地下空间与工程学报

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黄黎敏,陈志龙,陈家运

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 1-6.

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地下步行街的外露要素较少,但发挥着宣示地下空间存在、连通地上地下空间、体现城市文化等重要作用,一旦建成,其位置、功能、形态即受地下空间的约束而调整,改造的余地较小,因此需慎重设计。笔者指出了当前城市地下建筑的外在形象开发中存在着外部形象与城市环境不相称的问题,列举了地下商业街外部形象的构成要素,探讨了影响外部形象设计的功能、文化、地面环境等多种影响因素,阐述了地下步行街外部要素的设计与布置原则,最后,通过对绵阳市地下步行街外部形象设计的案例进行了实证研究,为相关设计提供思路参考。

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基于需求导向的中小城市地下空间规划

邹亮,胡应均,陈志芬,谢映霞

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 7-13.

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以丹阳市为例,研究了中小城市地下空间开发利用的条件与需求,探讨了基于需求导向的中小城市地下空间开发利用规划方法。该方法以地下空间资源评估与需求预测为基础,综合考虑城市自然及社会经济条件,结合地面城市规划,对规划区的地下空间开发利用供需情况进行了对比分析,针对城市发展与空间的供需矛盾,提出了合理的地下空间开发策略、规模和布局方案,使地下空间的利用功能与地面城市规划相协调,以改善地面交通矛盾和用地紧张等问题。对重点地区提出相应的规划指引,给出地下空间开发利用指标,使规划具有较强的可操作性,以便于规划目标的落实。

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塑弹塑性岩石的非线性损伤模型研究

赵茉莉,李术才,张强勇,王者超,赵欢

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 14-21.

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通过分析岩石常规三轴试验应力应变曲线,发现某类岩石在峰前具有明显的压密阶段,表明该类岩石具有塑弹塑性材料的特征。基于塑弹塑性材料非线性应力应变曲线,引入非线性指标,并考虑损伤门槛值,应用统计损伤理论,提出具有塑弹塑性特征的岩石非线性损伤模型。该模型不仅能反映岩石应变硬化软化特性,而且能够刻画压密区的特性,更为准确地表征了该类岩石应力应变的非线性关系。采用辉绿岩试验数据对本文模型进行验证,结果表明,试验曲线与理论曲线吻合较好,从而验证了模型的合理性和适用性。采用峰前具有明显线弹性变形特征的岩石常规三轴试验数据进一步分析,结果显示,模型通过峰后引入非线性指标同样可以反映岩石应变软化特性。

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基于Hoek-Brown准则的山岭隧道围岩力学参数估计

袁永才,王美霞,石少帅,孙柏林,雷霆

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 22-28.

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将围岩岩体分级系统(Q系统)引入到Hoek-Brown强度准则中,引入节理粗糙度、节理充填物的抗剪强度及岩石所受应力3个指标,对地质强度指标(GSI)进行定量化修正,并基于围岩基本质量指标BQ、裂隙组数、围岩节理条件以及Q系统评分值,重新构建一种GSI的定量化分析方法,通过测量扰动前后围岩的纵波波速优化岩体的扰动参数D。基于修正后的Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb强度准则进行等效转化,估算岩体的力学参数,通过与实例工程中试验结果进行对比,得知此方法是合理、可行的。

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磷石膏废石胶结充填体强度特性正交试验研究

李地元,孙成志,蹇明星,高栗,李夕兵

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 29-34.

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基于正交试验法设计了磷石膏废石胶结充填体强度测试方案,对9组不同配比、不同浓度、不同组合方式的废石胶结充填体进行了28 d龄期的单轴抗压试验。通过对试验结果的直观分析和方差分析,发现黄磷渣对磷石膏废石胶结充填体抗压强度起决定性作用,料浆浓度是影响抗压强度的显著因素,废石质量比例和废石与料浆的排列方式是影响抗压强度的非显著性因素,废石与料浆的排列方式会一定程度的影响充填体的破坏模式。废石胶结充填体强度试验结果进一步验证了矿山采用磷石膏废石胶结充填方案的合理性和可行性。

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岩石破坏前的损耗比及加卸载响应比特性研究

高真平,李庶林,黄波,陈东霞,胡静云

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 35-40.

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以多种岩石循环加卸载声发射试验为基础,针对岩石损耗比和加卸载响应比特性进行了研究,探索岩石在受载过程中的内部损伤演化和破坏前兆特性。结果表明,在循环加卸载下角岩等三种岩石损耗比变化特性一致:低应力水平阶段损耗比较大,呈明显下降趋势;中等应力水平阶段比值下降趋势较平缓;高等应力水平阶段比值趋于稳定,在0.08～0.10时,试样破坏。而钨钼矿等三种岩石加卸载响应比变化特性一致:低应力水平阶段卸载时几乎没有声发射,加卸载响应比较大;中等应力水平阶段卸载时声发射较活跃,比值下降至1左右;高等应力水平阶段卸载时声发射很活跃,当比值重新大于1时,试样破坏。试验结果都体现了岩石内部损伤从很小到稳定扩展再到不稳定扩展的过程。可见,损耗比和加卸载响应比的变化特性均可用于评价岩石损伤情况,也可用作岩石破坏预测的参考依据。

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基于不同岩石抗拉强度值确定最大水平主应力的对比分析

王春权,王成虎,江英豪,张杰,刘卓岩

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 41-47.

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水压致裂原地应力测量系统的柔性对最大水平主应力的结果会产生很大的影响,提高最大水平主应力的测量精度对各种地下等工程设计都具有重要意义。通过进行直接拉伸试验、“垫条加载”和“角锥荷载”形式的圆盘劈裂实验、弯曲拉伸实验获得岩石抗拉强度,结合实测破坏压力、孔隙压力数据及相关理论计算出最大水平主应力,并与利用经典水压致裂公式计算得到的最大水平主应力进行数据对比分析。结果表明:通过“角锥荷载”圆盘劈裂实验、直接拉伸试验、“垫条加载”圆盘劈裂实验、三点弯曲实验所获得的最大水平主应力均大于经典水压致裂公式计算得到的最大水平主应力,且偏差依次增大,由此也说明测试系统的柔性会导致利用经典公式计算的最大水平主应力偏小。4种实验中,通过“角锥荷载”圆盘劈裂实验所获得的数据较其他3种方法更接近经典公式计算得到的最大水平主应力,且偏差较小,可以作为估算最大水平主应力的一种替代方法。在未来的工作研究中,可以为避开系统柔性对实测最大水平主应力的影响、提高测量精度提供方法参考。

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岩石粗糙裂隙非线性渗流特性试验研究

胡少华,周佳庆,陈益峰,周创兵

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 48-56.

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通过开展岩石单裂隙不同粗糙起伏、水力梯度及法向荷载作用下的非线性渗流特性室内试验,研究了裂隙非线性渗流特征与发生机制,建立了考虑裂隙几何形貌的临界雷诺数Re_c模型。研究结果表明:随着裂隙试样两端的水力梯度逐渐增大,裂隙内水流流态从线性流向非线性流转变,过流流量(Q)与水力梯度( ▽P)的实测数据可以很好地用Forchheimer方程拟合;随着法向荷载的增大,Forchheimer方程线性项系数A增加了2~4个数量级,非线性项系数B增加了3~5个数量级;在建立的以水力开度e_h为基本变量的非线性系数B参数化表达式基础上,首次提出了定量表征裂隙非线性渗流发生条件的临界雷诺数Re_c模型。

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非饱和花岗岩气体相对渗透率试验研究

赵鹏,刘健,陈亮,王春萍,马利科

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 57-62.

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围岩气体渗透特性是影响高放废物处置库长期安全性的重要因素。以中国高放废物地质处置首选预选区——甘肃北山预选区的黑云母二长花岗岩为研究对象,开展了不同饱和度条件下的气体渗透率试验研究。首先利用真空饱和法获得了饱和试样,之后在6种不同相对湿度环境下完成了饱和花岗岩失水过程的监测,并测试了不同饱和度条件下的气体渗透率。随后分别在高放废物地质处置工程围岩预设最高温度90 ℃及沸点以上105 ℃条件下完成试样干燥过程,同时测试了干燥条件下的气体渗透率。基于测试结果,计算获得了花岗岩水分特征曲线,并分析了饱和度与气体相对渗透率的对应关系,并提出了数学描述模型。

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深部花岗岩中天然开启节理剪切性能试验研究

刘健,陈亮,刘建锋,王春萍,赵鹏

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 63-70.

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针对取自中国高放废物地质处置首选预选区深部花岗岩中的天然开启节理,基于室内试验对其剪切性能进行了测试分析。首先开展了垂直于节理面的压应力循环加卸载测试,之后在不同压应力条件下开展了天然节理直剪试验。同时,借助三维激光扫描技术获得了剪切面精确面积,并实现了节理面粗糙度评价。测试结果表明:在对应的深部地应力条件下,天然开启节理处于压密状态,且压应力幅值的变化不会使得开启节理产生不可恢复的变形;同一条节理在室内试验尺度上的剪切性能具有一致性,不同深度处节理的剪切性能也具有相似性;节理粗糙系数(JRC)与剪切强度参数之间未发现明显的相关关系。上述研究结论以及获得的Mohr-Coulomb强度参数可以为后续现场试验和数值分析提供初步依据。

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大理岩圆球颗粒切向接触特性的试验研究

周健,欧阳国彬,罗驰恒,王子寒

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 71-78.

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利用岩石双轴流变试验仪,对大理岩圆球颗粒进行粒间切向接触试验,通过对试验结果的分析,揭示大理岩颗粒之间的切向接触特性。结果表明:法向力对大理岩切向破坏力的影响存在临界值,小于该临界值时,随着法向力的增大切向破坏力的增速较快;大于该临界值时,随着法向力的增大切向破坏力的增速较慢。表面摩擦系数对大理岩切向破坏力的影响与法向力大小有很大关系。当法向力较小时,表面摩擦系数会显著提高大理岩的切向破坏力,随着法向力的增大,这种影响逐渐减弱,当法向力达到法向破坏力的45%后,这种影响基本没有。球形大理岩直径越大,其切向破坏力和切向破坏位移也越大,切向刚度越小。大直径的球形大理岩所得到的试验曲线波动较大。

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水-岩耦合作用下红砂岩应变率效应研究

郑广辉,许金余,王鹏,刘石,王浩宇

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 79-85.

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基于?100 mm SHPB试验平台,对吸水红砂岩试样进行不同应变率下冲击压缩试验,对比干燥试样试验结果,探究了水-岩耦合作用下动态抗压强度、变形及单元可释放弹性应变能W_e的应变率相关性,得出:在水-岩-动力的耦合中,岩石强度的应变率强化作用和水的劣化作用同时存在,但应变率强化作用占主导地位;裂隙水对岩石强度的应变率效应有强化作用,并且这种强化作用随着应变率的增大而增强;岩石的峰值应变在水的耦合作用下应变率效应更为显著;当应变率超过某一阈值时,吸水试样在弹性变形阶段更加容易变形,弹性模量降低,而在冲击作用下,裂隙水阻碍裂纹发展,试样抵抗变形的能力增强,变形模量线性增加;水-岩耦合作用下W_e对应变率更为敏感,与干燥试样的W^D_e相比,W^W_e随着应变率的增加而增长更为迅速。

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不同含水率红砂岩静动态劈拉试验及细观分析

闻名,陈震,许金余,王鹏,刘少赫

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 86-92.

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研究水-岩耦合作用下岩石力学特性及细观结构,对减少由地下水造成的深部岩体工程病害具有重要意义。采用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置与电液伺服压力试验机,进行不同含水率下砂岩试件的动静态劈裂抗拉试验,而后对试件破坏断口进行电镜扫描观察,分析断口形貌特征,依靠SEM图像数字处理技术,进一步得出红砂岩拉伸破坏规律。试验结果表明:红砂岩的劈拉强度随含水率的增加而降低,有明显的遇水软化现象;相比于静态抗拉强度,动态抗拉强度大幅提升,且有显著的应变率强化效应;随着含水率的提高,砂岩试件拉伸破坏时,碎块数量逐渐增多,尺度逐渐减小;饱水岩样的动态劈裂拉伸破坏相比于干燥岩样表现出一定的塑性特征。对断口微裂隙的面积等信息进行定量化处理,分析动态劈拉破坏中的水-应变率效应,得出水在不同应变率下砂岩试样的动态劈拉破坏裂纹扩展中具有均衡作用;微裂隙数量与面积随应变率的提高有增加趋势,破坏断口细观形貌特征存在应变率相关性。

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节理对砂岩变形及破坏特征影响研究

王瑞红,邓捷,刘杰,蒋昱州,郭金龙

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 93-100.

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工程岩体一般都含有各种不同级别的地质构造节理和软弱面,使得岩体的强度弱化。含有节理的岩体和完整岩石具有完全不同的力学性质。本文在三轴压缩试验的基础上,对不同节理倾角的三峡库区砂岩开展研究,探讨其变形及破坏特征。试验结果表明:①在同种围压下,节理岩样峰值强度的大小关系为:σ_60°<σ_30°<σ_90°<σ_完整。②相同围压下,完整岩样弹性模量及变形模量均高于节理岩样,随着围压升高,岩样弹性模量和变形模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低。③在低围压下(＜5 MPa),节理倾角对岩样弹性模量和变形模量影响较大,相比完整岩样有较大幅度地降低,其中30°倾角和60°倾角岩样降低程度较高,弹性模量最高达31%,变形模量最高达40%;随着围压增大(大于10 MPa),节理倾角对岩样变形参数影响逐渐减小,相比完整岩样,节理岩样弹性模量降低幅度小于15%,变形模量降低幅度小于10%。④节理倾角和围压对岩石的破坏机制均有较大的影响,节理倾角及围压不同,岩样破坏形式不同。

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考虑弹塑性损伤耦合的绿泥石片岩力学模型研究

李震,刘尚各,于建新,胡明明

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 101-107.

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深埋绿泥石片岩现场工程和室内试验揭示绿泥石片岩在外荷载作用下存在弹塑性损伤耦合行为,考虑弹塑性损伤耦合建立力学模型是进行工程稳定性分析的基础。通过三轴试验对锦屏二级水电站绿泥石片岩的力学特性进行了研究,重点分析了围压对强度、变形、剪胀等非线性特征的影响;基于试验结果,根据绿泥石片岩在受压条件下表现出的塑性剪切和损伤弱化机制,提出了可以反映损伤弱化的损伤演化方程和反映塑性强化作用的加载方程和势函数,并提出适用的本构方程。室内三轴试验的模拟结果表明本文提出的力学模型与试验结果有较好的一致性,对类似深埋软岩地下工程的稳定性分析具有借鉴意义。

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龙马溪组页岩的力学特性及破坏模式研究

梁利喜,庄大琳,刘向君,熊健

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 108-116.

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井壁稳定性是页岩气勘探开发关键技术的核心问题之一。针对页岩井壁稳定问题,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,结合实际钻井情况,开展了不同围压、加卸载模式、取芯角度、流体浸泡等一系列岩石力学实验,为页岩气的勘探和开发提供基础数据。研究表明:四川盆地龙马溪组页岩单轴抗压强度较高,脆性较强;卸载作用造成岩样破坏更加剧烈,破坏模式更加复杂;取芯方向与层理面夹角为15°时,岩样的抗压强度和内聚力最低,夹角为45°时,岩样的破坏最剧烈;流体浸泡使岩样的强度和内聚力大幅下降,岩样以剪切破坏为主,浸泡过油基钻井液的岩样的强度和内聚力损失最小;随浸泡时间的增长,岩样的内聚力和内摩擦角先快速降低后趋于平缓。

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页岩微纳观断裂的原位观测

崔振东,刘大安,李晓,司凯,韩伟歌

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 117-123.

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为了准确理解岩石微纳观裂纹起裂、扩展及演化规律,在带有拉伸加载装置的扫描电子显微镜下,对含有预制边缘裂纹的“拱形”页岩试样进行单轴拉伸试验,实时观测预制边缘裂纹尖端部位的微纳观裂纹起裂及扩展过程。在裂纹贯通后,继续原位观测主断裂裂纹边缘次级微纳观分叉裂纹的展布特征。取出样品后,在扫描电子显微镜下观测断口形貌,基于上述显微观测分析了页岩微纳观裂纹扩展的力学过程。研究表明:(1)采用含有预制裂纹的“拱形”试样更易于成功观测到页岩预制裂纹尖端微纳观裂纹的起裂及稳定扩展过程。(2)微纳观裂纹一般从预制裂纹尖端部位萌生、起裂,裂纹的横向伸展与纵向延伸相伴发生,在快速的脆性断裂前,经历短暂的裂纹稳定扩展过程。(3)微纳观次级分叉裂纹一般从主断裂裂纹边缘的天然微裂纹等弱结构面处起裂和扩展,最终在主断裂裂纹边缘区域止裂,或者前缘发生转向并与主断裂裂纹汇合。(4)主断裂面揭露出页岩矿物晶体内部的天然微孔洞和解理面、层片状矿物的层理面以及天然微裂纹,这有利于在微纳观尺度上形成微孔洞和微裂纹网络,为页岩气开采提供有效的微观通道。

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煤岩组合体破坏行为的能量非线性演化特征

陈岩, 左建平, 魏旭, 宋洪强, 孙运江

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 124-132.

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利用MTS 815试验机对煤岩组合体进行单轴和循环加卸载试验,研究了煤岩组合体的能量演化特征及规律。试验结果表明:输入能密度与应力关系可分为3个阶段,即缓慢增长阶段、非线性增长阶段、峰后跌落阶段;单轴压缩下输入能密度和弹性能密度均随着应力的增大而增大,耗散能密度与应力关系比较复杂,其增长率逐渐减小,并趋于0,而后迅速增大,体现出明显的非线性特征;循环加卸载下输入能密度、弹性能密度和耗散能密度随着应力的增大而增大。当试样发生屈服时,耗散能比例增加,弹性能比例降低;研究结论为煤矿动力灾害的能量驱动机制提供一定的理论参考。

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基于点云的岩体间距与粗糙度的自动化提取

陈建琴,李晓军,朱合华

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 133-140.

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基于单相机双目三维重构技术,提出一种获得隧道掌子面三维点云模型的规范化拍摄流程和自动化提取岩体间距与粗糙度特征参数的方法。间距信息自动化提取流程为采用基于张量投票理论及其优化处理技术识别结构面迹线,通过分组、产生虚拟测线与迹线相交,从而得到各组的平均间距。粗糙度信息自动化提取流程为对岩体分别沿着水平和垂直方向均匀切割获得二维粗糙度轮廓线,采用均方根与粗糙度系数(JRC,joint roughness coefficient)的关系计算不同位置不同方向的JRC。将该方法应用于安徽明堂山隧道在建隧道掌子面三维点云模型的获取以及岩体间距和粗糙度特征参数的提取中,并给出了计算结果。基于单相机双目三维重构技术优势在于可在环境恶劣的在建隧道中获得稳定的、精度较高的掌子面三维点云模型;对岩体间距和粗糙度特征参数进行自动化提取,作为自动化的测试计算方法,可为工程应用提供一定参考。

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无衬砌隧道压力拱的变化规律

徐泽沛,李夕兵

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 141-145.

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结合衬砌与围岩的相互作用,分析无衬砌隧道开挖后压力拱的形成过程,根据隧道衬砌后应力位移的分布规律来研究衬砌施工时间对隧道压力拱的影响,得到如下结论:隧道开挖后,不进行衬砌施工,应力重新分布后顶部水平应力和侧边垂直应力增大,顶部垂直应力和侧边水平应力减小;随着时间的发展,形成的压力拱的垂直外界基本不变,垂直内界逐渐减小,水平内外界逐渐减小,压力拱拱体内最大应力均逐渐增大;隧道围岩较好时,衬砌时间选在稳定压力拱形成的时间,而围岩较差时,衬砌时间选在隧道压力拱开始形成的时间。

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高压富水区限排隧道围岩与衬砌水压力场研究

黄锋,魏源泉,蒋树屏,林志,郭军

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 146-152.

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以穿越重庆市中梁山高水压岩溶区的石板隧道为例,采用有限元稳态渗流分析方法,对地下水控制排放下隧道衬砌周围与围岩内的水压力场进行了研究,分析了半包防水与全包防水条件下衬砌上的水压力分布规律,以及全包防水条件下注浆与否围岩内的孔隙水压力特征。研究表明:(1)采用全包防水,不但可以改善隧道的防水条件,而且可以缓解仰拱的水压力,这对于隧道衬砌的耐久性是有利的;(2)隧道排水率对隧道衬砌周围的水压力有显著影响,当地下水较丰富时,注浆可使隧道排水率增加、衬砌压力减小;(3)围岩注浆可以减小隧道排水对围岩水压力的影响范围,且孔隙水压力在注浆圈范围内变化梯度很大。

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高能冲击作用下淤泥水柱效应试验研究

李彰明,温子奇,潘继平,冯强,刘勇健

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 153-160.

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针对笔者早期提出的静动力排水固结法处理高含水量饱和软黏土时存在水柱效应问题,利用多向高能电磁力冲击试验系统,对珠三角的淤泥进行高冲击能静动力排水固结室内模型试验,获得了淤泥力学响应相关规律: (1)土层中部与下部位置之间土压增量差值十分相近,孔压增量之间、土层压缩量之间亦有类似规律,初次验证了水柱效应的存在,即沿地基深度方向因瞬时不可压缩的水柱特性而可将相当部分夯击力传递至地基深处;(2)随着夯击遍数增加,冲击产生的附加应力与土自重比值逐渐增大,有效加固深度相应增加,夯击能可有效传递至地基土体深部。结果表明,当土中设置了竖向排水体系,不但有利排水,而且具有水柱效应,夯击时近似不可压缩的水柱可将冲击能量传递至地基深部软土中,使深层土体较充分排水固结。

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混合多重二次插值在三维地层可视化中的应用

赵仕威,周小文,湛杰,刘攀

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 161-168.

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地质曲面插值重构是三维地质建模的一个研究热点。针对稀疏的地质钻孔数据,提出了一种基于多重二次曲面和反距离加权的组合插值方法——混合多重二次曲面插值方法(MMQS)。为了检验MMQS的精度,以peaks曲面作为先验曲面模拟起伏的地质界面、采用均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(MAPE)作为曲面拟合效果的检验标准,验证了MMQS方法比常规的多重二次曲面插值方法有较好的插值精度。MMQS算法易于编程。把MMQS方法运用到地质界面重构中,在VB.net与IDL平台上开发了三维地层可视化系统3D GeoVis。采用3D GeoVis对某工程场区进行了三维地层插值和可视化,显示了3D GeoVis的有效性和便易性。

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基于对流弥散反应方程的渗透反应墙设计方法

谢海建,张春华,陈烨,陈云敏,邱战洪

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 169-175.

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渗透反应墙(PRB)是一种将通过墙体的污染物转化为无害物质或者将其沉淀降解的原位处理法。在考虑分子扩散、机械弥散、对流、吸附和降解等耦合情况下,建立了污染物通过PRB运移的数学模型。针对不同地下水渗流场和边界条件的组合,推导了一系列降解条件下模型的稳态解,并针对四氯乙烯给出了设计曲线。PRB两边的地下水渗流场对其厚度具有较大的影响,对流弥散同向情形所需厚度最大,纯扩散次之而对流弥散反向厚度最小;且最大的差别可达1 m。研究表明,有限域与半无限域出口得出的曲线图差别不大,尤其是对于对流-弥散同向和纯扩散情形。这两个工况得到的计算结果差别在10%以内。本文解可用于渗透反应墙的初步设计和试验数据拟合等。

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北京地区深层地铁车站土建可实施性研究

何海健,郝志宏,李松梅

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 176-183.

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轨道交通形成的大型网络已由浅层空间迅速向深层空间发展,北京地区能否在超30 m埋深富含承压水的土质地层中修建地铁车站仍存疑问。首次提出了解决这一技术难题的思路,通过对可行方案的详细比选,重点对现阶段土建可实施性较强的全分离式站型进行了系统研究。结论表明:1)暗挖堵水是深层地铁车站建造方法研究的突破口;2)全分离式新站型更具可实施性、典型性及应用前景,核心需解决承压水地层的注浆效果问题;3)深层地铁车站土建工程仍存在实施难度大、风险高、造价高、建设时间长等问题,各种工法在实践应用上尚需深入研究。研究成果不仅可以为北京地区乃至全国深层地铁建设的科学决策提供依据,而且也为城市地下空间开发和可持续发展起到引领作用。

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浅埋隧道施工对地表沉降影响的简化解析计算

安建永,项彦勇,安付军,李叔阳

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 184-189.

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受边界条件的制约,浅埋隧道开挖引起地表沉降的解析式中大多包含地层损失,地层损失不仅是地表沉降的诱因,又是时间的函数。针对这一现象,提出了地层损失随时间变化的模型,结合三维空间的萨格塞塔解,给出了预测浅埋隧道地表沉降随时间及施工参数变化的新型表达式。通过算例,分析了施工方法、开挖速度、台阶间距及解析模型中地表沉降速度系数对地表沉降的影响特征,结果表明:相向施工时,地表沉降速率先增大后减小,背向施工时,地表沉降速率逐渐减小;开挖速度对地表沉降的路径有较大影响,但不改变沉降的终值;隧道分部开挖时,台阶间距为隧道直径的2~3倍,相互影响较大,大于这个区间之间几乎没有影响;地表沉降速度系数不影响地表沉降的终值,仅改变沉降路径。最后,通过工程案例验证了解析式可靠性。

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沈阳富水砂卵石地层泥水盾构适应性研究

程池浩,廖少明,彭少杰,朱继文,刘漾

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 190-196.

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在砂卵石地层中地铁盾构掘进普遍面临着盾构载荷过大、刀盘刀具磨损严重、开挖面易失稳以及掘进速度缓慢等实际施工问题。为提高盾构在此类地层中的适应性,应选择合适的盾构类型,合理配置盾构设备并使施工参数之间有较好的匹配性,以保障盾构施工顺利高效进行。以沈阳地铁10号线11标砂卵石地层盾构区间为依托,通过对泥水盾构在此类地层掘进的适应性问题进行分析总结,提出了针对性的掘进参数匹配方案、泥浆配比建议以及刀盘刀具配置要求。相关结论可为今后类似地层条件下的泥水盾构施工提供较为全面的参考。

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基于协同破岩的TBM刀盘优化策略

赵瀚翔,薛亚东,杨文亮

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 197-205.

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岩石隧道掘进机工作时的刀具受力情况是影响刀盘破岩性能的关键。为了分析滚刀之间的协同破岩效应,提出3种基本的协同破岩模式,并将多把滚刀协同破岩过程等效为3种破岩模式的组合。不同破岩模式下,滚刀切割岩石的先后顺序不同,结合线性切割试验,证实了不同模式下3种滚刀力等级的大小关系。以引汉济渭岭北隧洞TBM工程为背景,研究得出名义磨损量与破岩模式的叠加效应具有较强的相关性,其中,由内而外模式占比与滚刀名义磨损量具有明显的正相关性,据此提出了考虑刀具磨损量的TBM刀盘刀具优化策略。

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层次注浆工艺在松软巷道破碎围岩加固中的应用

王晓蕾,秦启荣,熊祖强,苏培东,范存晖

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 206-212.

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煤层回采过程中,受支撑应力的作用工作面前方煤岩体被破坏,注浆技术是控制煤岩体破坏的有效途径,而注浆工艺对于注浆效果的优劣具有重要意义。以山西某矿为试验矿井,采用层次注浆工艺和传统注浆工艺对其巷道破碎围岩进行加固,并对注浆效果进行对比分析。数据表明:层次注浆工艺注浆速度较传统注浆工艺快了40%;层次注浆工艺段巷道变形量明显小于传统注浆工艺段;层次注浆工艺能使浆液在煤岩体裂隙内得到有效充填,完整性有较大提高;层次注浆工艺煤壁有较小部分落下,但不影响采煤机正常回采,而传统注浆工艺煤壁比较破碎,完整性差;层次注浆工艺整体优于传统注浆工艺。

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煤柱应力应变分布的光纤监测试验研究

柴敬,彭钰博,马伟超,袁强,王丰年

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 213-219.

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为科学留设区段煤柱,基于光纤传感监测技术,从煤柱内部应力应变角度研究煤柱的合理尺寸及其稳定性。制作平面物理相似材料模型,通过3个工作面开挖形成2个区段煤柱,在煤柱内分别埋设5个光纤Bragg光栅传感器及分布式传感光纤,同时,在模型底板铺设60个压力传感器,监测煤柱内部应力应变变化。试验表明,煤柱内部垂直应变随工作面推进而增大,水平应变随工作面推进呈“马鞍形”分布;煤柱的破裂区宽度约为3～5 m,塑性区宽度约为5～8 m,弹性区宽度约为22～27 m;1^#区段煤柱和2^#区段煤柱一侧开采时,对应的应力集中系数分别为1.54和2.04;两侧均为采空区时,应力集中系数分别为1.99和2.18。光纤光栅监测结果揭示了煤柱内部应力应变规律,为煤柱稳定性实时监测提供了科学手段。

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基于摄动理论盾构隧道壁后脱空识别分析研究

万灵,谢雄耀

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 220-228.

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隧道工程中的壁后脱空病害具有极强的隐蔽性和不确定性,针对盾构隧道中脱空损伤问题,研究了盾构隧道在脱空损伤下其动态特征的变化规律。采用摄动理论分析,建立表征脱空损伤系数η,并结合δ函数的性质,推导了脱空损伤下盾构隧道的模态特征解析式,并引入模态应变能损伤指数进行损伤定位。最后以上海地铁某盾构隧道为例,对无脱空损伤、脱空损伤条件下进行摄动理论分析及有限元分析,结果表明:无论采用摄动理论分析还是有限元分析都能较好地对脱空损伤进行动态演化分析,同时模态应变能损伤指数也能够较好地对脱空位置进行定位,可为基于动力特性的隧道脱空损伤识别和动态监测提供理论依据。

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由道路交通预测地铁振动衰减规律的实测研究

宗刚,张永红, 李广振,任晓崧

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 229-235.

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对地铁引发的环境振动进行有效预测是沿线环境评价及线路规划的重要依据,但不同场地的地铁振动衰减规律差异很大。基于此,笔者提出了采用同一场地内地面道路交通振动实测对地铁振动衰减规律进行预测的方法。首先,选取地面道路和地铁线路伴行的测试场地,开展了地面道路车辆和地铁引发的地表振动响应实测;基于实测数据的统计分析,研究了车辆分别行经路面缺陷及平坦路面时引发的场地振动衰减规律,探讨了采用道路交通振动预测相应地铁振动衰减规律的有效性和适用性。研究结果表明,在距地铁线路约一倍埋深后,采用车辆行经路面缺陷引发振动的实测结果可较准确地预测地铁振动衰减规律,有效值和振级的预测误差均在15%以内。

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煤矿常见灾害性地质异常体地震正演研究

王耀,王桂梅,周结,李军强,付志红

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 236-241.

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断层、陷落柱和采空区是煤矿生产掘进中常见的灾害性地质异常体,简化设计了上述异常体的模型,利用有限差分法进行了地震数值模拟。研究表明:当地表地形平坦、覆盖次数足够时,地震剖面上可清晰识别小断层和采空区,且在采空区底部发现明显多次波,对于顶部压实的陷落柱,当其底部长轴大于25 m,高大于70 m时,地震方法可以对其探测预报,对于顶部塌陷的陷落柱,当其尺寸大于底部长轴长10 m,高60 m时,地震剖面上可以发现明显的“串珠状”反射特征,该特征是顶部塌陷陷落柱识别的重要标志。这些结论对上述常见灾害性地质异常体探测有一定的指导意义。

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大倾角煤层综放开采老顶力学结构阻水性探讨

冯锦艳,于志全,郭志培

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 242-249.

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在大倾角煤层走向长壁工作面综放开采沿倾斜方向能形成老顶稳定结构的理论基础上,建立了一种能够描述较破碎老顶结构的力学模型,通过引入相似材料模拟实验得到的煤岩体参数,求解得到了本研究中的老顶稳定结构的力与位移关系式,可用于分析评价老顶结构的阻水性能。现场工作面以及采空侧的出水监测数据揭示了老顶稳定结构具有阻水性,验证了本文建立的老顶结构力学模型的合理性。计算结果显示老顶稳定结构的阻水效果受到煤层倾角的影响,推导了35°~55°倾角较破碎煤层老顶结构起到阻水作用所需的最小采深关系式,可为现场地表水害分区段治理提供理论依据。

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煤中瓦斯包分布特征研究

安江飞,周动,冯增朝,赵东,蔡婷婷

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 250-256.

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利用红外热成像手段,对不同压力下煤吸附解吸甲烷过程中瓦斯包演化过程进行了观察,并评估其吸附特征与在煤中的分布规律。研究表明:煤中存在不同尺度与甲烷吸附能力的瓦斯包,吸附/解吸甲烷时,煤中瓦斯包比邻近区域具有更明显的升温/降温现象;吸附压力越大,煤样吸附平衡时间越短。通过图像处理的方法对不同吸附压力条件下的红外热像图中的瓦斯包区域进行提取,可有效计算其甲烷吸附特征。计算表明,随着吸附压力升高,煤体瓦斯包中甲烷集中程度降低。在微米尺度下,煤中瓦斯包分布具有分形特征,且分形维数均在1.95~2.00之间。随着吸附压力升高,瓦斯包中甲烷集中程度降低,不同尺度的瓦斯包均发生了连通演化。

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坑趾系数对坑中坑基坑变形影响的敏感性分析

侯新宇,蔺彦玲,薛必芳,袁娇娇

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 257-263.

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采用土体卸载的HS有限元模型研究地铁换乘站坑中坑坑趾系数α对支护结构和土体变形的影响。结果表明:外墙最大侧移随坑趾系数增大而显著减小,侧移位置上移,α从0.25增加到1.5,外墙最大侧移从44.96 mm减小到30.71 mm,侧移深度从18.875 m上移到16.0 m;内墙侧移随α增大而减小,α从0.25增加到1.5,内墙最大侧移从45.74 mm减小到24.48 mm,内墙墙顶竖向位移随α增大而增大;内坑坑底在内墙10 m范围内出现显著隆起区,最大隆起量随α增加而减小,隆起区外的隆起值稳定保持在90 mm左右;外坑坑底隆起随α增大而增大,最大隆起位置出现在内墙外侧边缘,外墙内侧边缘的挤压隆起随α增大而增大,隆起范围和隆起量都较为显著;外坑坑背沉降曲线相似,沉降量随α增大而减小。

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深基坑桩锚支护结构受力与变形特性现场试验

李浩,宋园园,周军,李健,申振华

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 264-270.

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在成都地区某基坑支护工程开展了深基坑条件下桩锚支护结构受力与变形特性现场试验,研究了冠梁上土压力与内力变化规律、锚索轴力及支护桩侧向位移分布特征。结果表明:①在基坑中部,冠梁对桩顶侧向位移有一定的协调作用,角点处冠梁协调作用较弱,应适当提高冠梁刚度,并将其与其他部位断开;②锚索轴力沿基坑深度呈类抛物线型分布,且(0～2/3)倍基坑最终开挖深度h_e范围内的中上层锚索对支护桩顶侧向位移影响比较明显,施工时应尽量控制该深度范围的开挖速度及重点关注中上层锚索预应力损失;③受边界效应影响,基坑变形具有空间效应特征,具体表现为基坑中部大于角点处、长边大于较短边,边界效应对其影响范围大致为1h_e。

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顺层边坡不同开挖锚固过程力学响应模型试验

李聪,朱杰兵,汪斌,蒋昱州,曾平

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 271-278.

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为深入认识施工期顺层边坡变形与应力调整规律,开展了不同开挖与锚固过程顺层边坡地质力学模型试验,分析了边坡不同部位对不同开挖坡率、锚固次序等施工过程的力学响应规律。试验结果表明:①顺层边坡开挖响应主要受卸荷回弹与层面滑移影响,卸荷回弹效应由开挖方量控制,层面滑移对开挖振动响应显著;开挖后边坡上部主要表现为结构面滑动变形,中部及下部主要表现出卸荷回弹特征。②测点与坡面的距离直接影响测点对开挖的响应,靠近开挖面测点位移大,远离开挖面测点位移小,且边坡变形随开挖坡面变陡呈增加趋势。③预应力锚筋不同张拉次序会引起边坡不同的响应规律。单侧顺序张拉时,距离锚筋较远的岩体呈现受拉特征,易导致岩体中原有裂隙张开或出现新裂隙;中间到两侧对称张拉时,基本所有岩体均呈现受压特征。建议采用对称张拉次序,避免单侧张拉。

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基于神经网络的深厚软土地层参数反演分析

肖明清,刘浩,彭长胜,巩生龙,闫鹏飞

地下空间与工程学报. 2017, 13(1): 279-286.

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在深基坑工程数值分析中,土体本构关系的选取及其参数的确定对分析的结果会产生重要的影响。结合一个海中深厚软土基坑实例,根据现场实测数据,利用参数敏感性分析确定地层的关键参数,提出一个基于参数敏感性分析和BP神经网络的动态施工反演分析方法。分析结果显示,围护桩水平位移监测值与反演值吻合较好,说明基于参数敏感性分析和BP神经网络的动态施工反演分析方法能够很好地反映土体的非线性、不确定特征,依据该反分析方法获得的土体参数可用于估算下一工况的基坑位移。本次反演得到的土体参数可作为当地深厚软土地层类似工程土体参数的参考取值。

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