地下空间与工程学报

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乔永康,张明洋,刘洋,彭芳乐

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 859-867.

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随着我国城镇化水平的日益提高,历史文化名城的保护与发展问题也越来越突出,而古都型历史文化名城因其大遗址、古墓葬、地下埋藏文物特别丰富等,在城市的发展与保护问题上矛盾更加尖锐。通过对城市特征和地下空间特性的研究,探寻地下空间开发利用对古都型历史文化名城的意义,进而总结出地下空间的利用原则及地下空间规划的方法,并应用于洛阳市地下空间总体规划中,希望能够为我国其他同类城市地下空间的规划建设积累一些有价值经验。

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城市地下街建设标准体系研究

彭芳乐,乔永康,常建福,张迪川

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 868-876.

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随着我国城镇化水平的日益提高,城市地下空间的开发利用也已经在全国各大城市有序进行。地下街作为一种兼具经济效益、环境效益和社会效益的城市地下空间利用形式,也越来越得到重视。但是,伴随着地下街建设的普遍化、大型化以及利用人流的密集化,地下街在经营和防灾等方面的隐患也越来越突显。针对我国地下街建设法规方面的不足,借鉴日本、台湾地区以及欧美国家的地下街建设经验,提出我国地下街建设标准体系,旨在为地下街的规划建设提供规范化保障。

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岩石单轴拉伸蠕变特性试验研究

蒋海飞,吴祖松,陈坤,刘丹,王元清

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 877-885.

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采用自行设计加工的岩石拉伸试验装置,对砂岩进行了直接拉伸蠕变试验。结果表明:拉伸试验中蠕变量与总应变的比值明显高于压缩试验中相应值,表明岩石拉伸蠕变变形能力高于岩石单轴压缩蠕变。分析等时应力-应变曲线直线段斜率变化规律,得到Kelvin体弹性模量随时间变化的表达式,将其代入Kelvin模型中,得到一个改进的非线性广义Kelvin模型,并通过串联的方式,将之与一个能反映非线性加速蠕变特征的黏塑性体联结,组成一个新的非线性蠕变模型。利用非线性曲线拟合软件1stOpt,对试验曲线进行拟合,对模型参数进行辨识,对比试验曲线和拟合曲线,二者能较好地吻合,验证了模型的适用性。

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振动荷载对砂岩峰后损伤变形特性的影响

张婧,王东,刘长武

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 886-891.

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岩石峰后力学特性的理论研究对于深部煤炭的安全开采至关重要。开展粉砂岩的峰后振动循环和加卸载试验:首先以0.1 MPa/s的速率将围压增至20 MPa,然后以60 kN/min速率施加轴向荷载直至峰值q,再进行轴向卸载至0,最后轴向施加10~80次的正弦振动荷载。通过总结振动荷载对粉砂岩强度、变形、损伤和弹性模量的作用规律,研究了振动荷载对砂岩峰后损伤变形特性的影响。结果表明:少量的振动荷载有利于粉砂岩变形损伤的闭合,可以提高岩石的弹性模量,使岩石变得相对坚硬;但过多次数的循环荷载会引起岩石的变形进一步发展,产生新的损伤,同时也会使岩石变软。峰后阶段的振动荷载会促进新裂纹的产生、发展和贯通,最终产生多组破裂面。

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共面断续裂隙岩石单轴压缩特征的颗粒流模拟

潘翔

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 892-898.

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利用颗粒流软件构建了裂隙岩石的单轴压缩模型,模拟了含共面断续裂隙岩石的单轴压缩试验,并分析了裂隙倾角、裂隙长度、岩桥长度、裂隙摩擦系数对岩石破坏特征的影响。结果显示,上述4种因素对岩石破坏模式都存在影响,主要出现的破坏模式有:类完整岩石破坏模式、宏观剪切破坏模式、宏观张拉-剪切复合破坏模式、过渡型破坏模式。岩石峰值强度与裂隙倾角呈现出非线性特征,相对于裂隙长度呈现单调递减的趋势,相对于岩桥长度的曲线呈现上凸形态,相对于裂隙摩擦系数呈现单调递增的趋势。

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冻融循环对高含水量黄土压缩变形特性的影响

赵轩,杨更社,田俊峰,魏尧,叶万军

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 899-904.

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为了研究不同冻融循环次数下含水量变化对季节性冻土地区高含水量黄土压缩变形特性的影响,以山西阳曲地区高含水量黄土为研究对象,分别进行不同含水率、冻融循环次数的侧限压缩试验,并引入压缩变形系数来表达黄土的压缩变形特性。研究表明,当含水率达到22%时,未经冻融土样表现出明显的湿软特性,随着冻融循环次数的增加,土样的湿软特性逐渐加剧,且冻融循环次数5次之前土样的压缩变形较大;随着含水率的逐级增加,存在一个含水率阈值,使得冻融循环作用对土样的压缩变形特性将产生显著的影响;并通过割线模量法对该黄土压缩变形过程中的应力应变关系进行分析,得出拟合结果。

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地裂缝带Q₃原状黄土三维蠕变本构辨识方法

李丽 ,邓亚虹 ,王鹏 ,慕焕东,李飞霞

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 905-912.

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“改进西元模型”是由西元体和村山体串联组成,它包含了黏弹性、黏塑性、黏弹塑性三种基本流变力学性态。本文基于统一流变力学模型理论,结合所得“改进西元模型”的性质及蠕变曲线的特征,对蠕变本构方程进行辨识,获得了西安地区地裂缝带Q3原状黄土在不同应力水平下的一维蠕变本构方程。考虑到室内试验及实际工程问题均为三维状态,将一维本构模型进行推广,得到了三维蠕变模型,并对其本构方程进行求解。结果表明,所选本构方程较为准确地反映了西安地区地裂缝带Q3原状黄土的流变性能。

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真三轴条件下上海软土的孔隙水压力特性分析

陈驰,孙红,葛修润

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 913-917.

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基于上海软土的真三轴试验结果,研究不同中主应力系数b值下,上海软土的孔隙水压力发展规律。探寻孔隙水压力变化与土体剪缩之间的关系,寻求真三轴条件下,孔隙水压力与偏差应力之间的定量关系。从主应变关系的角度,分析上海软土在真三轴条件下的剪切特性。研究表明,土体的剪胀(剪缩)特性与孔隙水压力的减小(增大)密切相关。与常规三轴条件下所得结果相似,孔隙水压力与偏差应力之间呈现线性相关关系,但在中主应力系数b值的影响下,两者的线性斜率发生变化。通过回归分析,建立孔隙水压力与偏差应力之间的定量关系。最后,采用此关系对试验资料进行拟合,拟合结果与试验值吻合度较好。

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水泥加固酸污染土无侧限强度特征

丁勇,王鹏,董雪花,胡强强,吕会

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 918-922.

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污染土是利用水泥固化处理后,土体的强度得到提高。针对该项技术,采用水泥固化法处理酸污染土,通过两种试验方案,对水泥加固酸污染土的无侧限抗压强度特性进行研究。试验所用酸污染土用浓硫酸配置人工制备而成,并考虑了不同水泥掺量、不同硫酸浓度和不同龄期对水泥加固酸污染土强度的影响。试验表明:水泥固化酸污染土的强度与水泥掺量和硫酸含量有密切关系,二者共同作用决定其强度的变化。在一定硫酸浓度(2~16g/kg)条件下,伴随硫酸含量的升高,水泥掺量较低时,无侧限抗压强度整体呈明显下降的趋势;水泥掺量较高时,无侧限抗压强度呈缓慢上升的趋势。随着水泥掺量提高,土样的无侧限抗压强度达到峰值时所对应的硫酸含量也逐渐变大。

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含水合物砂土力学特性及本构模型

颜荣涛,李扬,杨德欢,韦昌富,陈学军

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 923-930.

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天然气水合物(以下简称水合物)的不当开发可能会带来一系列的地质灾害和环境问题,因此,开展含天然气水合物地层开采过程中的安全稳定性评估显得尤为重要,而建立能有效描述含水合物沉积物的力学行为的本构模型是安全稳定性分析的核心前提。在分析含CO₂水合物砂土的三轴力学特性的基础上,把含水合物沉积物视为水合物和土颗粒骨架组成的复合胶结性材料,参考胶结土体的建模思路,引入附加内变量描述水合物对土体的胶结影响,建立了含水合物砂土的屈服函数和非关联流动法则,建立了含水合物砂土的本构模型。通过模型验证及分析,模型能较好地模拟不同围压下和不同水合物含量下含水合物砂土的应力应变曲线,反映含水合物砂土的力学特性。

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全尾砂沉降性能及其影响因素

朱时廷,侯运炳,陈林林,李鹏,樊攀峰

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 931-937.

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全尾砂固结排放工艺是一种处理尾矿的高效安全新型排放工艺,尾砂沉降性能综合反映了尾砂物理特性、离析等特点,是影响过滤机对尾矿浓缩脱水效率的重要因素,对全尾砂固结干排工艺的应用研究具有指导意义。采用全尾砂料浆进行单因素试验,考察不同浓度下料浆沉降性能,建立了不同浓度全尾砂料浆沉降速度的数学模型。根据沉降速度数学模型可知较低浓度料浆沉降速度快,沉降周期长且极限下沉量大,而较高浓度料浆则相反;全尾砂料浆沉降速度曲线大致符合单峰右拖尾类型:初期沉降速度不断增大直至最大下沉速度,以最大沉速下沉一定时间后速度减缓,最后停止沉降。采用均匀设计法,建立不同浓度及不同粒级组成的5因素6水平均匀试验,对配级尾砂沉降性能进行研究。试验结果表明,极限下沉量与浓度、-210~+120 μm尾砂含量、-120~+75 μm尾砂含量呈负相关,与+210 μm尾砂含量、-75 μm尾砂含量呈正相关;浓度对尾砂料浆的极限下沉量影响最大,粗颗粒(+210 μm)次之,细颗粒(-75 μm)对极限下沉量影响排在粗颗粒和浓度之后,中粒径(-210~+75 μm)的影响最小。在浓度较低时,配级尾砂沉降速度比全尾砂缓慢,尾砂级配占主导因素;在浓度较高时,配级尾砂和全尾砂沉降速度相差不大,此时主导因素为料浆浓度。

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AVO岩性参数反演的改进人工鱼群算法研究

胡军,王凯凯,董建华,黄贵臣

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 938-942.

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为及时获取地震岩性参数,提出了基于动物自治体模型的人工鱼群算法进行参数反演。该方法对鱼群算法采取分阶段策略进行改进,并增加了跳跃与吞食行为,从而使鱼群更容易跳出局部最优得到性能优化。对振幅随炮检距变化(AVO)的实际数据参数反演的结果表明,与标准人工鱼群算法相比,改进的鱼群算法的反演精度与寻优时间都得到很大改进,表现出更强的寻优泛化能力。

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基于透明岩体的深部隧道围岩变形分析

喻军,林志斌,李元海

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 943-949.

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鉴于当前实验条件,无法直接观测岩体内部的变形演变过程,难以满足对岩体内部全域的变形时间效应与空间特征分析的要求,以透明岩体实验新技术为出发点,对模型隧道周边围岩的内部变形过程进行全程二维数字照相量测,得到深部隧道围岩内部变形的时空演化规律。研究发现:隧道顶部、帮部及底部的岩体径向位移都大致与隧道埋深呈指数衰减关系;隧道拱顶、拱底、左腰和右腰处岩体的径向位移都与顶部荷载呈指数递增关系;随着顶部荷载的增加,隧道顶板岩体最终将沿着两侧拱腰斜方向一定范围内两条弧线而向隧道内发生整体性剪切滑动,导致隧道失稳破坏。研究结果揭示了深部隧道围岩变形破裂时空演化机理,为深部隧道事故防治提供了依据。

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动水环境下粗糙单裂隙注浆数值模拟

杨坪,孙雪青

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 950-954.

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动水环境下水泥浆液在裂隙中的扩散规律是裂隙注浆研究的一个重点,用有限元模拟浆液在粗糙单裂隙中扩散过程,对浆液在动水环境下影响因素进行了分析,利用裂隙走向上的曲折表征裂隙的粗糙度,建立裂隙三维模型形成独立的流域,设定注浆压力、动水流速及初始边界条件进行计算。注浆时间、注浆压力及粗糙度系数3个因素各4个水平,保持其中两个因素取值不变,另一个因素分别取4个水平值时的浆液扩散情况,得到各因素对浆液扩散距离的影响。结果表明,浆液扩散距离与时间、注浆压力呈线性关系,时间越长,浆液扩散越远;注浆压力越大,扩散越远;浆液扩散距离与节理粗糙度系数关系呈负相关关系,节理粗糙度系数越大,浆液扩散距离越小。

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超高层建筑桩筏基础中桩顶反力时变效应分析

刘射洪,袁聚云,赵昕

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 955-962.

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超高层建筑地基-基础-上部结构共同作用体系中,材料、结构及荷载均具有时变性。随着超高层建筑的大量兴建及共同作用研究的不断深入,考虑时间效应的共同作用研究逐渐受到学术界及工程界的重视,并逐步应用到工程实践中。基于地基沉降及上部结构的时变性规律,以时间切片的方法综合考虑时变作用的耦合效应,分析得到超高层建筑共同作用结构系统中桩顶反力的分布及变化情况,同时对水浮力的取值问题进行了讨论。分析结果表明,桩筏基础是弹性体,并验证了变刚度调平设计的正确性与合理性;同时,对于软土地区超高层建筑,地下水浮力不可忽略。

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TBM隧道豆砾石-地层抗力系数计算方法研究

姜志毅,王明年,于丽,刘大刚,吴圣智

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 963-969.

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豆砾石回填与灌浆技术在护盾式TBM施工的隧道中获得了广泛应用,但是豆砾石填充层对地层抗力系数以及管片结构受力的影响有还有待研究。本文利用厚壁圆筒弹性应变理论和温克勒假设,首先建立轴对称条件下的豆砾石-地层抗力系数公式并对影响该公式的因素进行了分析。在此基础上,考虑了豆砾石填充层的非均匀分布,建立了非轴对称条件下的豆砾石-地层抗力系数公式。研究表明:(1)是否考虑豆砾石填充层的存在以及豆砾石填充层是否均匀分布对地层抗力系数具有重要影响;(2)不同岩性条件下,豆砾石填充层弹性模量均存在一临界值使豆砾石-地层抗力系数的性质发生突变;(3)豆砾石填充层厚度的增加则具有强化豆砾石-地层抗力系数性质的作用。

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建筑垃圾再生骨料吸水性能改善试验研究

刘国涛,熊枫

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 970-973.

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建筑垃圾再生骨料较高的吸水率限制了其广泛应用。对再生骨料进行表面改性,使其吸水率与天然材料接近,是提高建筑垃圾资源化利用的一条技术途径。以球磨微损破碎再生骨料为研究对象,采用稀盐酸浸泡、化学浆液和水玻璃溶液浸泡三种表面改性处理方法,结果表明:盐酸浓度为2%,浸泡时间为60 min,再生骨料吸水率为2.97%,较未处理的降低了24.6%;采用硅酸盐水泥浆+10%硅粉,水胶比为0.8,浸泡时间为5 min,再生骨料的吸水率为2.42%,较未处理的降低了38.6%;水玻璃溶液浓度为5%,浸泡时间为5 h,再生骨料吸水率为2.11%,较未处理的降低了46.4%。三种方法均能有效改善再生骨料吸水性能,综合考虑处理效率,采用硅酸盐水泥浆+10%硅粉处理效果最好。

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公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内开挖模型试验

杨志浩,方勇,杨斌,徐晨

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 974-981.

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开展了公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内相似模型试验,考虑了不同开挖进尺和初期支护参数的影响,通过埋设位移计、土压力盒及电阻应变片,测量了隧道开挖过程中采空区附近地层的移动和初期支护的内力。试验结果表明,增大隧道开挖进尺,地层最终沉降量、隧道施工过程中的沉降速率均显著增加,沉降槽变得更窄、更陡。减少钢拱架数量也会引起地层沉降的增加,但增加幅度相对较小。增加开挖进尺或减少钢拱架数量还将引起钢拱架弯矩增加,使得拱部最大弯矩向右侧移动,并改变轴力分布,降低初支结构稳定性。研究结果表明,隧道下穿倾斜煤层采空区地层时,可以不对采空区进行加固,但需要降低围岩级别进行初期支护设计,并采用较短的循环进尺进行隧道开挖,同时缩短上台阶初期支护时间,尽早使初期支护闭合成环,从而降低开挖引起的地层的沉降,保证初期支护结构的稳定性。

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季节性寒区隧道主动加热保温防冻方法及其试验

邱军领,赖金星,张广龙,刘生,刘泉

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 982-987.

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为防治季节性寒区隧道冻害,提出了一种基于电伴热的主动加热保温防冻方法,该系统由“100 W/m²发热电缆+4 cm保温层+保护层+防火层”组成,并且给出了施工中的注意事项和要点。将该方法成功应用于图们至珲春高速公路东南里隧道试验段工程,初步试验结果表明,通电1 h后,衬砌背后温度开始升温,3 h之后衬砌背后达到正温、温度基本稳定,发热电缆“热阻效应”明显,初步验证了该方法的可行性及有效性。研究结果可为寒区隧道冻害防治的设计与施工提供借鉴。

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盾构开挖面极限支护力的简化计算公式

朱建明,高林生,巩晓花

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 988-994.

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盾构开挖面极限支护力的确定是盾构法施工中一个需要解决的重要问题,基于楔形体模型对盾构开挖面极限支护力的简化计算研究,提出了极限支护力可以通过线性拟合得到。该方法将极限支护力简化为砂土内摩擦角φ的线性公式。通过对地面附加应力P₀=0,砂土的重度γ=18 kN/m³,开挖面直径D=6 m,埋深H=10 m时的lnσ_T与φ的关系曲线的线性拟合得到该条件下的盾构开挖面的极限支护力的简化计算的线性公式,又通过引入砂土的重度影响系数a、盾构的开挖面直径影响系数b和埋深的影响系数c,得出了在一定范围内适用的考虑砂土的重度、盾构的开挖面直径和埋深等影响因素的盾构开挖面的极限支护力的简化计算的线性公式,简化了盾构开挖面极限支护力的求解过程。

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基于SMP准则的土压平衡盾构刀盘扭矩计算研究

郑剑岳,朱建明,祝恩阳

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 995-1000.

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由于目前的刀盘扭矩计算公式中没有考虑土体中间主应力的效应,使其理论计算值较实际偏小幅度过大。为此,笔者通过松岗-中井(SMP)准则引入中间主应力对常规三轴试验测得的内摩擦角进行修正,同时对内摩擦角修正前后的数值予以了比较,结果发现,改进后的内摩擦角与原来相比最大可提高约13%。将修正后的内摩擦角代入扭矩计算公式中,得到了土压平衡盾构刀盘扭矩计算修正模型。并针对600 mm模拟土压平衡盾构掘进机进行刀盘扭矩计算及其试验验证,结果表明,该模型的计算结果与试验测得值相吻合,与未考虑中主应力的理论相比其值增加了17%,提高了理论计算结果的精度。

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大直径锚盘变形的荷载传递分析法

赵元一

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1001-1008.

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根据锚锭板、钢绞线与水泥土的相互作用机理,以弹性力学为基础,建立了拉拔荷载下三者的受力平衡方程。锚锭板受力采用弹性半空间的Boussinesq解,钢绞线握裹力采用忽略水泥土体的无旋应变下的变形协调平衡方程,并以三者的协调变形为前提,利用传递矩阵方法,计算了土层中大直径锚杆内各锚锭板所受荷载和位移的关系。通过理论计算可知,靠近张拉荷载的锚锭板最先达到塑性,而后是距离较远的发挥其承载力,如果进一步考虑钢绞线握裹力的影响,当近张拉端锚锭板达到塑性时,较远处锚锭板构件承载力的发挥程度将进一步减小。

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临近地下室外墙的挡土墙主动土压力研究

费彩会,朱建明,林庆涛

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1009-1015.

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关于考虑土拱效应的临近地下室外墙影响下的挡土墙主动土压力的研究目前已经取得了很多成果,但对考虑地表附加应力影响时的研究还有较多的不足。研究发现,考虑地表附加应力时挡土墙后破裂土体的平均竖向应力σ_v的求解公式与地表到墙后土体破裂面的最短距离H₁和张拉裂缝的深度zc的正负以及两者之间的关系有关,以此为基础将该问题分为4种情况进行研究,推导出了各情况下相应的σ_v的求解公式,并得得到了其相应的主动土压力计算公式;同时,通过对主动土压力积分推导出了各情况下相应的主动土压力合力和倾覆力矩的计算公式,由此可以计算合力作用点的高度。算例表明,地表附加应力的存在会对主动土压力的分布以及合力作用点的位置有较大的影响,证明了本文研究的必要性。

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大型地下水封储油洞库施工风险分析与控制

沈铭龙,刘保国,郑金伙,邵云巧

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1016-1023.

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针对某大型地下水封储油洞库规模大、工程施工技术复杂、安全性要求高、不可预见风险因素多的特点,对模糊网络分析法进行了改进,并应用于该洞库施工风险评价。基于指标体系的全面性、可行性、客观性等原则,建立了施工风险两级评价指标体系,并对二级指标进行单因素评价,得到模糊关系矩阵;经过计算进而得到该洞库施工风险的整体风险水平和各个风险因素相对于整体风险的重要度排序,且综合评价结果为较高风险;针对重要度排序高的风险因素,分别提出了具体的风险控制措施。研究成果可为今后国内地下水封储油洞库施工过程中的风险分析与控制提供有益的借鉴和参考。

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公格尔水电站发电洞高温段关键施工技术

余春海,刘乃飞,侯代平,李宁

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1024-1032.

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布仑口-公格尔水电站地处昆仑山腹地,在强烈的构造运动作用下致使引水发电洞前段存在高地温现象,局部岩温达100 ℃,给工程施工带来了巨大的困难和挑战。结合工程特点通过室内外试验等手段从施工降温、爆破安全和支护技术等三方面对高温隧洞关键施工技术进行了系统研究。在充分利用当地自然条件(年平均气温0.9 ℃)的基础上,提出了“以通风为主并辅以低温冷水的综合降温技术”,以极经济的代价解决了洞内高温问题;根据相关试验结果对作业面炮孔温度进行分区,有针对性的提出了相应的安全爆破技术;针对不同洞段情况提出了以喷砼替代二次衬砌、以预制混凝土替代模筑混凝土等支护技术。以上各项施工技术在本工程的成功实施,确保了该引水隧洞的顺利施工(于2012年5月5日贯通),并期望能为同类工程的施工提供参考和借鉴。

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排桩支护体系的三维土拱效应及桩间距研究

王洪木,陈金锋

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1033-1039.

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为研究排桩支护体系中的土拱效应的三维分布、体系的安全性及合理桩间距的计算方法,利用三维有限元程序PLAXIS 3D对排桩支护体系、施工开挖、堆载等过程进行模拟,分析了不同阶段土拱效应的分布情况及不同阶段的安全性。并根据土拱的三维分布特性改进了已有的桩间距计算方法。计算显示开挖过程中桩间土拱前塌落区与摩尔库伦塑性区基本重合,在基坑1/2 ~2/3深度处土拱效应最为明显、塌落区最大,建议用已有公式计算这一段对应的合理桩间距,用于工程设计。有限元计算显示,本文中建议的方法所计算的桩间距能保证支护的安全性符合要求。

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深埋软硬共存隧洞变形特征分析及施工对策

张传庆,张洋,周辉,刘宁,孙峰

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1040-1046.

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复合地层中深埋隧洞围岩变形特征复杂,软硬共存类复合地层中围岩力学特性差异巨大,开挖力学响应极其复杂,给现有设计和分析理论提出了重要挑战。锦屏二级水电站深埋引水隧洞西端3#隧洞绿泥石片岩洞段围岩即共存绿泥石片岩和大理岩,软岩挤压和硬岩破裂共生,且二者相互影响,通过现场详细地质勘察和地质条件分析,结合临洞监测成果分析和数值模拟分析,研究掌握了围岩变形特征,基于此,考虑后续施工可控变形量和支护厚度得出挤压洞段扩挖尺寸,并给出了相应洞段后续施工风险的应对策略。这为此类深埋隧洞工程相关问题的认识和解决提供了重要参考。

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碳化泥质板岩大断面隧道围岩松动圈测试研究

骆建军,陈保忠,宋扬,李祺

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1047-1055.

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围岩松动圈范围是隧道、巷道及类似地下工程设计、施工和评价围岩稳定性的重要技术参数之一。针对吉图珲高速铁路小盘岭大断面碳化泥质板岩隧道在掘进过程中发生的地层变形大、频繁更换钢拱架以及隧道局部多次发生垮塌这一严重现象,采取多点位移计监测及超声波检测技术,对小盘岭隧道围岩松动圈范围进行测试。在此基础上,通过改变围岩壁后注浆深度,对比分析控制效果。现场测试表明,小盘岭隧道围岩松动范围大,平均达到约5 m,隧道开挖右侧松动圈范围大于左侧松动圈范围,原支护方案中锚杆长度仅为4.0 m,径向注浆管长度为3 m,初步判断施工步距大以及锚杆长度过短是造成隧道围岩失稳的重要因素。在后续的施工过程中,采取右侧及拱顶锚杆长度为6.5 m,左侧锚杆长度为6 m,围岩径向注浆管长度增加到5 m,经过优化后的锚杆长度参数明显改善了围岩的支护效果,监测表明隧道拱顶沉降及围岩收敛速率明显减小,拱架受力明显降低,降低了隧道施工风险,并为类似工程的设计及施工提供参考。

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智能电力排管结构变形感知方法与应用

谢雄耀,唐亘跻,洪概,王承

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1056-1065.

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电力排管作为浅埋地下结构,其分布广,遍布于城市每条街道,易受到工程施工的影响,而传统监测技术难以实时捕捉到结构变形破坏过程,需要实现结构自感知。光纤传感技术是一种能够做到实时、长期、分布式、新型监测方法,其在智能结构自感知领域应用潜力广阔。通过一组模型实验,并对变形监测数据进行研究,得到电力排管的受力变形特性;分析光纤传感器所得的水平向应变与电力排管沉降变形之间的关系,提出了光纤沿电力排管结构埋设并首尾相接形成监测闭合环路的安装方法,并在现场试验中进行验证。实验结果证明了基于布里渊频域分析(BOFDA)的分布式光纤传感技术运用在电力排管变形监测中的准确性、可靠性和优越性。研究成果可用于运营期电力排管结构安全状态的分布式监测,实现结构变形自感知,为智能地下结构的应用打下良好基础。

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地铁隧道管片错台风险评估体系的研究和探讨

冯天炜,周佳媚,张君,赵林

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1066-1072.

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管片错台是盾构施工过程中的常见现象,会引发管片局部破损(开裂)、盾尾漏浆、隧道漏水等风险,而导致错台的主要因素有同步注浆控制、盾构姿态、总推力反力竖向分力、掘进速度、地层条件和拼装作业等。基于风险评估理论,笔者采用广义函数法建立地铁隧道的风险评估体系。利用G₁法计算风险指标的权重;由风险指标与错台量的关系,将定性指标予以量化,同时,按照统一标准进行规范化,得到其价值标准;计算系统的总价值,将系统的安全等级划分为优、良、中、差4级。采用此评价体系对地铁隧道进行管片错台风险评估,得出量化的评估结果,进而为选取掘进参数和提出施工对策提供依据。

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滨海残积土基本特性试验及异形基坑开挖方案优选

沈启炜

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1073-1079.

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受花岗岩残积土遇水软化崩解特性影响,滨海高水位区地铁异形深基坑施工一直是不可逾越的复杂工程。针对厦门地区花岗岩残积土开展了基本力学特性试验,并在此基础上,结合厦门地铁1号线吕厝站基坑工程,采用Flac3D软件建立该T型换乘站的三维地质模型,考虑基坑高水位条件下开挖时岩土地层的水-力耦合效应,对比分析土体不同开挖顺序对应工况下支护结构的力学性状,重点研究地连墙水平位移变化、钢支撑轴力及其周边土体的沉降规律,由此得到高水位条件下花岗岩残积土地层中地铁异形基坑最为合理的施工方法,为类似工程施工方案的优化提供一定的借鉴与参考。

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含裂隙水围岩巷道变形破坏数值模拟

赵光明,王昆,王超,孟祥瑞

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1080-1087.

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巷道围岩在地下水渗透作用下慢慢软化,使得围岩内部的裂隙不断发生扩展,在这些裂隙达到贯通或者通过损伤演化扩展形成新的裂隙后,就成为了宏观状态下的裂缝,当这些裂缝不断的发生积累演化,最后导致岩体失稳破坏。这种失稳破坏改变了围岩应力分布状态,影响到围岩位移场分布及破坏范围,从而大大降低了围岩的稳定性,给煤矿的安全生产带来了隐患。结合断裂力学和损伤力学的相关理论,笔者建立了FLAC3D二次开发模型并进行了验证,将此模型应用于工程实践的稳定性分析。

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渗流作用下深基坑开挖抗隆起破坏数值模拟

李飞,徐劲,张飞, 佟慧敏

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1088-1097.

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利用plaxis数值模拟软件,对临河深基坑开挖降水引起的渗流进行模拟计算,通过6组模型在考虑两次降水、多次降水的情况下,研究改变土质、地下连续墙入土深度、坑内工程桩对深基坑抗隆起稳定性的影响。研究结果表明,两次较为深度的降水土体的位移回弹和沉降量会很大,连续墙的设置插入比近似在0.5,可以发挥它的最大性能,过深的连续墙对基坑抗隆起的影响会减小。在渗流条件下基坑开挖的最底层,桩周土体也会因为水压力造成较大的位移回弹呈现土体的回弹量高于桩体的回弹量。该结果可以为进一步研究渗流对深基坑支护体系的影响提供参考。

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内撑式深基坑承压水抗突涌稳定数值模拟技术

张飞,李镜培,孙长安

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1098-1105.

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承压水作用下,内撑式深基坑的突涌稳定状态与围护墙水平位移、土压力分布及坑底回弹变形等因素密切相关。建立了深基坑突涌稳定的数值分析模型,分析不同承压水位作用下的坑底突涌破坏机制、稳定性及相应的基坑变形性状,并与已有分析方法作对比。分析结果表明,承压水作用下,基坑围护墙内侧隔水层表面剪切应变最大,是突涌破坏的最危险位置。随着坑底承压水位的升高,隔水层内的剪切应变增量逐渐变大并向下部土层发展,最终在隔水层与承压含水层界面处产生楔裂破坏,隔水层整体顶升破坏。同时,基坑变形状态表现为,围护墙弯矩和水平位移逐渐增大,被动侧土压力逐渐减小,最终围护墙发生踢脚破坏,坑底土体大量隆起回弹。相对于压力平衡法和均质连续梁板法等理论方法,数值分析方法可以分析坑底土体的突涌渐进发展过程,较好地反应内撑式基坑抗突涌稳定性与围护墙及土体变形性状的相互影响,计算结果更为符合工程实际。

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深基坑开挖条件下抗拔单桩承载力性状研究

刘畅,赵露伟,李文杰,赵歆

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1106-1114.

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通过对基坑工程坑底工程桩桩顶位移与桩身轴力的实测结果进行分析总结,发现坑底工程桩在基坑开挖后,由于土体卸荷回弹产生较大的桩顶位移与拉力。为研究深基坑开挖条件下抗拔单桩承载力变化特性,采用有限元分析软件ABAQUS,建立二维轴对称模型,对不同桩长、桩距、开挖深度与开挖半径对坑底抗拔单桩承载力的影响进行了分析。研究结果表明,桩长和桩径可以显著影响开挖后抗拔桩承载特性,可以通过增加桩长与桩径提高抗拔单桩承载力;开挖深度和开挖宽度共同影响坑底抗拔单桩承载力,主要影响基坑开挖后桩体受力特性,对单桩承载力影响较小。因此,当基坑开挖宽度和开挖深度确定后,合理的选择桩长与桩径十分必要。

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锚碇式隧道爆破振动效应数值试验

石洪超,邹新宽,张继春

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1115-1121.

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为了研究南溪长江大桥锚碇隧道后续洞掘进爆破时隧道围岩的振动特征,采用动力有限元(LS-DYNA)数值计算的方法,对锚碇隧道后续洞掌子面开挖至隧道轴线27 m处的工况进行了数值计算,将计算结果与现场实测数据进行了对比分析,证明了数值计算的可行性。根据数值计算结果对隧道中隔岩墙的振动特征进行分析可以得到以下主要结论:先行锚碇隧道迎爆侧水平向的峰值振动速度最大。随着距离爆破掌子面轴向距离的不断增大,先行洞迎爆侧边墙上各监测点在三个方向上的振速峰值分量越趋近于一致。后续洞掘进爆破引起的在中隔岩墙上的最大振速峰值的位置位于掌子面掘进方向上约1 m左右。在后续洞进行爆破开挖时,振速峰值均随着距离掌子面轴向距离的增大而减小,并且沿隧道掘进方向的衰减速度比反方向的衰减速度慢。

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坑内降水过程中模袋砂围堰变形规律研究

陈俊生,莫海鸿,刘叔灼,邓海丁

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1122-1128.

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为了研究模袋砂围堰变形特性,进行了模袋砂室内单轴压缩试验和水平加载试验, 得到了模袋砂竖向、横向应力—应变关系曲线,分析了模袋砂竖向、横向力学性状。采用有限元法,结合工程实例,建立了模袋砂围堰计算模型,分析了坑内降水过程中模袋砂围堰的变形规律。结果表明,当模袋内形成稳定水位时,围堰变形趋于稳定,随着下游水位的降低,模袋砂围堰变形逐渐增大。此后,当上游水位增高时,围堰变形继续增大。将计算结果与实测值对比分析,对比结果表明文中建模方法的有效性和合理性。

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锤击法和振动法沉桩对周边环境影响的研究

张智梅,黄海涛,张继红

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1129-1136.

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使用有限元-无限元耦合方式建立了预制桩沉桩施工的三维有限元模型,将这一模型用于沉桩全过程的模拟。通过沉桩模拟结果与实测数据的对比,验证了所建模型的正确性。结合上海地区地质条件,对比了锤击法和振动法两种沉桩方式引起的振动衰减特征,根据有限元分析结果提出了地面振动的衰减公式。基于已有振动安全控制标准,提出了普通民房的振动控制标准,评估了两种沉桩方式的振动影响范围。本文成果可以为类似条件下沉桩方式的选择提供一定的参考。

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皖北某矿区中层地下水微量元素健康风险评价

邱慧丽,桂和荣

地下空间与工程学报. 2017, 13(4): 1137-1144.

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为研究皖北某矿区松散层中部地下水中微量元素含量特征及其对人体产生的潜在健康危害风险,对该矿区的水质进行了监测分析,并采用中国环保部《污染场地健康风险评价导则》(HJ25.3-2014)推荐的健康风险评价模型分析了该矿区中层地下水中微量元素经饮水途径所引起的健康风险。结果表明:所监测的微量元素浓度为Zn>Ni>Cu>Cd>Cr,其中,Cd、Cr、Cu和Zn浓度都在《地下水质量标准》(GB/T 14848-93)中Ⅲ类水质标准的规定范围内,仅Ni有一个水样超过相应的标准限值,对该矿区的中层地下水水质无明显的影响;5种微量元素中仅Cr存在潜在致癌风险,风险均值为1.55×10^-6,超过了该模型推荐的评价标准(10^-6),但是与国内已报道的其他地区的致癌风险度无明显差异;5种微量元素虽有非致癌风险,但危害商远小于1,不会对人体产生明显的非致癌健康危害。

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