地下空间与工程学报

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李少杰

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1591-1598.

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近年来,地下环路(地下车库联络道)作为解决城市核心区交通问题的重要地下设施,受到了众多大型城市的欢迎,但该地下设施在其建设模式的分类、选取以及适应性等方面尚未有过系统性研究,各城市在不同模式的建设过程中也出现了情况不一的问题。为了科学、合理地选取地下环路的建设模式,作者对地下环路的功能、主要技术标准和建设模式进行了概括论述,并结合国内地下环路的建设实例,对地下环路在各种模式(单建、合建、临建)下的适用性及特点进行了分析,通过对城市核心区地下环路建设主要影响因素的归纳、梳理,提出了一种地下环路建设模式选取的基础流程。本研究结果可供城市核心区地下环路在城市规划、设计阶段进行参考、借鉴。

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新形势下我国地下人防工程特色及发展理念

申艳军, 张欢, 雷升祥, 李光磊, 吴应明

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1599-1608.

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随着高新技术的迅猛发展,对现代军事防御和未来战争形态产生了深远影响,也对传统人防工程体系提出了全新考验。聚焦我国地下人防工程体系,首先,系统归纳了我国地下人防工程发展及特色,并指出其适应现代化战争要求存在的不足;而后,明确了现代化战争新特点与新要求,提出现代化战争对现阶段人防工程新要求;接着,归纳国外地下人防工程的发展特点及现状,提出了我国未来地下人防工程的借鉴策略;最后,提出未来地下人防工程发展若干理念,并构思未来军民融合城市应急避难示范中心设计蓝图。本研究综述及发展理念可为新形势地下人防工程发展提供借鉴思路,也将为新形势地下人防工程应急避难、救援、机动疏散等融合设计提供模式参考。

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城市地下综合管廊通风缩尺模型的相似性分析

刘承东, 黎庶, 唐宏辉, 谢艺强, 向操

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1609-1619.

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缩尺模型与实际原型的相似性对于缩尺模型实验结果在原型上的推广和应用有着重要作用。为了验证相似理论可靠性,以某综合管廊电力舱为实际原型作为研究对象,按5∶1的几何缩尺比例建立缩尺模型;运用相似理论,推导出相似准则数,在忽略格拉晓夫数Gr的条件下,得到了实际原型与缩尺模型各边界条件物理参数的比例关系;通过Fluent软件分别对原型和模型进行不同工况下的数值计算;对原型与模型计算结果中的热力和动力相似敏感性进行了分析,结果表明,各工况原型与模型的温度、热流密度、速度和阻力系数均符合理论推导的比例关系,各参数误差均在工程允许的10%范围内,为后续指导实验进行通风优化研究以及实际工程的推广应用提供了理论依据。

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中等压缩性粉质黏土不排水剪切强度试验研究

张崇磊, 朱秦, 李丞, 刘琪, 蒋关鲁

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1620-1629.

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为获得原状中等压缩性粉质黏土的剪切刚度和抗剪强度,开展了直剪固结快剪和固结不排水三轴剪切(CU)对比试验,分析了偏应力随整体、局部轴向应变的发展,研究了整体、局部变形测量获得抗剪强度的差异,探讨了刚度衰减特征,提出了固结快剪和CU试验抗剪强度之间的关系。结果表明:变形测量方式对粘聚力c′影响显著,与整体相比,局部粘聚力c′提高2.9~11.1 kPa,局部内摩擦角φ′低0.4°~1.7°。剪切刚度E_sec随轴向应变ε₁增加呈反“S”形衰减。应变ε₁＜0.005%时,局部测量刚度E_sec高于整体,其衰减幅度显著,但随轴向应变增加,二者刚度差值缩小。直剪试验与CU试验抗剪强度差值随着竖向应力的增加而增大,CU试验抗剪强度明显高于直剪,建立了抗剪强度参数的修正关系。

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电场作用下水玻璃改良膨胀土正交试验研究

鲍捷, 方祥位, 申春妮, 雷宇龙

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1630-1638.

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在交流电场条件下水玻璃改良膨胀土影响因素众多,本文利用正交试验的方法研究了Na₂O含量、模数、通电电压和时间4个影响因素对改良膨胀土膨胀率的影响,得出了优化固化条件并初步揭示了其改良机理。试验结果表明,各因素对改良膨胀土膨胀率影响的主次顺序为:Na₂O、模数、通电电压和时间。Na₂O含量越大,通电电压越高,生成的硅酸凝胶越多,改良膨胀土的无荷膨胀率越低;在一定范围内膨胀率随模数增大而增大,但达到极值点后会有少量降低,因为模数过高带来的大量SiO₂会使土颗粒间连接不够紧密;随通电时间增加,改良膨胀土膨胀率先稳定下降再上升,存在下极值点;对比未通电与通电的试验结果表明交流电场条件对膨胀土改良效果有良好的增强作用。综合各试验结果得出最优固化条件为:Na₂O含量2.4%、模数1.6、通电电压100 V、通电时间60 s,为电场作用下水玻璃改良膨胀土的工程应用提供参考。

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高地应力隧道岩爆破坏特征物理模型试验研究

李天斌, 钟雨奕, 潘皇宋, 陈国庆

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1639-1645.

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采用岩爆相似材料制作大尺寸物理模型,自主研制隧道开挖装置,进行二维应力隧道岩爆物理模型试验,研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。试验结果表明:隧道开挖后,围岩有较明显的压应变波动和突变现象,拱墙处局部出现拉应变;同时,声发射能量表现出剧烈增大现象,在应变、声发射特征这两方面均表现出高应力区隧道岩爆的征兆。高地应力条件下(侧压力系数λ=2),隧道拱顶和拱底压应力集中明显而最早发生破坏,拱墙出现拉应力作用,产生张拉裂缝。围岩脆性破坏从颗粒弹射开始,随后变为碎块剥落和裂缝扩展,其变形破坏特征表现出一定的岩爆特性。

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高速公路填石路堤压实质量试验研究

童第科

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1646-1651.

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对试验区填筑层厚分别为60 cm、80 cm、100 cm、120 cm的填石路堤开展了静载20 t振动碾压试验,以及填筑层厚分别为80 cm、100 cm的填石路堤开展了静载25 t振动碾压试验,主要通过孔隙率和沉降差指标对填石路堤压实质量进行检测。研究发现:在确定碾压机械与压实层厚的前提下,碾压遍数达到一定后孔隙率逐渐趋于一稳定上限,碾压遍数的增加对减小孔隙率的影响很小。在压实机具一定的条件下,压实沉降差和被压实体层厚影响关系不明显,一旦不同层厚的碾压次数达到规定范围,其沉降差就能小于某一值。因此,对填石路堤进行有效的质量控制需要把沉降差和施工工序管理结合起来,沉降差只可作为孔隙率评判标准的补充性依据。

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济南粉质黏土中隧道地震动力响应试验研究

李燕雷, 马险峰, 冯宁宁, 商金华, 徐西永

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1652-1660.

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为了解济南典型地层及地铁隧道结构的地震动力响应特性,进而把握地铁隧道的抗震性能,首次使用济南粉质黏土作为模型土,开展了一组济南人工波输入情况下的振动台模型试验。试验结果显示:人工波在试验地层中加速度放大系数随测点埋深呈现反“之”字形规律;隧道结构变形主要受地层变形控制,地层水平变形随埋深增大而减小;济南粉质黏土层自振频率随着输入地震波强度增大而减小,阻尼比随输入地震波强度增大而增大。砂层自振频率随着输入地震波强度增大呈现先减小后增大的趋势,阻尼比呈现先增大后减小的趋势。这些结果可对济南地铁隧道的抗震设计提供重要的参考。

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库水位上升对框架码头桩基弯矩影响试验研究

赵迪, 王俊杰, 邱珍锋, 赵天龙

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1661-1666.

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库水位上升对土体物理力学特性产生的巨大影响,势必影响到框架码头桩基的受力分布,为了探究洪水期库水位上升时框架码头桩基弯矩沿桩长的变化规律,以取自三峡库区的砂泥岩混合填料为主要试验土料,试验设置了5个水位等级模拟库水位上升,测定了桩身的弯矩,并分析其随水位上升的变化规律及产生机理。结果表明,库水位上升引起桩基的弯矩值随着水位的上升而明显增加,呈反“S”型分布,引起桩基弯矩变化的主要原因有:渗透压力和静水压力、侧向土压力以及桩侧摩阻力;理论值与试验值在桩入土深度较小时吻合较好,但在越靠近嵌岩位置越因未考虑桩侧摩阻力引起的弯矩而出现较大的偏差。

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大型土与结构相互作用恒刚度直剪试验装置研究

王永洪, 刘俊伟, 张明义, 白晓宇

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1667-1673.

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已有的土与结构接触面室内剪切试验多集中在恒荷载和恒位移加载条件下接触面力学特性的研究,而预制桩基础沉桩过程中桩土界面受力条件与恒刚度加载类似,即桩土界面法向应力随桩周土体法向位移是动态变化的。针对目前黏性土中桩土界面大型恒刚度的试验手段比较缺乏,自主设计研制了一种大型恒刚度直剪仪用于桩土界面力学特性的测试。该直剪仪考虑了桩周土体变形特点,剪切过程中桩土界面接触面面积始终保持不变,能够准确模拟桩土界面剪切试验;采用弹簧组加载系统和数控电机控制系统,法向可提供恒刚度边界条件,水平切向可按位移控制,能够实现桩土界面上直线和循环剪切的加载路径。试验结果表明:该直剪仪能够很好地再现黏性土中桩土界面在恒刚度加载条件下直线剪切的力学响应,为静压桩沉桩过程的桩土界面力学特性的研究提供了基础。

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重塑黏土真三轴试验强度特性及本构模型研究

王云飞, 闫芙蓉, 焦华喆, 李震, 崔芳

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1674-1679.

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土体的强度特性是岩土工程稳定性分析的重要依据。本文分析了不同含水率重塑粘土在复杂应力路径下的强度变化规律,获得以下主要结论:含水率较小时重塑粘土的应力应变曲线呈强硬化型,含水率较大时呈弱硬化型,含水率一定时随着中主应力比的增加应力应变曲线向外扩张;重塑粘土强度随着中主应力比的增加而增大,中主应力比小于0.5时增幅较大,大于0.5时增幅有所减小;不同含水率下重塑粘土强度在π平面上的破坏线为一族相似曲线,随着含水率的减小破坏线向外扩张且圆润度增强,破坏曲线的形态逐渐接近加权双剪强度理论。鉴于考虑轴对称应力条件下的邓肯-张模型不能反映中主应力变化的影响,通过重塑粘土的真三轴试验结果结合邓肯-张双曲模型建立了能够考虑中主应力比的改进邓肯-张模型,并与复杂应力路径的试验结果进行比较,验证了改进邓肯-张模型的有效性。

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冻融黄土微观结构变化规律及分形特性研究

赵鲁庆, 杨更社, 吴迪, 申艳军, 刘慧

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1680-1690.

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季冻区黄土微观结构性研究是冻融环境下黄土工程机理劣化分析的关键科学问题之一。本文对不同冻融循环次数作用的原状黄土进行扫描电镜试验,采用颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)结合分形理论,定量分析陕西咸阳原状黄土颗粒微结构特征。结果表明:随着冻融次数的增加,土颗粒排列、形态、尺度分布等特征参数呈现规律性变化,概率熵减小,分形维数增大;平均形状系数、面积概率分布指数、颗粒分布分形维数先减小后增大,在冻融循环5次时出现最小值。研究表明:冻融循环过程中,由于土中水相变化及冷生结构形成,土颗粒偏转,颗粒排列方式改变;胶结力弱化,集粒经历了碎屑开始剥落及完全分离的两个过程,土颗粒的形态、尺度分布发生变化,形成新的结构体系。

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高围压炭质板岩流变力学试验与硬化损伤模型研究

李松, 陈秋南, 张志敏

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1691-1698.

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为了研究炭质板岩在高围压条件下的流变力学特性,进行了不同围压条件下的炭质板岩加卸载流变试验,试验结果表明,炭质板岩存在明显的流变下限,约为抗压强度应力水平的50%~60%,低于流变下限时仅有瞬时弹性应变和不可恢复的压密应变,其中压密应变在应力水平较低时已经趋于稳定值,应力水平为抗压强度的60%~70%时仅出现衰减蠕变或等速蠕变,应力水平超过抗压强度80%时才发生加速蠕变。根据传统强度理论,建立了包含压密应变、硬化塑性应变和损伤塑性应变的蠕变模型,对各阶段模型参数进行辨识,依据稳定蠕变阶段参数辨识结果拟定加速蠕变阶段部分参数的合理初始值,达到了较好的拟合度,表明模型对于反映高围压炭质板岩流变特性具有较好的适用性。

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浸水条件下有限土体土压力试验与数值分析研究

方焘, 杨思敏, 徐长节, 王海龙, 孙书翰

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1699-1708.

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采用自主设计自动控制模型箱,开展了墙后有限宽度浸水无粘性土体在绕墙底转动、平动及绕墙顶转动3种位移模式下的主动土压力试验,并通过ABAQUS进行数值模拟,分析研究了墙后不同宽度土体的破坏形式及其土压力分布规律。研究结果表明,3种位移模式下,有限土体宽度较窄时破裂面被固定挡墙截断,随着填土宽度的增加破裂面开始延伸至填土表面,并最终稳定于库伦破裂面内侧。3种位移模式下的有限土体土压力分布均明显小于水土分算值,且随填土宽度的增加而逐渐接近水土分算理论值;绕墙底转动时土压力分布接近三角形分布,平动时土压力随土体宽度增加渐呈“勺型”分布,而绕墙顶转动时则呈“S”型分布规律。

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砂石粒径对改良膨胀土的影响研究

黄飞龙, 董柏林, 许英姿

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1709-1713.

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为研究砂石改良膨胀土工程特性随砂石粒径的变化规律,通过直剪试验、收缩试验、膨胀力试验、无荷膨胀率试验,分析了膨胀土抗剪强度、胀缩特性与砂石掺量、砂石粒径的关系。试验结果表明:随着砂石掺量增加,膨胀土的抗剪强度有所提高,内摩擦角增大,黏聚力先增大后减小,膨胀土的胀缩特性逐渐改善,相同掺量下,掺砂石的粒径越大,膨胀土的黏聚力和内摩擦角越大,胀缩特性改善效果越明显,掺入砂石粒径越大,胀缩特性得到改善并趋于稳定的砂石掺量越小,最优砂石掺量逐渐减小。建议不同粒径砂石改良膨胀土的最优掺量分别为:风化细砂40%,风化中砂30%,碎石25%。掺大粒径的砂石改良膨胀土更加经济有效。

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上海地区浅层粉土渗透性与土体各参数的关系

魏诚寅

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1714-1718.

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研究浅层粉土的渗透性对水利工程及各类基坑开挖工作有重要意义,但受各方面条件制约,对于风险较小的工程一般不采用可获得精确渗透系数值的测试手段。笔者对上海地区大量实际工程数据进行了统计,定性分析了上海地区浅层粉土渗透性与孔隙比、粘粒含量、静探P_S值、不均匀系数等在一般勘察工作中较易获得的各项土体参数的关系,各项分析成果表明影响粉土渗透性的根本因素是土体中是否有足够的渗流路径。根据土体渗透性与各项指标的关系,对室内试验结果进行适当修正,使勘察报告提出的渗透系数建议值更为贴近实际工况,为后续的设计、施工工作打好基础。

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高庙子膨润土及其混合材料导热性能研究

谢敬礼, 刘月妙, 曹胜飞, 马利科

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1719-1725.

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导热性能是高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要性能之一。采用瞬变平面热源法,研究了我国高放废物地质处置首选缓冲/回填材料高庙子膨润土,及以其为主料,添加不同含量石英砂、北山花岗岩碎屑组成的混合材料的导热性能。分析了添加剂种类和含量、干密度、饱和度等因素对导热系数的影响。研究结果表明:高庙子膨润土及其混合材料的导热系数、热扩散系数都随干密度和含水量的增大而增大;石英砂、北山花岗岩碎屑能够不同程度提高膨润土的导热系数,石英砂的作用优于北山花岗岩碎屑;饱和度对添加剂发挥其提高缓冲/回填材料导热性能的作用影响明显,饱和度越高,添加剂的作用越显著。

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杂质对盐岩力学特性的影响研究

王安明, 闫晋, 梁东, 张玉敏, 徐荣超

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1726-1733.

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采用随机序列吸附方法(RSA),生成3种不同杂质含量且其位置和大小随机分布的含杂质盐岩平面有限元模型,研究其在单轴、三轴压缩荷载下的细观应力和变形特性,研究杂质颗粒形状、大小、含量、分布方式等对含杂质盐岩整体力学和变形特性的影响。研究结果表明:杂质和盐岩力学特性上的不匹配导致在杂质体内部以及界面附近存在较为明显的应力集中,杂质形状和大小不同,在杂质内部、界面以及盐岩中应力分布形式存在较大差异;杂质含量越大其盐岩基体中的应力分布越不均匀,当相邻杂质其距离较近时杂质外应力集中区域会相互连通,并相邻杂质之间的区域存在应力叠加现象,杂质形状、大小以及分布对应变分布的影响同样较大;杂质内部的应变均比盐岩应变小很多,当杂质间距较小时,在杂质之间的区域特别是竖向分布的杂质之间会形成应变集中叠加。

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带翼缘板圆形钢管顶进土体扰动规律研究

赵文, 姜宝峰, 贾鹏蛟, 董驾潮, 赵瑜

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1734-1740.

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STS(Steel Tube Slab)管幕法以带翼缘板的圆形钢管密集顶进形成基本骨架,管间穿入连接螺栓并灌注混凝土。管间螺栓、翼缘板将各钢管连为一体,管幕横向刚度显著提高。带翼缘板的圆形钢管顶进引起的土体扰动更为强烈。本文基于弹性力学圆孔扩张理论,提出了带翼缘板圆形钢管的管周塑性区计算公式,进而得到适用于沈阳地层的土体扰动度半径的计算方法。通过静力触探原位试验,进一步研究了带翼缘板钢管管周边土体扰动影响程度。通过试验结果和理论计算进行对比分析,两者得到的扰动半径分别为1.51 m和1.32 m,吻合度较高。验证了本文提出管周塑性区计算公式的合理性。

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旋转模块式PDC钻头破岩机理研究

钟云鹏, 杨迎新, 于洪波, 杨燕, 高清春

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1741-1748.

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针对深部难钻地层钻头的钻速低、寿命短、能耗高等问题,在常规固定齿PDC钻头上引入旋转模块结构,旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,提高钻头的破岩效率,且旋转模块齿交替轮流工作的方式使得切削齿冷却及时,减缓切削齿的磨损,延长钻头寿命。介绍了新型钻头的结构特点和工作原理,对旋转模块进行了变参数实验,实验结果表明:旋转模块随着侧转角的增大,转速增加;随着轴倾角的增大,转速降低。研究得到旋转模块在不同结构参数下的切削载荷以及破碎比功的变化规律,验证了旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,能够降低破岩比功,为后续旋转模块式PDC钻头的设计提供理论依据和支撑。

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基于DIC方法的土样剪切带倾角的演变规律研究

杜亚志, 王学滨, 董伟, 侯文腾, 冯威武

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1749-1756.

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采用数字图像相关(DIC)方法测量了单轴压缩长方体土样变形破坏过程中表面的应变场,并根据最大剪应变场研究了土样剪切带倾角的演变规律。剪切带倾角是通过对包含剪切带的四边形区域内最大剪应变逐行或逐列搜索获得的最大值对应的坐标进行线性拟合得到的。首先,分析了搜索方式及插值点的数量对剪切带倾角的影响,发现采用逐行搜索方法且当插值点的数量与原始测点的数量之比大于16时,获得的剪切带倾角比较准确;然后,对12个土样中24条剪切带的倾角的演变规律进行了测量,发现在剪切带发展过程中,剪切带的形状逐渐由不规则向规则转变,剪切带倾角的最大及最小变化量分别为9°和0.6°,剪切带倾角的范围为46.5°~72.3°,随着纵向应变的增加,剪切带倾角的演变规律主要包含5种模式。

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基于绕流阻力理论的无粘性土渗透系数的计算

黄哲, 白玉川

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1757-1764.

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渗透系数是渗流计算所需的一个重要参数。目前对于渗透系数的计算已经有很多计算方法,但是理论方法的计算精度不足。针对已有的理论计算方法,基于圆球绕流阻力理论,对Hagen-Poiseuille定律中水流阻力规律进行了等效处理,推求渗透系数的计算方法。在计算中,毛细管直径的求解推荐采用平均孔径计算。通过与实验结果的对比,本文的理论计算方法具有很高的可信性。土体参数对于本文公式的计算结果影响较大,不均匀系数小于5的土体,可采用本文方法;计算结果对于土体粒径和孔隙率的变化较为敏感,准确测量土体参数是运用该方法的基础条件。本文公式可计算不同温度条件下的渗透系数,并且指出由于实验边界和实验过程的影响可能导致本文公式计算与实验值的偏差。

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考虑T应力下受压岩体水力压裂特性分析

朱建东, 李绍红, 吴礼舟

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1765-1771.

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自然状态下岩体多处于受压状态,分析受压岩体水力压裂性质对于完善和发展水力压裂技术有着重要意义。基于线弹性断裂力学的基本理论,对受压岩体水力压裂性质开展研究,通过最大周向应变准则,考虑裂隙尖端非奇异项即T应力的影响,推导出闭合和非闭合状态下临界水压和临界起裂角计算式。将该计算式用于某岩石水力压裂工程实例计算,所得计算值与实际值较为吻合。最后分析了闭合和非闭合情形下泊松比和侧压力系数对临界水压和临界起裂角的影响。该文研究可为实际水力压裂技术提供一定的理论参考。

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一种考虑主应力偏转的平移挡墙地震土压力算法

张雯萍, 周亦涛, 俞缙, 涂兵雄, 蔡燕燕

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1772-1779.

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遵循 Mononobe-Okabe理论,考虑墙后破裂体内的主应力偏转,并假设小主应力偏转迹线形状为圆形下段部分的一段,通过转动挡土墙的解析模型,再结合库伦土压力的相关概念得到地震主动破裂角。采用微分薄层法,对墙后滑裂微元体进行应力解析,推导得到平移模式(T模式)下的地震主动土压力的计算公式,并分析了土中各参数以及地震动系数对地震土压力的影响情况。本文旨在改进地震土压力算法,不仅在计算中考虑了主应力的偏转,而且大大简化了地震土压力的计算过程。最后将计算值与前人方法及试验数据进行对比,结果显示本文算法得到的地震主动土压力分布与模型试验数据更为吻合。

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隧道锚承载特性、变形破坏特征及典型案例分析

刘新荣, 韩亚峰, 景瑞, 李栋梁, 涂义亮

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1780-1791.

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通过对国内81座悬索桥锚碇形式的统计分析,同时结合国内外研究资料,分析了目前我国隧道锚应用现状和发展趋势,总结了目前隧道锚在承载变形特征、破坏模式及抗拔力计算等方面的研究现状。介绍了课题组在软岩地层中开展的四次缩尺模型试验,验证了在软岩地层中修建隧道锚的可行性,明确了影响软岩隧道锚稳定性的关键因素。认为以下4个方向是今后研究的重点:(1)研究软岩隧道锚传力机制,探讨软岩隧道锚的破坏形态和长期稳定性;(2)针对不同的破坏模式,研究相应的加固措施;(3)掌握破坏面上应力分布状态是计算锚碇系统承载能力的关键;(4)模型试验和离散元等数值模拟相结合,研究隧道锚在主缆拉力作用下的变形-破裂-失稳演化过程。

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Ⅲ级围岩四车道隧道扁平率的合理取值

郭新新, 汪波, 王永琪, 王志伟, 吴正恺

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1792-1799.

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对于大断面隧道,合理的扁平率值可使“围岩-支护”体系受力优化,经济效益优化,是设计过程中最为关键的基本参数。本文以拟建马峦山隧道为工程背景,采用室内模型试验和数值分析相结合手段,开展了大断面隧道最优扁平率研究。研究结果表明:Ⅲ级围岩四车道断面,扁平率为0.7时,初期支护承载能力要优于0.5、0.6、0.8扁平率,对应极限承载能力依次为7.5 MPa、6.0 MPa、6.5 MPa,对洞周位移控制效果更优,拱脚测点极限位移为例,依次为34 mm、138 mm、112 mm、81 mm;且破坏过程逐步开展,充分发挥支护结构的整体性能;结合数值模拟,最终确定Ⅲ级围岩四车道最优扁平率区间为0.65~0.73。

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盾构隧道管片及纵向接头力学性能数值模拟研究

刘洪清, 刘华北

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1800-1810.

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管片接头作为盾构隧道衬砌结构的薄弱部位,其力学行为直接反映隧道结构整体受力性能。考虑到接头由相邻管片连接而成,本文首先选用非线性有限元法对单个管片的静力响应开展研究,并与文献试验结果对比以验证数值模型。借此模型分析了混凝土剪胀角、拉压损伤行为等对管片结构力学行为影响。在此基础上,依托文献中管片纵向接头静载试验,详细地考虑了接头构造及接头处的相互作用,建立相应模型模拟试验加载过程,同时将数值分析结果与实测试验结果的破坏模式对比分析。基于提出的有限元模型,进一步研究了管片纵向接头力学特性随各关键因素变化规律,包括接头外侧间隙、螺栓倾斜角度及伸入管片长度、接缝两侧密封垫弹性模量和厚度,以及螺帽与手孔混凝土间初始接触状态。获得不同工况下接头挠度、接缝变形及接头转角等变化规律。

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非对称荷载基坑内支撑支护结构设计计算方法

金亚兵, 刘动, 孙勇

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1811-1818.

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从分析深基坑内支撑式支护结构水平刚度系数不动点调整系数着手,探讨了非对称荷载条件下深基坑内支撑式支护结构设计计算方法。归纳了非对称荷载的5种典型类型;总结了非对称荷载条件下,内支撑式支护结构受力变形以及坑外地面沉降的差异特征;为实现不动点调整系数量化取值,提出了非对称荷载土压(力)比的概念和计算公式;根据非对称荷载土压比的大小,建立了不动点调整系数与非对称荷载土压比的线性关系式;利用内支撑两端轴力相等原理,提出了内支撑支护结构变形控制设计方法。并用本文推荐的不动点调整系数计算方法和数值分析方法对工程实例进行了支护结构受力变形和地面沉降计算。

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堆土空腔对大桥基础影响有限元分析及监测

於慧

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1819-1826.

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以上海黄浦江某堆土空腔景观提升改造工程项目为背景,建立了堆土空腔坡地对大桥桩基承台影响三维固结数值计算模型。通过与现场监测数据的对比分析验证了数值模型合理性,并对施工和固结过程影响、不同深度和距离下承台变形规律及轻质材料换填的影响进行了总结。结果表明:施工期主桥墩和引桥墩承台最大沉降分别为1.29 mm和1 mm,固结两年后主桥墩和引桥墩承台最大沉降增加到2.33 mm和1.80 mm,变形速率分别为1.35×10^-3mm/d和1.49×10^-3mm/d,变形已基本稳定;主桥墩和引桥墩承台变形随深度的分布变化趋势相同且均较为稳定;轻质材料换填工况下施工期主桥墩和引桥墩沉降减少分别约53.2%和19%,固结两年后主桥墩和引桥墩沉降减少分别约42.3%和20.7%。

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沉积河谷-衬砌隧道体系对平面P波的散射

赵瑞斌, 徐亚敏, 刘中宪, 刘萌

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1827-1836.

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沉积河谷对地震动的放大效应已为地震观测和理论研究所证实。现实中有大量隧道穿越河谷情况,而河谷中隧道地震反应规律尚不明确。为此,本文建立沉积河谷-衬砌隧道整体二维平面应变模型,基于一种高精度边界间接积分方程法,对河谷中隧道地震响应及动应力集中进行模拟分析。大量参数计算结果表明:沉积河谷中隧道地震反应更为剧烈,动应力集中更为显著,应力峰值可达到入射波应力幅值的数十倍。随隧道埋深加大,应力频谱振荡加剧且峰值频率发生明显变化。部分频率段,隧道对河谷地表位移同样有较大的扰动。穿越河谷隧道的抗震设计需考虑河谷中地震动放大效应对隧道内力和变形的显著影响。

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“联独法”暗挖地铁区间结构研究与应用

高辛财, 邹彪, 惠丽萍

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1837-1847.

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为满足地铁运营功能要求,地铁需设置双线共构地下区间,受周边条件限制而常采用暗挖施工。目前,对于此类暗挖区间一般采用“双侧壁导坑法”单拱大跨度断面或“中洞法”双联拱断面,前者由于结构跨度大、开挖面积大、结构厚度大、工程造价高、开挖步序多而施工速度慢、施工风险高的问题;而后者虽然结构跨度小、开挖面积略小、结构厚度小、工程造价略低,但由于其特殊施工步序,存在施工速度慢、联拱处易积水、防水质量差的问题。因此,为解决以上的问题,笔者提出初支联拱二衬独立式新型暗挖结构与施工方法(简称“联独法”或“∞法”),介绍该工法的结构设计理念,对该工法结构的受力、开挖变形进行深入分析,对现场施工监控量测数据进行分析。

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基于二次回归法的充气锚杆锚固特性影响因素分析

蒋刘妮, 陈秋南, 马向前

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1848-1857.

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为了明确影响充气锚杆锚固特性的因素及因素间的交互影响,采用二次正交回归组合设计法,以抗拔承载力和位移作为评价指标,对充气锚杆埋深、气囊压力、土层含水率进行试验,并用响应面法进一步验证。结果表明:对充气锚杆极限抗拔承载力和极限位移产生影响的因素中,埋深的影响最大,但非越深越好,原因在于土压力过大时,形成的气囊较小,从而影响锚固效果;充气压力的影响次之,总体上随着充气压力的增大而增大;土体含水率的影响最小,通过对数据的分析,可以得出含水率的增加,会降低充气锚杆的锚固作用,但数据差异小,所以含水率起次要作用;埋深和充气压力的交互作用最为显著,充气压力与含水率组大于埋深与充气压力组产生的交互作用。

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基于修正计算宽度的斜坡场地m值取值方法研究

丁梓涵, 赵其华, 彭社琴

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1858-1865.

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地形坡度是地基抗力系数比例系数m值的主要影响因素之一,现有规范经验对斜坡场地m值取值研究极少。笔者进行3种坡度下的单桩水平载荷现场试验,通过m法对桩身变形、内力进行验算和等效调整以及数值模拟验证,研究了斜坡场地m值取值问题。试验研究及理论计算表明:①m法理论计算得到桩身中部的水平位移和弯矩明显小于斜坡场地现场试验实测值,位移零点和弯矩最大值位置均高于实测值;②将斜坡场地等效为土体强度降低后的水平场地,得到斜坡场地实际m值大于直接引用规范公式的计算值,且随坡度的增大二者差异越大;③桩身计算宽度是造成斜坡场地实际m值与规范公式计算值的差异来源,随着坡度的增大实际桩身计算宽度呈线性减小;④通过修正桩身计算宽度,提出基于规范公式的斜坡场地m值修正公式。

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基于属性数学理论的隧道瓦斯突出危险性评价

杜志刚, 张小东, 王晓东

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1866-1873.

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以贵州山区某过煤层瓦斯隧道为例,根据影响隧道瓦斯突出的关键地质因素,选取瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数、煤体结构类型等参数作为隧道瓦斯突出评价的关键指标,采用属性数学理论建立隧道瓦斯突出危险性预测模型,对隧道瓦斯突出危险性进行了评价。在模型构建过程中,首先依据隧道瓦斯突出危险性分级标准,构建各评价指标的属性测度函数,进而结合隧道施工现场实测的相关指标参数,计算各煤层的单指标属性测度及综合属性测度,建立起评价指标测度与属性之间的关系,最后利用置信度对多因素影响下瓦斯隧道的综合属性进行判识,进而实现对隧道瓦斯突出危险性的评价。评价结果显示:过煤层隧道穿越M₅、M₉煤层时,隧道具有强突出危险性,穿越M₄煤层时隧道突出危险性相对较小,隧道施工过程中应加强M₅、M₉煤层的消突和防突措施,以防灾害事故的发生;评价结果与工程现场显示的瓦斯动力现象相一致,具有较高可信度。

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某盾构施工岩溶场地地面塌陷机理和数值分析

宋二祥, 徐明, 吴志轩, 邱天琦, 杨军

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1874-1880.

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归纳和分类了岩溶地区地面塌陷的必备条件、诱发因素和致塌机制。针对广州某盾构施工岩溶场地地面连续两次塌陷事故,梳理工程场地条件及塌陷过程,结合现场情况对首次塌陷、局部地面冒浆及二次塌陷进行了定性的机理分析。并使用有限元软件Plaxis2D建立了事故现场的概化模型,土层选用能更好计算地基变形的硬化土模型,进行了施工开挖、环境变化等全过程的分步数值模拟,基本复原了事故过程,验证了机理分析。分析表明,多种诱因、多种形成机制的综合叠加导致了最终的地面塌陷,水动力条件变化可能是主要因素。工程施工中,需结合现场情况,综合考虑防护措施以降低地面塌陷风险。

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基于网络分析法盾构下穿隧道风险分析

吴全立, 王梦恕, 殷明伦

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1881-1888.

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本文以深圳地铁某始发、到达阶段复合地层下穿既有线为工程依托,首先对其进行了风险分析,取得了两级风险指标。然后,在地铁盾构风险评价中采用网络分析法,以始发复杂地质条件下穿既有线隧道等多风险素为研究对象,以多风险因素专家调查结果为依据,构建风险评价模型,研究分析多层级风险源条件下,风险控制技术的不同层级权重排序。研究得到了盾构施工参数设置与控制不当、上软下硬地层不良影响为排序在首位、次位的风险因素。研究表明,网络层次分析法在地铁盾构工程风险评价中是可行的,可为地铁盾构工程风险控制快速决策提供了依据。

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孔排距对高台阶抛掷爆破效果影响的模型试验

吴霄, 李祥龙, 张松涛, 李克钢

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1889-1894.

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为研究高台阶抛掷爆破中孔距、排距对抛掷爆破效果的影响规律,以黑岱沟露天煤矿抛掷爆破为原型,基于相似理论,展开高台阶抛掷爆破模型试验,并进行了超动态应力应变的测试与分析,得出:有效抛掷率E_p和最远抛距L_m随孔距的增加或排距的减小而增大,但当孔距增加到排距的1.45倍时E_p开始下降;排距减小到孔距的0.66倍时L_m开始减小;即当炮孔密集系数m满足1.4<m<1.6时,台阶抛掷爆破能取得较佳的抛掷效果,爆炸应力波在砂浆内部传播时,压应变的加载率约为200 s^-1,卸载率为51 s^-1;拉应变的加载率为11 s^-1,卸载率为3.6 s^-1;结合现场爆破情况分析,砂浆材料拉伸破坏时,其拉应变峰值在160 με以上。

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基于改进的GA-ELM煤与瓦斯突出预测模型

韩永亮, 李胜, 胡海永, 罗明坤

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1895-1902.

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为准确、快速地预测煤与瓦斯突出,提出了一种基于因子分析和遗传算法(GA)优化极限学习机(ELM)的煤与瓦斯突出危险性预测模型。构建10种影响因素的煤与瓦斯突出评价指标体系,采用因子分析法对评价指标体系进行分析提取,将提取出的5个公因子作为ELM的输入参数,为避免ELM输入权值和隐含层偏差随机性的影响,应用GA对ELM模型参数进行优化,构建GA-ELM模型,选取20组实例进行仿真预测,同时与传统单一的ELM、SVM和BP模型进行对比分析。结果表明:基于改进的GA-ELM模型能有效降低数据冗余、简化网络结构和提高判别精度,提出将其运用到煤与瓦斯突出的预测与实际结果具有很好的一致性。

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竖向地震效应下近断层边坡永久位移预测模型

肖莉, 张迎宾, 相晨琳, 柳静, 唐云波

地下空间与工程学报. 2019, 15(6): 1903-1908.

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利用改进的能量法从美国NGA数据库的4 669条地震记录中量化识别出305条近断层速度脉冲地震动。脉冲具有方向性效应,所有地震动均转换到最强脉冲方向。基于Newmark刚塑性理论模型,考虑竖向地震效应,输入拟合后的地震动,计算了边坡永久位移值。根据大量计算结果统计发现,竖向地震效应对近断层内的边坡永久位移有显著影响,既有边坡地震位移预测模型的预测值离散性较大。通过相关性分析,发现竖向效应作用下,边坡永久位移值与近断层地震动的峰值速度相关性显著。采用统计学回归分析方法,建立了基于峰值速度(PGV)、Arias强度(I_a)、临界加速度(a_c)的预测模型,该模型简单实用,可应用于近断层区域的边坡滑坡地质灾害风险评估。

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