隧道结构系统可靠度研究

在结构系统可靠度研究的基础上,根据隧道结构的特点,应用概率理论及工程结构系统可靠度分析方法,对整个隧道结构系统可靠度进行了探讨。隧道结构系统可靠度研究包括衬砌断面可靠度、在各种不同围岩压力作用下衬砌断面可靠度、同种围岩地段衬砌可靠度以及整座隧道可靠度的研究。整座隧道可看作由两端洞门和洞内不同围岩地段隧道衬砌所组成的串联系统,任一围岩地段衬砌和任一洞门结构的破损,都认为该隧道破损,则运用“概率网络估算技术”（又称PNET法）可求得整座隧道系统的失效概率与可靠指标。通过实例计算得到,整座隧道系统的总体可靠指标比所有单段结构的可靠指标都要低。     

地铁隧道复合式结构可靠度简化分析方法研究

应用荷载-结构模型,建立了地铁矿山法区间隧道二次衬砌结构截面可靠度功能函数,根据北京地铁4,5和10号线勘探地质地层物理力学性质统计特征,利用蒙特卡罗方法进行区间隧道结构可靠度分析。探讨了在长期自然环境下复合式衬砌的初期支护与二次衬砌各自的作用,认为二次衬砌承受运营阶段的全部荷载,初期支护的作用仅仅是改善了二次衬砌的工作环境,改善后二次衬砌周围的弹性抗力系数应适当提高,这样处理不仅可简化计算工作,也符合衬砌结构的实际工作情况。     

物理信息双驱动的长距离盾构隧道结构纵向力学性态智能诊断方法

针对目前盾构隧道纵向结构安全诊断面临的瓶颈,提出了一种物理信息双驱动的隧道纵向结构力学性态智能诊断方法。通过将表征隧道纵向结构力学性态的物理方程嵌入物理神经元中,利用实测数据作为信息神经元综合构建了物理信息双驱动的神经网络（physics-informed neural networks,PINNs）模型,可实时更新反演盾构隧道结构参数、周围地层参数以及荷载分布规律,继而正演求解隧道的纵向结构力学性态。将反演得到的参数进一步用于其他隧道段的分析,以实现长距离盾构隧道结构纵向智能诊断。算例与工程实例应用表明,提出的PINNs模型能有效求解隧道结构纵向问题,且相较传统的纯数据驱动的深度神经网络（deep neural network,DNN）模型,PINNs模型表现出了显著的泛化能力与鲁棒性,具有十分可观的工程应用前景。     

滑坡治理工程的下托式抗滑桩-隧道组合体系

滑坡段隧道加固技术主要包括滑坡治理和隧道衬砌结构加固,且滑坡治理措施中以抗滑桩应用最为广泛。本文以襄渝线某隧道工程为依托,一方面利用FLAC3D计算分析下托式抗滑桩支档结构的加固效果;另一方面通过有无支挡结构隧道开挖工况监测数据分析。结果表明:（1）下托式抗滑桩支挡结构加固作用下,隧道开挖后衬砌变形明显减小,且改善了隧道衬砌的受力状态,尤其对衬砌仰拱处的受力模式改变显著,减小仰拱的变形破坏。（2）下托式抗滑桩支挡结构对隧道以下滑体的滑移和沉降有一定的限制作用,并对隧道与滑面相交处的土体受力状态有一定的改善。（3）下托式抗滑桩加固作用下,隧道衬砌的受力状态有一定改善,尤其对隧道与滑面处变形控制有较好的效果,在一定程度上可避免隧道发生剪切变形破坏。（4）桩-隧间距对隧道衬砌、滑体地表沉降以及滑带的变形都有着不同程度的影响,但与其位置有很大关系。     

基于膨胀本构的石膏岩隧道衬砌缓冲层厚度优化研究

膨胀性围岩对隧道衬砌结构均有特殊要求,针对重庆梁忠高速公路礼让隧道膨胀性石膏岩的衬砌结构改进问题,基于Noorany修正膨胀本构建立数值计算模型,对增设的EPS缓冲层结构进行厚度优化和隧道结构稳定性研究。采用FLAC软件对开挖后的隧道初期支护、缓冲层和二次衬砌3种结构的力学状态进行多因素对比模拟分析,得到了一定工况下隧道支护结构的最优缓冲层厚度为40 cm。在现场采用该厚度的EPS缓冲层作为初衬与二衬间的支护结构,通过现场监测,缓冲层与二衬间的接触压力均小于规范预警值,表明支护结构优化方案可靠性较高。理论及应用研究均表明,衬砌结构中增加EPS缓冲层是富水膨胀性围岩隧道的有效支护形式和潜在灾害防治措施,该优化方案及其设计分析方法对类似工程均具有重要的推广应用价值。     

基于上限分析的边坡稳定可靠性评估

从塑性极限分析出发,基于上限分析构建边坡极限状态可靠度计算模型;针对状态函数高度非线性导致常规可靠度方法求解时存在困难的问题,将响应面模型作为极限状态函数与可靠度计算间"桥梁",利用二次正交原理优化取样点,建立考虑参数相关性的二次响应面替代函数。利用JC法直接求得边坡可靠指标的一个上限解,讨论了单个及多个参数变异性对边坡可靠度的影响。     

基于遗传算法的隧道围岩变形稳定可靠性分析

由于隧道的开挖,隧道围岩的初始应力状态将发生变化,围岩发生卸荷变形,并可能导致隧道的失稳。为了研究隧道开挖后围岩变形的可靠性,建立了隧道围岩变形可靠度指标计算模型,并用遗传算法进行求解。应用本文方法对一高速公路隧道围岩变形的可靠性进行分析。从结果可以看出,围岩的潜在破坏区域出现在拱顶和两侧拱肩区域,从这些区域的可靠度指标和破坏概率值可以看出,该隧道毛洞的拱顶下沉和拱肩收敛可靠度都满足不了规范的要求,要及时进行支护。     

隧道衬砌结构三轴压缩蠕变特性试验研究

使用MTS-815液压伺服系统对隧道衬砌的混凝土试件进行了三轴压缩蠕变试验,当压缩蠕变强度达到混凝土试件抗压强度的85%时进入加速蠕变阶段。分析了隧道衬砌混凝土三轴压缩蠕变变形的特点,确定采用摩尔-库仑准则和Burgers模型串联组合而成的黏弹塑性模型可以合理地描述衬砌混凝土的蠕变特性。组合模型的黏弹性状态与Burgers模型一致,塑性状态与Mohr-Coulomb模型一致,它不仅能够反映衬砌结构蠕变的全过程,且能模拟材料的黏弹塑性变形特性,解决了典型Burgers蠕变模型只能描述黏弹性蠕变的缺陷。同时也研究了三轴试验条件下组合蠕变模型参数的求解方法,得到隧道衬砌混凝土的蠕变参数。     

地质雷达在风火山隧道病害检测中的应用与结果分析

青藏铁路全线开通运营以来,对处于高寒地区的永久冻土隧道之一的风火山隧道的质量状态首次进行了无损检测。风火山隧道处于高寒永久冻土区,隧道全部处于冻岩中,两端洞口主要为砂岩与泥岩,并且为富冰冻土。受到季节性冻融的影响,隧道病害比较突出,主要表现为衬砌裂缝,漏水涌水,衬砌酥松剥落。为了准确地掌握风火山隧道衬砌结构质量状态,本文首次应用于风火山隧道衬砌结构的质量检测。该检测设备一改传统破坏式的检测方法,具有快速、简捷、无损、灵活的特点。通过对现场数据处理分析,可以精确探测衬砌厚度,查明衬砌背后存在的空洞和回填不密实区域。检测结果表明,隧道在高寒恶劣环境中,衬砌总体外观质量尚好,但是在两端洞口段有渗水现象;衬砌背后空洞缺陷等级为严重地段测线长度为20m,等级为极严重地段测线长度为98m;衬砌背后回填不密实缺陷等级为严重地段测线长度为41m,等级为极严重地段测线长度为33m。检测结果与实际病害情况基本相符。     

隧道衬砌随机分析的区间有限元法

隧道衬砌结构内力计算中,围岩的力学参数和结构的参数具有不确定性,同时,其不确定性是有界的。对于这些参数的不确定性,在工程上可以用一个合理的区间数值来估计。对于单个随机变量,可以采用有限元方程来求解结构内力;而对于多个随机变量的情况,考虑到计算模型的不确定性和数学求解的复杂性,利用有限元程序来导出各变量对结构内力的作用效应,进而得到不同参数组合的区间值,最终确定隧道衬砌的结构内力区间值,为隧道衬砌结构内力的计算和工程应用提供一种新方法。     

基于响应面法的软岩隧道湿喷纤维混凝土支护结构可靠度分析

由于湿喷纤维混凝土支护结构物理、力学参数和喷层厚度的离散性及混凝土强度破坏准则难以用支护材料参数显式表达,对该类隧道支护结构进行可靠度分析十分困难,提出采用响应面方法计算湿喷纤维混凝土支护结构的可靠度方法,并给出了计算流程,其中围岩-支护结构的确定性分析采用非线性有限元方法,可靠度分析采用2次响应面法.以赣州-龙岩铁路金华山软岩隧道湿喷纤维混凝土支护结构为研究对象,对该支护结构的可靠度进行分析与计算.分析结果表明,金华山隧道湿喷纤维混凝土支护结构可靠度指标高,处于安全状态.     

基于连续介质模型的隧道衬砌结构可靠性研究

基于连续介质力学模型,提出了一种简单易行的可靠性分析方法,该方法能利用现行通用的有限元程序,能得到显式的功能函数,但又不同于响应面法。以公路隧道圆形隧洞的开挖支护为例,采用此方法将围岩参数c (黏聚力)、E,? 和二次衬砌厚度D作为随机变量,采用有限元程序得到单一变量变化下的衬砌轴应力值,进而拟合出衬砌轴应力关于单一随机变量的关系式,并通过多元线性或非线性回归得到衬砌轴应力关于所有随机变量的显示表达式,再对圆形隧洞的衬砌结构进行了敏感性和可靠性分析,得到了一些有意义的结论。     

Comparative study of surrogate models for groundwater contamination source identification at DNAPL-contaminated sites

Knowledge of groundwater contamination sources is critical for effectively protecting groundwater resources, estimating risks, mitigating disaster, and designing remediation strategies. Many methods for groundwater contamination source identification (GCSI) have been developed in recent years, including the simulation–optimization technique. This study proposes utilizing a support vector regression (SVR) model and a kernel extreme learning machine (KELM) model to enrich the content of the surrogate model. The surrogate model was itself key in replacing the simulation model, reducing the huge computational burden of iterations in the simulation–optimization technique to solve GCSI problems, especially in GCSI problems of aquifers contaminated by dense nonaqueous phase liquids (DNAPLs). A comparative study between the Kriging, SVR, and KELM models is reported. Additionally, there is analysis of the influence of parameter optimization and the structure of the training sample dataset on the approximation accuracy of the surrogate model. It was found that the KELM model was the most accurate surrogate model, and its performance was significantly improved after parameter optimization. The approximation accuracy of the surrogate model to the simulation model did not always improve with increasing numbers of training samples. Using the appropriate number of training samples was critical for improving the performance of the surrogate model and avoiding unnecessary computational workload. It was concluded that the KELM model developed in this work could reasonably predict system responses in given operation conditions. Replacing the simulation model with a KELM model considerably reduced the computational burden of the simulation–optimization process and also maintained high computation accuracy.     

岩质边坡楔形体稳定模糊随机可靠性研究

在统计矩点估计法和模糊随机理论的基础上,提出了楔形体模糊随机可靠性分析改进的模糊点估计法,将楔形体稳定极限状态方程由模糊随机集向普通随机集转化,首先采用Bayes推断方法求解小样本条件下结构面力学参数的概率分布函数,用正态模糊数对随机变量进行模糊随机化处理,然后利用模糊点估计法求解楔形体的可靠度指标。算例分析结果表明,该法使用简便,结果可靠,更能客观地反映楔形体的真实状态,从而为工程决策提供依据。     

三维Kriging方法中的变异函数套合

三维属性建模是利用有限的采样数据, 通过插值或模拟的方法来重构地学属性在三维空间中的分布.将Kriging方法推广到三维空间, 从而演化为三维Kriging方法, 可以为三维属性建模提供可靠的手段.而三维Kriging方法面临的一大难题就是各向异性变异函数的套合.提出了一种简单通用的三维空间变异函数的套合方法.该方法以空间坐标基的变换为基础, 在套合时充分考虑轴向上变异差异的影响, 并由此提出各向异性变化率的概念; 论证了套合方法的可行性, 并通过地下水水质三维属性建模的实例对该方法进行了有效的验证.      

基于地质统计学方法的孔压静力触探锥尖阻力固有空间变异性研究

地质统计学是用于模拟土体固有空间变异性的方法之一,以变差函数为工具,采用Kriging插值提供未采样点处土工参数值的最优线性无偏估计。将地质统计学方法应用于宿-新（宿迁至新沂）高速公路某试验段内孔压静力触探（piezocone penetration test,CPTU）锥尖阻力qt空间变异性研究中,采用回归分析移除数据中的趋势项,从而获得具有弱平稳性的残差数据。指数型理论变差函数能够准确描述试验段内土体的连续空间变异性特征。根据估计结果,试验段内锥尖阻力qt残差的变程具有显著各向异性,在水平方向和竖直方向分别为4.05 m和1.2 m。采用普通Kriging插值结合趋势分析,绘制了qt在试验段的空间分布图和平面投影图,用于指导工程实践。结果表明,普通Kriging插值的估计结果能够与试验段内实测资料形成较好的对比,仅仅在部分极值变化和远离采样点的位置处估计值可靠性会降低。     

Dimensionality reduction for production optimization using polynomial approximations

The objective of this paper is to introduce a novel paradigm to reduce the computational effort in waterflooding global optimization problems while realizing smooth well control trajectories amenable for practical deployments in the field. In order to overcome the problems of slow convergence and non-smooth impractical control strategies, often associated with gradient-free optimization (GFO) methods, we introduce a generalized approach which represent the controls by smooth polynomial approximations either by a polynomial function or by a piecewise polynomial interpolation, which we denote as function control method (FCM) and interpolation control method (ICM), respectively. Using these approaches, we aim to optimize the coefficients of the selected functions or the interpolation points in order to represent the well-control trajectories along a time horizon. Our results demonstrate significant computational savings, due to a substantial reduction in the number of control parameters, as we seek the optimal polynomial coefficients or the interpolation points to describe the control trajectories as opposed to directly searching for the optimal control values (bottom hole pressure) at each time interval. We demonstrate the efficiency of the method on two and three-dimensional models, where we found the optimal variables using a parallel dynamic-neighborhood particle swarm optimization (PSO). We compared our FCM-PSO and ICM-PSO to the traditional formulation solved by both gradient-free and gradient-based methods. In all comparisons, both FCM and ICM show very good to superior performances.     

基于自适应差分克里金的煤质指标估算

煤炭质量核心指标的估算有利于煤炭质量的管控,并为智能开采、分质开采提供科学依据。将克里金插值法引入到煤质指标估算模型的建立,利用差分进化算法求解其变差函数的模型参数;针对在差分进化过程中因"早熟"现象导致最优解被破坏的问题,在变异过程中设计可动态修正变异方向的缩放因子,提出修正变异方向的自适应差分进化算法(UMDE)来确定变差函数的模型参数,并用该方法对煤矿井下未开采区域的全水分进行克里金插值。通过交叉验证与对比实验,证明基于自适应差分克里金方法(UMDE-Kriging)构建的煤质指标估算模型较其他优化方案在估算精度上有显著提升。     

专家克里金插值法在空间插值中的应用

克里金插值是一种进行局部估值的方法,但它并不能对局部的地质特征进行智能分析.因此,在很多时候其插值结果不能体现数据的一种局部异构特征.针对这一问题,提出了一种专家克里金插值法,这种方法是在普通克里金插值法的基础上加入专家地质知识,使得插值结果更能符合实际的地质情况.对该方法的原理、模型进行了详细的论述,并通过实例验证该方法的有效性.     

基于主动学习径向基函数的边坡系统可靠度分析

相较于极限平衡法,强度折减法在计算边坡稳定性系数上有许多优势,但更大的计算量在一定程度上限制了其在边坡可靠度分析中的应用。为了有效地减少可靠度分析中数值模型的计算次数,以减轻使用强度折减法所带来的计算压力,引入了基于主动学习径向基函数（ARBF）代理模型的高效分析方法：利用主动学习函数在极限状态面附近搜索训练样本更新代理模型,加快模型训练的收敛速度;采用线性核径向基插值函数简化模型参数优化过程,建立简洁、稳定的代理模型。此外,为了充分发挥主动学习代理模型的优势,提出针对土质边坡特性的初始采样策略。当得到稳定的代理模型后,结合蒙特卡罗模拟计算边坡的系统失稳概率。作为对比,基于两个典型边坡算例,测试了两种经典的可靠度方法：主动学习克里金模型（AK）和二次响应面法（QRSM）,论证了引入的主动学习径向基函数代理模型在计算效率上的高效性和计算模型上的稳定性。