地下空间与工程学报

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孙利萍,李晓昭,周丹坤,王睿,刘超

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 859-868.

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地下空间是一种重要的资源。本文通过对比研究地下空间开发数据,将中国城市地下空间发展水平进行了分级,并分析不同等级下社会经济的特点,然后分别从不同角度对地下空间指标与人口密度、地均GDP、人均汽车保有量等指标进行了相关性分析。结果表明,不同城市的地下空间开发强度与其地均GDP、人口密度具有高度的线性相关性。以上海市为例研究发现,同一城市不同时期的地下空间开发强度与人口、GDP、汽车保有量等指标可能存在多元线性关系。研究结果一方面验证了地下空间开发对社会经济发展的依赖性,即较高的地均GDP是所须具备的外部条件,较高的人口密度则是内在驱动力。另一方面也表明某些社会经济指标对地下空间发展阶段具有重要的指示作用。

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地下商业地块使用权招拍挂出让条件比较研究

赵蕊,姚祎

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 869-880.

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目前国内地下商业地块使用权出让政策还处于探索阶段,地方政府对出让条件设置较随意,缺乏科学的理论依据与实践规则指导。作者通过对深圳车公庙丰盛町B302-U001·B107-U001地块、南京湖南路 No.2006G25地块、上海黄浦江沿岸E14单元Z4-2地块、广州番禺区南村镇万博商务区地下空间1号地块及深圳车公庙B302-0115地块等土地使用权招拍挂出让案例分析与比较,发现出让条件主要由标的物和受让人两大要素构成,具体内容包括地块位置、用途、使用期限、面积、地下深度、地下建筑层数层高、地面建筑、产权、价格、竞买资格、保证金以及其他要求等。不同地下商业地块使用权招拍挂出让条件差异较大,交易双方需要从实际出发,具体问题具体分析。

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青岛城市地下空间稳定性三度区域划分研究

张自光,仇文革

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 881-892.

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针对青岛独特的上软下硬地层城市地质环境特征,文中采用基于有限元强度折减的数值计算方法和基于现场监测数据的统计分析方法,对青岛城市地下空间稳定性区域划分进行了系统研究。从围岩稳定性角度出发,提出了“难区域(R_D1)—易区域(R_E)—难区域(R_D2)”三度区域的概念,并指出上软下硬地层城市地下空间稳定性区域划分问题的研究重点是R_D1与R_E分布范围及分界覆岩厚度H_r(D1-E);软弱地层厚度H_s越大,开挖跨度D越大,R_D1分布范围越大,R_E分布范围越小,H_r(D1-E)越大,反之 H_r(D1-E)越小。研究成果为城市地下空间的合理开发利用提供了理论基础和依据。

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城市空间形态对浅层地温能开发潜力的影响研究

吕鑫,祝文君,杨军

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 893-903.

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为了进一步改进地源热泵技术在城市中应用的区位适宜性评价,以换热瞬时供需比和全年冬夏累计比为标准,采用现行规范算法,以北京市西城区平房区为样本,分析微观空间形态对浅层地温能供需平衡及开发潜力的影响。结果表明:研究区建筑密度和层数、容积率、埋管深度、建设模式对瞬时供需比结果有显著影响,且冬夏累计比始终处在0.8~1.04的较均衡区间。当埋管深度达到30~50 m时,98%的地块满足瞬时供需比不小于0.5~1.0的适宜开发门槛,节能率为59%~74%。表明城市低密度建设区的浅层地温能的总体供给能力较好;结合空间形态分析供需平衡指标能够改善地温能评价的可靠性,可进一步采用动态模拟、测试和工程示范深入研究。

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竖向受压支盘桩沉降非线性简化分析方法

李连祥,李先军,刘兵

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 904-911.

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为研究支盘桩沉降及相关力学性状,考虑到桩土接触非线性,针对支盘桩,在桩侧、桩端及扩径体端部均采用双曲线型荷载传递函数描述其力学行为,应用分段位移协调迭代算法,提出了一种计算支盘桩沉降及承载性状的非线性简化分析方法。与硬塑性黏土地基和淤泥质软土地基的两种支盘桩现场试验作对比,得到的计算值与实测值有较高的吻合度,证明了方法的合理性和适用性。通过参数分析,发现桩土摩擦角δ及水平土压力系数比k/k₀对承载力有较大影响,且承载力随着二者增大而增大;破坏比R_f及端承土体破坏角θ对承载力影响偏小,承载力随着θ增大而增大,随着R_f的增大而减小。

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沉管隧道结构纵向受力理论计算模型研究

魏纲,陆世杰,邢建见

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 912-919.

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考虑地基弹性抗力系数K随时间的变化,采用简支梁模型和弹性地基梁—简支梁复合模型,对沉管隧道管节沉放对接阶段结构纵向内力分布进行计算分析。改进半柔半刚性接头等效模型,采用定向支座结合剪切弹簧对接头进行模拟。考虑临时垫块的影响,对现有沉管隧道运营期结构受力计算方法进行修正。依托舟山沉管隧道,对管节结构纵向内力进行分析。研究结果表明:改进的接头模型可实现弯矩传递和两端位移差的限制,具有一定的合理性;某一管节沉放对接完成后,相邻的上一管节临时垫块部位的负弯矩发生较大幅度增大,可能引起该处顶板环向开裂;运营阶段管节临时垫块部位和桩基支承部位的负弯矩较大,需要重点监控。

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基于四种曲线不同当量半径算法的对比研究

茅靳丰,廖露,陈尚沅,李超峰,邓忠凯

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 920-927.

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为探讨不同曲线代替拱形断面地下工程顶部曲线对当量半径及围护结构传热的影响趋势,利用圆弧、椭圆、抛物线和双曲线分别代替求得当量半径值的计算公式。基于MATLAB和COMSOL软件针对宽度参数L、起拱高度H和拱高h进行模拟,分析结果发现,在不考虑明显偏离情况下,3个参数对当量半径值的影响趋势总体上分别保持一致,R_dif-s与R_dif-p的差值在对应L、H和h的变化条件下最大分别可达0.43 m、0.45 m和0.65 m。对比发现,湿周法所得当量半径值均大于截面积法,两者差值在对应参数变化条件下最大分别可达1.03 m、0.91 m和0.94 m。且从工程最高温度的角度分析,采用截面积法计算模拟宜选择椭圆,采用湿周法则宜选择抛物线。若给定相同热流密度,则湿周法计算所得的温升大于截面积法。

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一种连续-非连续方法验证及矩形隧道围岩垮塌模拟

王学滨,马冰

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 928-935.

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提出了一种适于模拟岩石材料变形、开裂、接触、摩擦及转动的连续-非连续方法。该方法借鉴了拉格朗日元法、变形体离散元法及虚拟裂缝模型的有关原理。首先,针对弹性滑块沿固定斜面下滑及三点弯梁开裂问题进行了模拟,以检验该方法的正确性。然后,针对矩形隧道围岩模型位移控制加载条件下的变形、开裂及垮塌过程进行了模拟。结果表明:位于隧道两帮、顶部和底部的最大主应力低值区(最大主应力值下降区)的形状呈半圆形;随着加载的进行,位于隧道顶、底部的任一个最大主应力低值区被分化成“双耳形”;随后,隧道顶、底部发生开裂,冒落及底鼓发生,隧道两帮也发生开裂;最终,松散的岩块几乎充满了半个隧道,隧道围岩整体垮塌。

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考虑爆破瞬态卸荷的深部岩巷损伤范围研究

胡帅伟,陈士海

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 936-944.

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为了研究深部岩石巷道爆破瞬态卸荷的损伤效应,本文采用弹性动力学方法,利用Laplace变换和留数定理求解了深部岩巷爆破卸荷瞬态应力场的动态解析解,结合拉伸损伤和剪切损伤的阀值条件,给出了损伤破坏区的范围和损伤程度,并探究了损伤区分布的影响因素。算例表明,围岩以拉伸损伤破坏为主,岩石的脆性越强,损伤变量越大。爆炸荷载越大,拉伸和剪切损伤破坏区范围越大;原岩应力越高,拉伸损伤破坏区越小,剪切损伤破坏区越大,原岩应力对拉伸损伤效应有显著的“抑制”作用。当岩石单轴抗拉强度较小、内聚力较大时,围岩只存在拉伸损伤区不存在剪切损伤区;当岩石单轴抗拉强度较大、内聚力较小时,围岩既存在拉伸损伤区又存在剪切损伤区。

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板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

叶海旺,蔡俊,雷涛,冉成,宁卫星

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 945-954.

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层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。

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主应力轴往复循环旋转下砂土的变形特性研究

扈萍,魏超,杨令强,张文龙

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 955-961.

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针对波浪、交通等动荷载下土体所受应力状态往往具有主应力轴循环旋转这一特性,本文对粉细砂进行了一系列主应力轴往复循环旋转应力路径下的空心圆柱扭剪试验,分析了粉细砂在主应力轴往复循环旋转条件下的基本变形规律,并重点研究了粉细砂的非共轴变形特性。通过试验发现,在主应力轴往复循环旋转的应力路径下,粉细砂会产生明显且随旋转次数增加逐渐累积的塑性变形;中主应力系数和循环起始角度对粉细砂轴向应变、剪切应变及体应变等的变化有着明显影响;主应力轴往复循环旋转过程中砂土的非共轴角不可忽略,其变化规律受循环起始角度的影响;主应力轴旋转方向相反时,对应于同一主应力方向角非共轴角会相差90°左右。

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黄土劈裂注浆土体裂纹扩展模型研究

马连生,王腾,周茗如,朱冬梅

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 962-967.

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土体裂纹扩展几何形态是劈裂注浆加固设计中需要考虑的一个重要因素,但土体注浆劈裂的发生、发展过程很难可视化。本文结合兰州新区某快速道路工程K1+662.053段加固工程,通过分析劈裂注浆裂纹扩展走势,研究了黄土地区劈裂注浆对湿陷性黄土的加固机理。并从断裂力学的角度出发,对劈裂注浆过程中土体裂纹在浆液压力下的扩展、止裂行为展开了研究并给出了相应的判断依据,建立了裂纹扩展模型。研究表明:劈裂注浆裂纹形成纵横扩展形式呈张开型,属于I型裂纹;裂纹的扩展行为受注浆压力及土层地应力的影响;浆液在裂纹中通过挤压土体形成浆脉,对土体加固起到骨架支撑作用。

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溶浸-应力条件下钙芒硝孔隙率变化规律研究

钱强,于艳梅,梁卫国

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 968-973.

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采用原位溶浸法开采钙芒硝矿,会使钙芒硝内部物理结构改变,随之会引起其力学性能及渗透性的改变,从而影响原位溶浸开釆效率。利用μCT225kVFC型显微CT试验系统,得到不同溶浸温度、单轴压缩条件下钙芒硝内部结构CT图像,通过孔隙率值的变化归纳出钙芒硝变形和溶蚀规律。研究表明:钙芒硝在35 ℃水中溶浸10 h后发生膨胀,在1 MPa轴向载荷下,处于孔裂隙压密向弹性变形过渡阶段;钙芒硝在浸泡后孔裂隙增长明显,施加1 MPa轴向载荷后,孔裂隙增长不明显;溶浸温度为65 ℃时,钙芒硝孔隙率增长值最大;95 ℃时,孔隙率增长率最大,孔隙变化最明显。研究结果对钙芒硝矿床开采利用具有重要参考价值。

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高温下水泥基注材料性能试验研究

史志杰,范利丹,宋妍,余永强,李开放

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 974-980.

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针对近年来不断出现的高地温条件下注浆堵水加固问题,在室内模拟高温环境,测试减水剂比例一定时,不同水灰比和膨润土掺量的浆液在不同温度下的凝结时间、黏度、析水率和抗压强度。结果表明:温度升高和膨润土掺量增加都使浆液凝结时间缩短、析水率降低,并使水灰比0.8的浆液黏度呈升高趋势,但对1.0和1.2的较高水灰比浆液影响不大;在20 ℃和40 ℃下,浆液随温度升高和龄期增长,结石体抗压强度不断增大,而在60 ℃和80 ℃的较高温度下,后期结石体强度会降低,且掺加膨润土会进一步降低强度。综合考虑浆液各方面性能,认为水灰比0.8时,在低于40 ℃环境下,膨润土掺量为6%较好,温度升高,则掺量为3%比较适宜;对于水灰比1.0和1.2的浆液,膨润土掺量为9%较为合适。

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小直径超深嵌岩灌注桩侧阻力现场试验研究

张进林,袁蕾

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 981-986.

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主要针对小直径超深嵌岩灌注桩嵌岩段侧阻力进行分析研究。在单桩竖向静载荷试验中,在桩身分层预埋钢筋计和应变计,测读各级荷载作用下桩身内力值,对嵌岩段侧阻力的发挥机制进行分析。结果表明:桩身内力是由上至下逐渐开始发挥的,对于超深的嵌岩桩,桩端阻力发挥比例极小。桩身侧阻力随着荷载的增加不断地变化,上部侧摩阻力先发挥,并且在每级荷载作用下,桩侧摩阻力都有传递。受桩端岩层的影响,嵌岩段靠近桩端部分的侧阻力要高于远离桩端的侧阻力。嵌岩段侧摩阻力分布曲线整体呈双驼峰形,下部峰值高于上部峰值,且在桩顶荷载传递过程中,最大峰值有下移的趋势。

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圆砾地层深基坑工程特性离心机试验研究

杨磊,谢雄耀,黄钟晖

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 987-993.

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以南宁轨道交通工程为背景,通过离心机试验对圆砾地层深基坑工程进行模拟,获取围护墙体变形、土压力分布及墙后地表沉降等基坑工程特性。研究表明,采用现场取土通过相似级配法制作圆砾地层离心机土层模型可较好地解决土层粒径效应与力学特性问题。试验数据表明,圆砾地层深基坑墙体最大水平位移D为0.96% H～1.49% H(H为开挖深度);主、被动侧向土压力随深度不断增长,均呈三角形分布,土压力大小分别介于理论静止土压力与主、被动土压力之间;地表沉降呈凹槽形曲线分布,最大沉降点发生在距坑边约1.0 H处,地表沉降最大值约1.0 D,开挖主要影响范围约3.0 H。

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电势作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

王铁行,曹怀长,焦丹,何欢

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 994-998.

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采用自制的试验装置,基于电渗法试验,笔者对以下问题进行了探究:电渗作用能否导致非饱和黄土土体含水量降低？电势、土体含水量水平等因素对非饱和黄土电渗结果有何影响？非饱和黄土电渗时效如何评价？试验结果表明:在电渗作用下,非饱和黄土试样内的水分从正极迁移向负极,达到降低正极区含水量的目的,说明电渗作用能使非饱和黄土土体内的含水量降低;电渗过程中,沿电渗方向的电势大致呈线性分布,电渗电势越大,降低正极区土体含水量的效果越好;由于正极水化反应增强和土体电阻发热量引起了水分耗损,高电势作用下土体内的含水量水平低于低电势作用土样。在试验土样含水量范围,土体初始含水量越低,电渗作用下正极区土体含水量降低值越大,但初始含水量差异引起的正极区含水量变化的差异性不大。电渗作用下非饱和黄土的水分迁移前期快,后期慢,随着电渗时间的延长,正极区含水量会进一步降低,负极区的含水量会进一步升高。

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低温岩体裂隙中水分迁移机理试验研究

王莉平,李宁,刘乃飞,徐栓海

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 999-1006.

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含有冰夹层的节理及裂隙广泛存在于寒冷潮湿地区的基岩中,这些冰夹层的存在一方面会改变地形地貌,另一方面会对工程建设造成潜在的安全隐患。要探究含冰节理及裂隙的成因,最关键的问题之一为包含冰水相变的岩体裂隙中的水分迁移机理。本文采用类岩石材料为研究对象,在其中预制裂隙以模拟垂直节理岩体。试样底部具有补水条件,同时利用控温板对顶部进行降温,以此来模拟低温岩体中垂直开放裂隙中的水分迁移情况。试验结果证实:岩体裂隙中的确发生了水分迁移,迁移形态可分为气态与液态,且两种状态的迁移水量相当,同时利用毛细理论对液态迁移进行了分析,证实了在迁移过程中温度梯度间接起到了驱动力的作用。这些研究成果可以帮助明晰裂隙中的冰水相变过程,最终可用于构建低温下多场耦合理论,为寒区工程的修建、运营及维护提供依据,并可进一步了解寒区地形地貌的形成过程。

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温度和层理对油页岩断裂韧度影响的试验研究

毕井龙,梁卫国,耿毅德,曹孟涛,黎力

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1007-1015.

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为了研究油页岩受不同温度影响的正交各向异性力学特征,以抚顺油页岩为研究对象,参照ISRM提出的半圆形弯曲试件测试脆性岩石Ⅰ型断裂韧度K_IC的方法,利用万能材料试验机测试不同温度作用下的3种不同层理方向的油页岩试件的载荷和位移,计算得出K_IC的变化规律。结果表明:在500 ℃以下,油页岩断裂表现出明显的脆性特征,在线弹性阶段,载荷-位移曲线的斜率与温度大致呈负相关;油页岩正交方向的断裂韧度存在各向异性;在150 ℃前,crack-arrester方位的断裂韧度大于crack-divider方位的断裂韧度,在200 ℃左右发生逆转,400 ℃以后二者趋于一致;常温下crack-splitter方位的值只有crack-arrester与crack-divider方位的1%~2%;不同层理方向的断裂韧度存在不同的“门槛”温度T_c,断裂韧度在T_c前后均呈现先增大后急剧减小的趋势。

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扩底桩横向受荷下不同破坏模式的承载性状

张蕾,张瑞,程大祎,周帆

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1016-1023.

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根据扩底桩的横向加载模型试验,分析研究扩底桩基础在横向荷载作用下出现不同破坏模式时的受力承载性状。试验结果表明,扩底桩出现弯曲破坏形式的受力承载性状为:在横向荷载作用下,加载一侧桩身受拉,另一侧桩身受压,最大拉应力出现在桩身中上部位置。桩身土压力分布为两端小,中部大。扩大头可为桩身提供嵌固作用。扩底桩出现剪切破坏时的受力承载性状为:在横向荷载作用下,桩身上部两侧均为受拉,桩身中下部加载一侧受拉,另一侧受压。桩身土压力分布呈波浪形,出现两处峰值和两处近似零点,扩大头基本不提供嵌固作用。研究结果表明,在相同的横向荷载作用下,出现弯曲破坏的桩比出现剪切破坏的桩具有更大的延性,扩大头的嵌固作用发挥的更好,具有更高的承载性能。

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考虑基坑支护结构变形模式的土压力研究

李连祥,王兴政

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1024-1033.

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为了减小经典朗肯土压力理论与工程中实际土压力的误差,在经典朗肯土压力理论的基础上,减少了其基本假定中的限定性条件,考虑基坑支护结构变形产生的土拱效应以及基坑支护结构与土体间的摩擦力,通过分析平面应变条件下土单元体的极限平衡状态,提出了修正的朗肯土压力理论。用理论分析结合实例验证的方法与经典朗肯土压力理论做对比,发现修正的朗肯主动土压力大于经典朗肯主动土压力,修正的朗肯被动土压力小于经典朗肯被动土压力。同时还讨论了不同基坑支护结构变形模式对极限状态下土压力分布的影响,最后分析了极限状态下修正的朗肯土压力对黏聚力与内摩擦角两个参数的敏感性。

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静载试验中试桩受桩侧堆载的影响分析

江杰,韦永超,陈俊羽,马少坤,刘莹

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1034-1041.

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针对单桩静载试验过程中桩侧大吨位堆载对试桩的影响问题,结合工程实际,应用FLAC^3D程序建立三维弹塑性模型对试桩试验过程进行数值模拟,着重分析桩侧堆载对土体及试桩受荷性状的影响,结果表明:在试验加载前,桩侧支墩荷载会引起土体附加应力和沉降,其极限影响深度约为8倍支墩宽度。支墩荷载还会使试桩提前受荷而发生沉降,在试验加载时,桩侧支墩荷载减小,试桩发生一定的回弹而使得试桩的量测沉降量偏小。在加载初期,堆载法明显夸大了试桩刚度,需引起重视;随着加载至试桩极限荷载的一半后,其夸大作用开始明显减弱,在接近极限荷载时,这种影响已不明显,堆载法仍是确定单桩极限承载力的可靠途径。

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三参数强度理论及其在脆性材料中的应用

陈四利,孙子文

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1042-1048.

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为了完善岩石、混凝土等脆性材料的强度理论,在双τ²强度理论的基础上,考虑两个较大的主剪应力和静水压力对岩石类材料强度的不同贡献,提出了一个新的含有3个参数的双τ²强度理论。推导出了该理论的数学表达式,分析了主应力空间极限面的相关特性,研究了该理论在几种应力状态下的理论预测曲线,并与一些实验数据进行了对比分析。结果表明:该理论在主应力空间的极限面为在拉伸区封闭而在压缩区开口且沿着静水压力轴不断增大的曲面,子午线为椭圆曲线,极限面的形状由材料的极限应力比α、β决定;在σ₁＞σ₂=σ₃或σ₁=σ₂＞σ₃的应力状态下,该理论的理论预测曲线与极限应力比β无关,极限应力σ₁随着压拉比α的增大而增大;双τ²的三参数强度理论与部分岩石和混凝土材料的实验数据吻合较好,完善了脆性材料的强度理论。

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地铁深基坑钢支撑预加轴力分析

熊栋栋,杨钊,廖正根

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1049-1055.

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在钢支撑施工中面临着预加轴力大小难于控制、设计轴力与实际轴力偏差较大、固定端钢板易被轴力计挤压变形等棘手问题,本文运用钢支撑加力现场测试、钢支撑轴力监测数据统计分析、建立有限元模型模拟分析等手段,深入研究了钢支撑加力施工及发挥支撑作用阶段的轴力变化规律,合理解释了钢支撑轴力设计值与实际值较大偏差的原因,得出了钢支撑有效锚固系数变化范围及其主要影响因素,确定了钢支撑固定端合理的加固措施,并成功运用于现场钢支撑施工中,较好地指导了后续钢支撑施工,也为类似地铁车站基坑钢支撑的设计与施工提供了一定的借鉴。

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超近距离基坑施工对交叠地铁的影响及响应

魏宁,姚爱军,李鹏,白云鹭

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1056-1063.

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随着城市发展,既有地铁车站及隧道结构不可避免地会与邻近新建工程相互影响。针对此问题,本文以北京某邻近地铁6号线车站及区间隧道的超近距离基坑工程实测资料为基础,运用MIDAS/GTS软件建立了三维数值分析模型,对基坑施工进行了全过程动态模拟。通过数值分析和实测分析等手段,研究了既有交叠地铁车站及隧道对超近距离基坑施工的影响及响应。结果表明:由于既有结构刚度大于土体刚度,会影响基坑开挖产生的土体位移场,使既有结构侧土体隆起明显小于无结构侧、隆起减小速度明显大于无结构侧;既有结构的存在同样会影响围护桩的变形,使既有结构侧的桩侧移量小于无结构侧;随着平面内与基坑距离和平面外与基坑竖向距离的变化,既有结构的位移响应会有所不同;平面内与基坑距离和截面刚度变化,既有道床和轨道也会有不同的响应。研究成果可为类似超近距离施工及交叠隧道工程提供参考。

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富水砂层泥水盾构施工孔隙水压反应研究

陈相宇,阳军生,梁禹,张箭,叶雅图

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1064-1071.

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依托长沙市南湖路湘江大型江底盾构隧道工程,对大直径泥水盾构掘进引起的富水粉细砂地层孔隙水压力反应进行了分析研究。基于孔隙水压力测试数据,分析了大直径泥水盾构在富水粉细砂地层掘进时地层孔隙水压力的分布情况及变化规律。采用ABAQUS有限元软件建立了三维流固耦合数值模型,对泥水盾构施工引起的富水粉细砂地层孔隙水压变化进行模拟计算,对比现场测试数据,验证了本文三维流固耦合数值模型的合理性;将三维流固耦合模型应用于地层不同渗透性条件下孔隙水压力反应模拟计算,分析地层注浆加固后孔隙水压力扰动规律,评价加固效果,得出富水粉细砂地层盾构施工对孔压的扰动可采取预注浆加固进行有效控制结论。

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高海拔隧道施工环境CO浓度控制标准研究

王峰,王明年,刘祥,王宇

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1072-1076.

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为研究高海拔隧道施工环境CO浓度对人体毒性的影响及CO浓度控制标准,本文基于人体碳氧血红蛋白(COHb)模型对不同海拔高度隧道施工环境CO浓度对人体毒性的影响进行了计算分析。结果表明,相同CO浓度下,仅改变呼吸量不会导致CO对人体毒性影响程度的改变;相反,随着海拔高度的增大,CO对人体毒性的作用显著增强,且CO浓度较低时,随着海拔高度增加人体COHb比值增大越明显,其毒性增长程度也更突出。基于隧道施工人员连续工作8 h体内COHb不高于2.5%为基准,建立了不同海拔高度隧道施工CO浓度控制标准模型。

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真空预压法中开泵率对加固效果的影响

吴跃东,惠炜

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1077-1082.

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运用真空预压法加固软土地基,主要通过真空度、沉降量和固结度控制施工进度,而对射流泵开泵率要求甚少。为避免施工方出于节约电费或降低后期沉降速率等目的肆意减少开泵率并影响加固效果,结合江苏省连云港市某真空预压工程,从真空度、表层沉降、分层沉降、孔隙水应力等监测指标方面对开泵率对加固效果的影响进行了相似场区不同开泵率下的对比研究,结果表明,在真空预压中期提高开泵率,各项监测指标变化明显,深层土体变化滞后,加固效果提升显著。在真空预压后期保持高开泵率,各监测指标无太大的变化,反而趋于稳定。故认为真空预压中期合理的开泵率设置在80%以上,而规范中规定的真空预压后期开泵率保持80%并不合理,在保证真空度的前提下宜适当减少开泵率。

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圆形基坑开挖引起下卧隧道三维变形机理研究

史江伟,陈丽

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1083-1090.

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深基坑开挖引起的应力变化将不可避免地导致土体位移,进而对邻近隧道产生诸多的不利影响。然而,圆形基坑开挖引起下卧隧道三维变形机理的研究甚少。采用ABAQUS商业软件,开展系统的有限元仿真模拟研究了不同基坑开挖尺寸和隧道埋深比对下卧隧道三维变形机理的影响。研究表明:深基坑开挖引起的隧道横向弯曲应变最大值始终发生在隧道顶部,隧道上拱处的最大纵向弯曲应变是下拱处应变的2倍左右,隧道最大纵向弯曲应变明显小于最大横向弯曲应变。当基坑开挖直径达到7倍开挖深度时,基坑中心线下的隧道隆起和横向弯曲应变达到最大值。若忽视小直径基坑开挖的三维效应,隧道隆起和横向弯曲应变被大大高估。

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火灾时管片可靠度计算及优化研究

韩兴博,夏永旭,柴伦磊,王星

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1091-1096.

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受火灾高温的影响,隧道衬砌结构可靠性降低。笔者通过自由变形理论,解析计算可靠度优化模型中的结构内力,明确了计算中的随机变量;从结构可靠度指标几何意义出发,基于优化思想确定了可靠度计算公式;考虑火灾下衬砌管片的损伤特点,提出了火灾下管片的功能函数,建立了管片高温下可靠度计算优化模型;最后通过案例分析并利用非线性规划求解优化问题,得到火灾下衬砌可靠度的变化规律,并对管片截面厚度进行了优化设计。研究表明,常规设计管片各处可靠度指标差异较大,隧道拱顶可靠度最低,10 min后失效概率大于0.023,通过优化设计可使火灾持续30 min后满足基本安全。

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砂土层注浆引起地表隆起机制分析及试验研究

张世杰,刘人太,李术才,张连震,姜鹏

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1097-1104.

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隧道穿越砂土层易发生涌水涌沙、塌方等灾害,注浆是软弱砂土地层常用的加固方式,但浅埋隧道的预注浆极易引起地表隆起。笔者采用数值仿真、模拟实验与现场试验系统研究了注浆抬升效应的机制,结果表明,砂土层注浆引起地层抬升的体积由于地层压缩而逐步耗散,地表显现部分按高斯函数的形状分布。依据砂土层抬升模拟试验与现场监测数据,将抬升过程分为砂土体压缩、裂缝产生与发展、圆台抬升3个阶段,通过试验研究砂土层抬升过程压力、位移变化规律,得到地表隆起曲线与注浆量、加固宽度、地层埋深、地层力学参数之间的定量关系,给出了估算公式,并依托青岛地铁2号线开展现场试验进行验证,希望能够对类似工程提供借鉴。

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平顶山地下盐穴储气库地表沉降机理数值模拟

王志荣,贺平,石茜茜,韩中阳,张利民

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1105-1113.

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针对平顶山盐田盐层薄、夹层多,埋藏深的特点,采用Fortran语言将蠕变模型导入有限元软件,分别建立单腔、双腔和群腔储气库计算模型,并且根据地面监测资料拟合得到模型参数,对不同工况下薄层状盐穴储气库的地面沉降进行了预测。研究结果表明:(1)储气压力10 MPa时40万方储气库,单腔蠕变影响范围约为30 m,蠕变5 a、10 a、15 a、20 a、30 a之后中心点沉降分别为49.21 mm、53.60 mm、57.70 mm、61.51 mm、64.44 mm,沉降范围基本一致约为1 500 m;(2)由于双腔相互影响,中点最大沉降量和沉降范围都比单腔略大,从溶腔稳定与沉降控制角度分析,地面对井最佳水平间距应大于地下溶腔最大直径的1.5倍;(3)群腔模式下中心点最大沉降量和沉降范围都有所增大,而且随着腔数的增加,二者增大的趋势越明显。以7溶腔储气库群为例,蠕变30 a之后中心点的沉降量达到247 mm,沉降的影响范围达到2 480 m。

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BIM技术在隧道衬砌病害信息可视化中的应用

蒋雅君,李明博,陶双江,李鹏,刘会钢

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1114-1121.

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对BIM技术在运营公路隧道衬砌结构病害检测结果信息可视化展示中的应用展开了研究,通过对AutoCAD和Revit的二次开发,实现隧道衬砌病害的三维可视化。所实施的方法为:将公路隧道的结构进行解构,以便在BIM软件中建立隧道各个构件的空间模型;结合隧道结构特征,推导出将CAD平面图形元素映射到三维隧道空间结构的转换公式;提取隧道病害展示图中特征点的关键参数,把提取的隧道病害的参数进行坐标换算,将隧道病害元素映射到隧道结构的空间模型上,实现了衬砌病害从二维向三维的转化。通过BIM技术展示衬砌病害的三维可视化,为公路隧道的维修养护工作提供便利。

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地应力对深部回采巷道布置方向的影响分析

陈登红华心祝

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1122-1129.

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为分析地应力对深部回采巷道布置方向的影响,在参考相关文献和实测淮南矿区7个深部矿井20组地应力的基础上,获得高水平构造应力赋存特征。针对某深部矿井首采面两回采巷道布置方位与最大水平应力一致时,断面收缩仍然严重,对比Tresca理论与Gale理论,确定前者更适合分析此类巷道变形破坏状态。按点的应力状态计算不同侧压下巷道最优布置方位与最大水平主应力夹角β,得到首采面两巷的β为45°。根据巷道帮、顶应力差值越大围岩稳定性越差,进一步探究了β从0°偏转为12°,其围岩变形的应力差影响程度降至91%。接替面工程实践表明:初期支护方案相同时巷道围岩变形略有改善,后期支护方案改为帮、顶角增加两根锚索外加信号柱及时补强后支护效果良好,研究结果为类似条件下巷道布置与围岩控制提供了一定参考。

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弱面结构对页岩地层井壁稳定性影响研究

丁乙,刘向君,罗平亚,梁利喜

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1130-1136.

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页岩地层大量发育弱面结构,造成井壁垮塌现象频发,严重制约了页岩气的高效开发。因此,本文在Mohr-Coulomb准则的基础上,建立多弱面条件下的强度破坏准则。应用该准则,对不同弱面产状、弱面数量、钻井时间下的岩石强度进行分析,从而建立页岩地层坍塌压力预测模型,计算分析表明:围压增大后,页岩强度增加,不易沿弱面破坏;弱面产状和数量变化,使得岩石强度产生变化,从而造成坍塌压力分布复杂。尤其弱面数量增多,岩石强度下降明显,逐渐受弱面强度控制,坍塌压力出现明显增加;实例分析表明多弱面条件下的坍塌压力预测方法能更为准确地预测页岩地层坍塌压力,对页岩地层钻井工程有一定指导意义。

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帷幕注浆加固法在高含水率黄土隧道中的应用

刘鹏飞,梁树文,郑亮亮

地下空间与工程学报. 2018, 14(4): 1137-1144.

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隧道穿越高含水率黄土地层极易引发掌子面涌泥失稳、支护沉降变形大等风险,施工掘进难度大,进度极为缓慢。为解决高速铁路隧道穿越富水黄土地层时出现的各种病害,依托在建宝兰客专上庄隧道施工中的实际情况,采用帷幕注浆加固技术对高含水率黄土地层进行治理,通过超前地质预报地质雷达法及数值模拟等方法对注浆加固效果进行详细评价。结果表明:注浆加固体能够有效阻断地下水的涌渗流,浆液结石体固结强度高,围岩整体稳定性好,未发生涌水、涌泥、掉块、坍塌等现象;注浆后断面初期支护受力状况得到有效改善,隧道围岩塑性应变值得到有效控制。可见,帷幕注浆技术加固效果良好,对于快速、高效地通过高含水率黄土地层具有显著的工程价值。

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