑,重大项目引领,推进多学科融合,探索一种新型的交通防灾研究生创新能力培养模式,为交通强国提供强有力的创新型人才储备。

基于数字图像技术振动台试验结构位移信息捕捉技术研究

针对振动台试验模型箱位移、围岩错动以及隧道衬砌变形监测的需求,将YOLO-V2、改进Canny边缘检测、Hough变换及倾斜矫正技术相结合,提出了一种倾斜影像的自动矫正技术,实现了将倾斜影像修正为相机光轴垂直于测点运动平面的图像分析;提高了试验数据结果的处理精度,扩大了目标追踪算法在结构位移和变形监测的使用范围。同时通过核相关滤波技术完成对修正后的影像进行追踪,形成一套完整的地震动信号捕捉与监测系统。采用该系统进行了强震作用下穿越断层隧道韧性结构减震抗错性能试验研究,分别对模型箱位移、围岩错动和隧道衬砌变形进行信号识别与捕捉,同时对比分析了高精度拉线式位移计和位移传感器采集的数据,验证了系统的可靠性。结果表明:在监测点位设有标记物时,首先对采集结果进行倾斜矫正后追踪,通过监测结果与位移传感器进行对比,两者的2-范数小于0.005;而在无标记物时对结构表面特征物进行追踪,精度达到了97.5%;试验数据证明通过倾斜影像自动矫正技术来完成非对正对标记物时的影像进行追踪具有较高可靠性。

高铁桥梁装配式双柱空心墩承插深度研究

高铁桥梁桥墩刚度大,结构及构造有别于公路及市政桥梁,大量既有公路、市政承插式桥墩的研究成果是否适用于承插式铁路墩,需进行深入系统的研究。建立现浇和承插式双柱原型空心墩的非线性有限元模型,并结合既有试验结果验证了建模方法的正确性。通过模拟桥墩在拟静力往复作用下的力学行为,得到双柱空心墩的力-位移曲线,对比承插式桥墩与现浇桥墩滞回性能的差异,结合应变渗透效应及纵筋发展长度确定了承插深度的合理取值范围,并提出最小承插深度计算公式。结果表明:承插式桥墩与现浇墩的承载力差别很小,墩高5 m和10 m时,相差最大为2.8%;承插式桥墩和现浇墩的刚度退化规律基本一致,刚度随着侧向位移的增加而降低,位移较小时刚度退化较快,位移较大时刚度退化减慢;纵筋在塑性铰区及承台顶以下应变渗透区内屈服,在此区域以下400 mm范围应变则迅速减小,应变渗透区段为承插式墩身易损部位;根据本文提出的最小承插深度计算公式得到的高铁空心墩的最小承插深度设计值为0.5D(D为墩柱外径)。为保证承插式桥墩的安全性,应采取合理构造措施确保桥墩应变渗透区段抗震性能,推荐高烈度区桥墩的承插深度大于0.5D。

新工科背景下土木专业课程思政探索与实践——以基础工程课程为例

针对目前新工科土木专业课程思政的研究与实践薄弱的问题,充分结合基础工程专业必修课课程思政教育范式,探讨课程思政的建设目标、建设思路、实践路径等。并以具体的教学案例详实地展示基础工程课程思政元素的挖掘方法和具体融入方式等,指出具体操作及依据,为新工科土木专业课程进一步深入贯彻和落实课程思政理念,加强专业课程思政建设和持续推广提供有益借鉴。

深埋隧道支护结构内力计算方法研究

深埋隧道是交通建设中的关键,对其力学行为进行深入研究具有重要的理论和工程实际意义。针对既有研究的不足,考虑到深埋隧道支护结构力学响应的空间差异性和施工过程围岩-支护结构的动态作用关系,建立了围岩竖向荷载与径向位移关于隧道横截面角度变化的平衡微分方程,获得了围岩压力作用下复合支护结构的内力解析解。根据支护反力与围岩径向位移的关系,推导了初支与围岩、初支与二衬间的围岩压力与位移解析解。结合数值模拟和现场监测结果进行分析,证实了计算方法的可靠性和有效性。最后基于该解析方法,对支护结构厚度和弹性模量进行了参数分析。结果表明:支护结构的厚度和弹性模量与其弯矩正相关,且弹性模量对弯矩影响更大,初支厚度和弹模的变化对围岩压力和径向位移的影响比二衬对其影响更显著。研究成果可为准确预测支护结构任意截面位置的内力提供一定理论支撑。

近远场地震下RC大跨轻柔拱桥减隔震支座方案优化

为探明不同地震动输入对某大跨轻柔拱桥减隔震的影响,通过非线性有限元模型分析近远场地震下桥梁结构的响应规律,得到大桥支座的优化布置方案.首先,基于模态分析,对比该桥与传统钢筋混凝土(RC)拱桥动力特性差异;其次,选取不同脉冲周期的近场地震动、近场无脉冲及远场长周期地震动记录;最后,研究近远场地震下拱桥的响应行为和损伤演化路径,得到优化桥梁的减隔震支座设计方案.研究结果表明:近场脉冲及远场长周期地震下的桥梁结构响应大于无脉冲地震响应;纵竖向地震下高墩柱剪力及弯矩包络曲线呈“S”形,墩身中部易形成塑性铰,高阶振型影响显著;桥梁纵桥向先于横向震损,损伤路径依次为矮柱、高墩柱及拱肋实心-空心截面段;摩擦摆支座减震效果最佳但位移较大,高阻尼支座方案在近场中长脉冲周期及远场长周期地震下仍会发生损伤,板式橡胶支座方案因无法保证支座同步滑移而不能形成准隔震体系;“高阻尼+摩擦摆”混合方案的支座位移小,拱肋及墩柱均处于弹性,是近断层大跨轻柔RC拱桥的优选减隔震方案.

掺入普通硅酸盐水泥的粉煤灰地聚物混凝土力学性能与微观特征

既有研究表明,在粉煤灰地聚物混凝土(FGC)中掺入少量普通硅酸盐水泥颗粒,能够增强其在常温养护后的力学性能,但这个结果尚未与早期接受高温养护且不含普通硅酸盐水泥的FGC进行力学特征对比,以验证其可实用程度。为更加贴近实际工程需求,将不含水泥颗粒且接受热固化的FGC与含有少量水泥颗粒仅接受室温固化的FGC进行了包括泊松比在内的基本力学性能测试和比较。为了从微观机制上解释力学性能的测试结果,进行了包括SEM、EDS、XRD、FTIR、Micro-CT等的分析。结果表明:常温养护下含有少量水泥颗粒的FGC各项力学性能与不含水泥颗粒并接受热固化的FGC相近,临破坏前的试件横向应变与纵向应变之比均接近1.0,均有突出的横向变形能力;掺量8%的水泥颗粒在室温条件下对FGC聚合反应的促进效果接近FGC接受高温养护,在形成更为合理的微观孔隙结构方面,改进后的FGC在常温养护条件下优于高温养护FGC。

基于降饱和度原理强震作用盾构隧道抗液化机理研究

降饱和度法是一种处理地基砂土液化的新方法。文中基于降饱和度原理,通过理论分析及数值模拟的方法对强震作用条件下盾构隧道处于不同饱和度粉土地层中的土体及结构响应开展研究。结果表明:降饱和度法的原理是通过提高流体模量来降低超静孔隙压力;粉土地层在强地震动作用下超孔压比随着深度的增加而减小,而隧道结构的存在会使结构下方的土体的超孔压比增大;当饱和度降至0.98时,粉土的超静孔隙水压力下降了45%,土体各位置处的超孔压比有明显下降,隧道结构的最终水平位移从8.9 cm降至0.7 cm;而随着饱和度的进一步下降,超静孔隙水压力和结构水平位移的下降幅度降低。进一步研究发现当饱和度下降至0.60时,土体超孔压比变化不再显著。文中的研究成果为粉土地层盾构隧道抗液化措施设计提供了一定参考。

近断层大跨RC轻柔拱桥纵向阻尼器减震研究

为提升高烈度近断层地区大跨轻柔拱桥的纵向抗震性能,通过非线性时程分析,探讨了某上承式RC拱桥黏滞阻尼器的适用性。对比该新型拱桥与常规RC拱桥结构体系、动力特性的差异,明确了其地震损伤路径,优化了阻尼器布置方案,探究了近远断层地震动下墩柱响应规律及减震效果,考虑了高阶振型的影响,结合易损性说明了减震方案的合理性。结果表明:此类轻柔拱桥在近断层纵竖向设计地震下,中等高度立柱最易损伤,而拱肋保持弹性;在桥台及高柱处布置阻尼器的减震效果最佳;受高阶振型影响,设置阻尼器后的高墩柱墩身剪力及弯矩包络“S”形分布更显著;在近场脉冲及远场长周期地震下的结构响应更大,受位移脉冲的影响阻尼器滞回环会出现突变,但耗能显著、减震效果突出;4类近远场地震动下黏滞阻尼器均可有效降低拱桥墩柱的损伤概率,适用性较优,但需满足大出力、大量程的地震需求。

玄武岩纤维-木纤维复合碱式硫酸镁水泥性能的改性机理

以碱式硫酸镁水泥(BMSC)为基质,以生物基循环木纤维(RWF)为轻质填料,并掺入玄武岩纤维(BF)为增强改性材料,开发出一种轻质高强、高韧性的碱式硫酸镁复合材料。从RWF填料和不同体积占比、不同长度的BF纤维出发,讨论其对改性后BMSC复合材料的流动性、分散系数(纤维)、密度、抗压强度和抗折强度的影响;通过SEM、EDS、XRD微观表征分析对复合材料微观结构的形成进行研究。结果表明:RWF的加入虽然显著降低了BMSC的材料密度,但RWF与BF结合形成复合纤维体系能明显提升BMSC复合材料的力学性能,尤其是抗折强度,较未添加RWF和BF的原生BMSC材料提升比例最高达80%以上;通过微观表征分析发现,RWF在BMSC中拥有良好的界面黏结性能,RWF与BF的共同存在使BMSC材料形成镁水泥基质-循环木纤维-玄武岩纤维体系,提升了复合材料的强度;采用基于图像识别技术的半定量化方法对碱式硫酸镁水泥5·1·7相晶体的发展程度进行辅助量化分析,为材料制备过程中BMSC产品性能的控制提供可能。

车站洞门环梁与隧道管片连接螺栓的粘结-滑移

地铁车站洞口的混凝土环梁与隧道管片之间一般通过螺栓连接,螺栓往往以预埋的方式锚入车站环梁内,并且与握裹它的混凝土之间存在粘结-滑移变形,这对环缝张开宽度和环梁结构损伤发展都可能产生影响,为进一步明确其中的机理及影响程度,参考既有的粘结-滑移本构模型,利用可细化分析粘结-滑移的有限元分析平台,在充分考虑材料非线性特征的基础上,针对3种不同型号螺栓,分别考虑锚固长度足够和不足两种情况,分析了螺栓在环梁内的粘结-滑移,以及环缝宽度增大的过程;通过量化分析粘结应力和螺栓应力沿螺栓长度的分布,揭示了粘结-滑移对环缝宽度发展的影响机制.分析表明:采用粘结-滑移模型时,得到的螺栓连接刚度介于嵌固模型和弹簧模型之间,粘结-滑移变形对盾构管片和车站环梁之间环缝宽度的影响不可忽略;仅考虑受拉影响,即便在锚固长度足够的情况下,当螺栓接近屈服时,螺栓与环梁间的粘结-滑移变形在环缝张开宽度中占比最大可达30%,螺栓屈服后,这个滑移占比会随环缝扩展降至8%以下,受此影响,考虑粘结-滑移的螺栓抗拉刚度最低约为完全嵌固模型的1/3.

穿越多破裂面隧道节段衬砌地震损伤破坏振动台试验研究

依托我国西部高烈度地震区穿越大型活动断裂带隧道工程,开展穿越断层带多破裂面隧道振动台试验。根据测点加速度响应、动应变响应、位移响应和震后裂缝形态,研究隧道节段式衬砌结构和围岩在强度递增地震波激励下的能量、损伤变化特征,基于希尔伯特–黄变换(HHT),从Hilbert边际谱和瞬时能量谱角度讨论围岩和隧道结构的地震损伤发展。研究结果表明:(1)强震作用下模型土表面同震位移显著,根据破裂面两侧围岩同位错量可定义断层破碎带内的主、次破裂面。(2)断层下盘主破裂面附近隧道结构的损伤发展滞后于上盘,0.4 g地震作用下主破裂面附近隧道结构主频和边际谱峰值降幅最大达到了29.1%和87.1%,损伤发展程度远大于其他部位。(3)隧道结构以受拉开裂为主,0.2 g地震作用上盘主破裂面附近仰拱出现拉裂破坏,而拱腰在0.4 g地震作用产生拉裂破坏。(4)断层上盘围岩在0.5 g地震动下主频降幅达到34.7%,围岩损伤程度明显超过下盘和断层破碎带中部。(5)根据隧道结构破坏形态,仰拱是隧道抗震薄弱部位,出现了不同程度开裂,需要加强隧道仰拱的抗震与减震耦合设计;断层上盘交界面附近隧道结构地震损伤最为严重,断层破碎带中部隧道结构震害较轻,穿越断层破碎带隧道需分区抗震设防。本文结论可为高烈度地震区隧道工程抗震与减震设计提供一定的参考依据。

城市深埋黏土隧道变形破坏机制试验研究

为研究城市深埋黏土隧道受力特性及变形破坏机制,开展室内相似模型试验。采用自主研制的隧道全断面掘进试验装置,运用位移、土压力、应变量测装置及石英砂标记方法,研究开挖过程及不同埋深下隧道受力与变形特征,分析衬砌结构的最终破坏形态,通过数值模拟证实模型试验的有效性。研究结果表明:隧道开挖后土体裂纹集中分布于开挖面左上方且以压剪破坏为主,隧道开挖引起了土体的纵向不均匀沉降且邻近洞口段土体沉降最大;在50~500 m埋深条件下,土体沉降随着深度的增大而减小,土压力竖向衰减幅值大于横向,隧道结构拱底土压力最大,右拱腰和拱顶次之,左拱腰最小,隧道能够承受的埋深极限为150m;受非对称荷载作用,衬砌右部结构破坏比左部严重,衬砌结构收敛变形类似“横鸭蛋”形状,洞口段拱顶向内收敛最显著,而衬砌末端水平扩张变形明显。试验结果揭示了深埋黏土隧道地层–结构相互作用机制,为深埋地铁隧道安全施工提供了参考依据。

基于粗颗粒嵌锁点高铁级配碎石振动压实质量控制新方法

为解决基于干密度评估压实质量所存在的压实时间不定、评价指标单一等问题,提出了一种基于粗颗粒嵌锁点的高铁级配碎石(high-speed railway graded aggregate,简称HRGA)振动压实控制新方法。首先,结合力学指标动刚度Krb和修正地基系数K20完善振动压实评估体系,进一步提出了压实控制嵌锁点Tlp指标,并通过室内试验研究了Tlp前后级配碎石的力学性能及适用性;其次,通过振动压实试验建立了Tlp与HRGA的各项性能指标之间的关系,并结合灰色关联度分析(grey relation analysis,简称GRA)算法分析了Tlp的主控特征;最后,基于机器学习(machine learning,简称ML)方法提出了Tlp预测模型,结合三层次优选体系选择最佳Tlp预测模型,并利用SHapley Additive ex Planations(SHAP)可解释性方法对最佳ML模型进行了解释。结果表明:基于Tlp可确定最优振动时间,进而控制压实质量;基于GRA算法明确Tlp的主控特征为填料最大粒径dmax、级配参数b、级配参数m、扁平细长颗粒Qe和洛杉矶磨耗LAA;计算各Tlp预测模型的综合评价指标(comprehensive evaluation index,简称CEI)依次为改进粒子群优化的人工神经网络(artificial neural networks for improved particle swarm optimization,简称IPSO-ANN)模型>改进粒子群优化的支持向量回归(support vector regression for improved particle swarm optimization,简称IPSO-SVR)模型>改进粒子群优化的随机森林(random forest for improved particle swarm optimization,简称IPSO-RF)模型,IPSO-ANN模型最佳;基于SHAP方法得到总体重要性值φ排序为dmax(17.31)>b(13.93)>m(6.59)>Qe(2.17)>LAA(1.54),该结果与GRA算法的结果相印证,表明SHAP方法可提升ML模型的可理解性。该研究成果可为振动压实的质量评估提供新思路,也为振动压实智能化控制提供强有力的理论支撑。

强震区浅埋隧道洞口段改进整体式反应位移法

为提高强震作用下隧道洞口段结构抗震性能,依托高烈度地震区某管道隧道工程,研究采用整体式反应位移法进行隧道洞口段抗震计算时的误差影响因素,引入结构位移放大系数,提出一种适用于隧道洞口段结构抗震计算的改进整体式反应位移法,并结合算例分析,对改进后计算方法进行验证。结果表明:采用整体式反应位移法进行隧道洞口段抗震计算时误差主要是由洞口段隧道顶底部的相对位移引起,可引入结构位移放大系数对其进行修正;结构位移放大系数与洞口仰坡坡角和地震动强度正相关,与坡高和相对埋深负相关,不同围岩级别中的放大系数偏差小于10%,可忽略围岩条件对其的影响;改进整体式反应位移法在0.6g地震动下误差基本小于10%,比整体式反应位移法精度更高,可应用于隧道洞口段的抗震计算。