地下空间与工程学报

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杨涛, 董建军, 郭宗逵

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 1-6.

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地下物流系统(Underground Logistics System, ULS)可缓解城市交通拥堵,促进城市可持续发展。然而制约地下物流走向实践的原因之一是缺乏量化效益分析,ULS对城市发展影响的定量化分析不足。本文采用系统动力学方法,构建了ULS对城市发展影响的系统动力学模型,系统地分析了ULS对城市经济、社会和环境的有利影响,并以北京市为例,选取ULS分担率为控制变量进行仿真分析,结果表明ULS对缓解交通压力、改善城市生态环境、缓解城市空间资源紧张和增加城市就业等方面具有重要的影响。

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基于室内定位的地下商业综合体疏散引导策略研究

耿康顺, 张晓涛

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 7-13.

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为有效提高地下商业综合体内人群疏散效率,提出一种利用智能手机室内定位技术的实时引导策略。并以某地下商场为研究背景,运用人员疏散仿真软件Pathfinder对室内定位引导策略下的人员疏散开展模拟,研究了该疏散策略的有效性及影响规律。研究结果表明:室内定位引导可以有效提高地下商场内人员疏散效率,但引导比例存在50%的临界值,当引导比例大于50%后,疏散效率随引导比例的增加不再显著提高;疏散人员数量较小时,引导策略下疏散时间的降低幅度并不显著,而人员数量超过设计人数的70%后,疏散时间降低程度显著增加。该研究结果可为地下密集人群的疏散引导提供一种新型理念。

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小城镇地下综合管廊规划建设与管理

高银宝, 谭少华, 谭大江, 陈杰, 曾献君

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 14-25.

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地下综合管廊是推动城市智慧化发展的重要工程,为市政工程提供更为智能安全的运行环境。针对小城镇“规建管”工作特点及不同层级对空间要素的差异,提出“全过程多层次”的地下综合管廊规划建设管理体系。重庆市垫江县结合县城地域特征,从“系统布局、工程建设、运行管理”3个方面开展了地下综合管廊建设:(1)前期以规划设计引导空间要素,形成合理的管廊空间格局;(2)中期对重要区域进行工程性控制建设,同时注重主要节点工程质量及安全保障;(3)后期对管廊的综合运行进行统筹管理。最终达到规划设计科学合理、工程建设质量过关和后期管理运行顺畅的地下综合管廊建设效果。可为小城镇地下综合管廊建设提供借鉴。

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岩石裂纹扩展诱发的强度弱化模型研究

李晓照, 戚承志, 邵珠山

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 26-34.

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岩石应力应变本构关系对于判断岩石强度、变形力学特性有着重要的意义,细观裂纹对岩石力学特性又有着重要的影响。基于细观裂纹扩展模型,将裂纹角度影响引入模型,并结合宏细观损伤定义联系,建立了一个考虑裂纹角度影响的轴向应力应变本构模型,并解释了围压与轴向应变本构关系,分析了裂纹贯通与岩石失效极限应变之间的联系,然后将该本构模型,与常规压缩试验与循环加卸载试验对比分析得到的试验规律相结合,提出了一个岩石内部裂纹扩展、变形损伤作用下岩石压缩强度弱化模型。并通过将不同围压下的裂纹启裂应力试验值和理论公式相结合,预测了模型中难以试验直接获取的关键参数μ,a,β,φ。其中初始裂纹尺寸a与裂纹角度φ,是由真实岩石中随机分布裂纹尺寸、角度平均化思维获取。随着裂纹扩展或应变增加,岩石压缩强度开始保持不变,当岩石达到一定损伤后不断降低。该强度弱化模型的应用,为地下工程围岩稳定性评价提供了一个重要的理论支持。

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围岩气体渗流解析计算中重要假设的数学证明

钟巍, 田宙, 王铁良

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 35-42.

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为深入研究某围岩气体渗流解析计算方法在数学上的严谨性和物理上的合理性,进而验证其在工程应用上的可行性,针对内含空腔围岩中气体渗流动力学问题,利用达西定律和合理的数学假设,严格推导了围岩内裂隙区和孔隙区中气体最远到达位置关于渗透率之间的比例关系。根据基本的物理认识和工程施工安全预估需求,通过严密地数学推导,证明了“爆室空腔与围岩间不存在热传递”和“对于进入围岩裂隙或孔隙的气体取围岩裂隙或孔隙的压力与体积作为该部分气体的压力与体积”这两个重要前提假设的合理性。最后,给出了气体在围岩中到达某位置所用时间的解析计算公式的详细推导过程,并利用实验数据证明了该公式应用于工程实践的可行性。

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岩石动态断裂过程的能量分析

孙友杰, 戚承志, 朱华挺, 郭云鹏, 王玉琪

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 43-49.

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能量转化在岩石变形破坏中起着根本作用,分析岩石在动态加载过程中的能量组成有助于把握岩石变形破坏的本质特征。针对动态破坏能量分析尤其是动能分析研究较少的现状,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对带预制裂纹的半圆盘三点弯试样进行动态加载,并结合高速摄像机等设备,对大理岩在动态作用下的断裂能和动能进行定量研究。研究结果表明:随着加载率的增大,大理岩的断裂能和动能都随之增大;试件破碎的断裂能和加载率近似呈幂律关系,显示出较强的率依赖性,破碎块体的动能与平均加载率近似呈对数关系,增长相对较慢;随着加载率的增大,动能占试件吸收总能量的比例减少,但仍不能忽略动能的影响。

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压桩挤土位移变分模型及理论解答研究

高子坤, 朱海峰, 傅长荣

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 50-56.

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针对三维压桩挤土位移应力求解问题,综合考虑桩身段的径向扩张与桩端的似球形扩张,应用多项式连续函数曲线模拟桩孔直立段、过渡段和桩尖段,并通过引入曲线族参数构造带参数位移函数和积分泛函,实现较符合实际工程和变分法要求的桩土作用孔壁边界的数学模拟,并结合Duncan-Chang本构关系模型和变分理论,推导桩土作用问题的理论解答。应用本文解答进行的工程实例计算表明,变分理论解答极限平衡理论计算及现场测试结果均吻合较好。且随待定系数个数增加收敛于精确解答的速度也较快,研究过程对较复杂的工程问题的理论解答推导有借鉴意义。

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圆形盾构隧道水土压力表示与计算半径取值分析

黄大维, 冯青松, 唐柏赞, 涂文博, 梁玉雄

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 57-63.

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盾构隧道周围的水土压力有投影表示法与径向表示法,两种表示方法的比较分析表明:水压力宜采用径向表示法,当径向表示法转换为投影表示法时,任意点的投影荷载数值与径向表示法时的荷载数值完全相等;土压力宜采用竖向与水平的投影表示法。针对圆形盾构隧道周围的水土压力作用半径与盾构隧道横断面曲梁的中心半径不一致问题,对盾构隧道计算半径的取值方法进行了分析,结果表明:当隧道的计算半径取为外半径时,盾构隧道的内力与变形偏大;当隧道的计算半径取为中心半径时,盾构隧道的内力与变形偏小。从荷载作用效果的等效性角度,分别得到了盾构隧道计算半径不同取值方法对应的水土压力修正系数与曲梁刚度修正系数,并给出了不同荷载对应的盾构隧道计算半径的取值建议。

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水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

董振兴, 李勇, 朱维申, 蔡卫兵, 徐翔

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 64-72.

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裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。

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黄土结构屈服损伤与其土水特征的关系

褚峰, 邵生俊

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 73-79.

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通过非饱和土固结仪对原状黄土进行土水特征、压缩变形特性的试验研究,系统分析了原状黄土结构屈服损伤特性与其土水特征之间的关系。试验结果表明,原状黄土基质吸力随着竖向净压力的增大呈先增大后减小的变化趋势。定义基质吸力临界压力,发现基质吸力临界压力随着含水量的增大而减小。通过原状黄土及相应的饱和正常固结黄土的压缩曲线特征提出一种确定原状黄土结构屈服压力的新方法,该方法具有受压缩曲线形状影响较小、精度较高且作图简便等特点。统计得到原状黄土基质吸力临界压力与其结构屈服压力近似相等,进一步分析原状黄土结构屈服损伤破坏机理。

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基于TSP和PCA-Bayes法的隧道围岩分级

吕擎峰, 赵本海, 潘松杰, 霍振升, 马博

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 80-86.

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高精度的围岩超前分级是隧道安全有效施工的重要保障。基于TSP303系统对前方围岩的预报结果,建立PCA-Bayes判别模型,选取纵波速度、横波速度、纵横波速比、泊松比、密度及静态杨氏模量作为判别指标,利用PCA法对学习样本进行降维处理,按照主成分累计方差贡献率大于85%的原则提取主成分,并将40个学习样本用提取的主成分表示。根据围岩实际揭露情况,将围岩分为II、III、IV、V 4级,各总体的先验概率以该总体的样本占比近似表示,依据平均错判损失最小的判别准则,建立各总体的Bayes判别函数,并得出各指标的得分系数,采用交互检验法评价了判别模型的优良性,根据建立的判别模型对10个待判样本进行了检验,并且与聚类分析及传统Bayes判别法的判别结果进行了对比分析。结果表明:相较于聚类分析与传统Bayes判别法,PCA-Bayes判别法的判别能力更强,准确率可达98%,提高了隧道围岩超前分级的精度。

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次裂纹几何分布对裂纹岩体破坏机制影响研究

李硕, 宁宝宽, 于群

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 87-96.

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通过对含有裂纹的类岩石试件进行单轴压缩试验,研究次裂纹角度、长度以及岩桥尺寸对多裂纹岩体的破坏机制和裂纹扩展特征的影响规律。结果表明:次裂纹角度增加,初裂强度和峰值强度呈递增趋势,主、次裂纹闭合速度和宽度突增值减小,裂纹张开速度和剪切滑动变化值均增大。主、次裂纹之间岩桥贯通路径变短;次裂纹长度增加,初裂强度和峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度变化值和剪切滑动变化值均增加,次裂纹长度的增加降低了试件的完整度,岩桥贯通区域的椭圆形核体增大;岩桥尺寸增加,初裂强度呈递增趋势,峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度突增值和剪切应变增长值减小,裂纹张开速度和剪切应变突增值增加。分析总结了次裂纹几何分布对岩桥贯通的影响规律。

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冻融腐蚀后大理岩变形局部化规律研究

孙琦, 姚念希, 张淑坤, 于阳

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 97-105.

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为探索冻融腐蚀后大理岩变形局部化规律研究,采用人工配制的酸性溶液对大理岩开展了化学腐蚀与冻融循环,并对冻融腐蚀后的岩石进行了单轴压缩试验。同时,使用CCD摄像机分别采集了原始岩样、冻融腐蚀15次、冻融腐蚀30次后的大理岩加载过程中的散斑场,通过数字散斑相关方法对采集的散斑场进行分析处理,得到了3种状态下大理岩岩样在加载过程中不同时刻的最大剪切应变场,观测了最大剪切应变场的演化过程,得到了冻融腐蚀共同作用下大理岩的裂隙演化与变形规律,同时对大理岩岩样整体与局部化带外区域(弹性区)的能量演化特征进行分析。研究结果表明:(1)从原始岩样、冻融腐蚀15次岩样到冻融腐蚀30次岩样,形成初始局部化带峰值强度占比降低,稳定局部化带时强度占比提高,稳定局部化带宽度增大;(2)随着损伤程度的加剧,岩样整体与局部化带的能量演化趋势相同,在能量积累阶段,岩样的弹性最大变形能密度随着损伤加剧而降低;在能量释放阶段,岩样能量释放速度随着损伤程度的加剧而降低。

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龙游石窟5号洞室的破坏机理研究

于超云, 张慧慧, 唐春安

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 106-113.

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龙游大型古地下工程洞室群具有大跨度、超浅埋的特点,其独特的结构形式和高超的施工工艺是我国古人智慧和创造力的结晶,也是世界地下空间开发利用的一大奇迹。已对外开放的5号洞室多处出现了开裂,且裂缝不断扩展。为了深入了解石窟围岩的破坏机理,为石窟的保护工作提供理论依据,基于三维地质扫描技术建立5号洞室的几何模型,利用RFPA-3D数值计算软件,对构成5号洞室的顶板、岩柱、洞口围岩的应力场分布规律以及变形破坏特征进行分析。研究发现,在洞口顶板产生拉伸裂缝,岩柱产生压剪裂缝。数值模拟结果中洞室顶板和岩柱的裂缝分布情况与现场调查结果吻合较好。研究结果可为5号洞室围岩力学行为的科学分析、预测及石窟的保护等提供依据。

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高温热处理共和盆地干热岩力学特性实验研究

卢运虎, 王世永, 陈勉, 金衍, 杨帅

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 114-121.

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干热岩的力学特性对实现地热能高效开发至关重要。通过GCTS RTR-1500岩石测试系统,辅助以XRD、SEM等测试手段,探讨了温度及围压对干热岩力学特性的影响,分析了温度使干热岩力学性能劣化的机理。研究结果表明:相同围压条件下,随着温度升高,干热岩的力学性能逐渐劣化,具体表现为压密段变长、内聚力减小、内摩擦角增大,破坏形式由弹脆性向弹塑性转变;相同温度条件下,岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比以及残余强度均随围压的升高而增大。围压可以部分抵消高温对岩石力学性能造成的损伤;干热岩力学性能劣化的原因在于黑云母矿物高温脱水、方解石受热分解以及晶内及晶间裂缝大量产生。上述研究成果可以为共和盆地干热岩的安全钻井及储层压裂改造提供重要的实验支撑。

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压实膨润土膨胀应变时效性试验及模型研究

赖小玲

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 122-127.

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本文对高庙子膨润土试样竖向膨胀应变时效性进行了试验和理论研究。首先,3种不同含水率的高庙子膨润土粉末被压实到2种不同干密度,然后保持试样含水率不变分别静置0、1、7、15、30和90天,最后利用膨胀变形仪对静置完成后的试样的水化膨胀变形进行了测量,试验结果表明:试样的水化膨胀曲线呈双曲线型,水化初期膨胀明显,之后逐渐稳定;竖向膨胀应变随初始干密度的增加而增大,与初始含水率关系不明显;最大竖向膨胀应变随静置时间的增长不断衰减,且静置前期衰减明显,后期趋于稳定;基于试验成果,通过类比,建立了压实膨润土的膨胀应变时效性经验模型,拟合结果表明该模型能够较好地反映静置时间对高庙子膨润土膨胀应变的影响。

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生石灰膨润土泥浆土压盾构渣土改良试验研究

黄志强, 冯东林

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 128-133.

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土压平衡盾构在砂性地层施工中,常出现盾构刀盘磨损严重、扭矩过大、土压舱土体难形成塑流状态等问题,施工中常使用膨润土泥浆作为土体改良剂对切削渣土进行改良来解决上述问题。本文以膨润土和生石灰为原料配制土体改良剂,通过采用泥浆粘度和相对密度为参考指标优选出合适的泥浆作为土体改良剂对渣土进行改良,并对改良渣土开展坍落度试验和剪切试验来综合评价生石灰含量对渣土改良效果的影响。试验结果表明:对于生石灰掺量为0%~2.8%的膨润土泥浆,随着生石灰含量的增加,泥浆的粘度和相对密度有所增加,改良后渣土的抗剪强度有所降低,在生石灰含量为1.4%时坍落度能较好的满足施工要求。

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珊瑚砂微生物固化体三轴压缩声发射试验研究

申春妮, 方祥位, 姚志华, 刘汉龙, 黄涛

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 134-140.

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对不同干密度增量的珊瑚砂微生物固化体进行了三轴压缩声发射试验,研究不同围压条件下固化体的应力应变曲线特征及对应的声发射信号特征。试验结果表明,珊瑚砂微生物固化体的三轴压缩声发射曲线可分为三个阶段,在应力应变曲线的近似线弹性阶段声发射活动不频繁,屈服阶段声发射活动频度增大,延性流动阶段声发射活动频度降低,但仍有少量声发射振铃计数与能量高峰出现;累计振铃计数曲线呈直线型,反映了声发射活动在变形全过程均维持了一定的频度,说明内部的胶结断裂与颗粒破碎持续发生,颗粒发生错动并重新排列,导致固化体表现出延性流动特性。通过声发射试验,可以更好地理解珊瑚砂微生物固化体的宏观变形与破坏过程,为建立珊瑚砂微生物固化体损伤本构模型奠定基础。

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兰州红砂岩极限承载力深度修正方法试验研究

李凯甜, 邓荣贵, 周其健

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 141-148.

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兰州地区红砂岩处于泥质胶结和极弱的钙质胶结状态,由于该层砂岩具有半成岩的特性,其极限承载力的深度修正与一般土体和岩体不同。本文结合实际工程对半胶结红砂岩的极限承载力深度修正方法进行探究,通过对不同的压板面积、不同的试验深度、不同超载条件下平板载荷试验和剪切试验的试验结果进行统计分析发现:载荷试验因差异性局部破坏,容易低估其岩基极限承载力,不能完全反映其承载特性;红砂岩峰值抗剪强度和残余抗剪强度随正应力有增大趋势,但残余抗剪强度在增大到一定程度后趋于稳定;根据岩基的初始围压以及初始应力可对其极限承载力进行深度修正,但不能等效于砂土;本文中提出的修正后的Vesic公式能对胶结状红砂岩的极限承载力进行较好的预测。

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扩大头构件受力机理的大比例尺模型试验研究

李永辉, 陈陆杰, 赵鹤飞, 郭院成

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 149-159.

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通过开展大比例尺室内模型试验,探讨扩大头构件受力变形规律、扩大头顶阻与侧阻发挥性状及荷载承担比例、扩大头顶阻对侧阻的影响机理、扩大头上覆土体竖向位移及破坏特征。结果表明:拉拔初期,扩大头构件受力变形曲线呈线性,其承载力主要由扩大头侧阻承担,随拉拔位移增长,受力变形曲线出现拐点,扩大头侧阻荷载承担比逐步降低至30%~40%,顶阻荷载承担比增长至60%~70%;扩大头侧摩阻力在较小的拉拔位移下达到极限值,并存在软化现象,扩大头顶阻充分发挥需要较大的拉拔位移;拉拔过程中,扩大头顶部附近土体承受附加压力作用,且附加压力随拉拔位移增长变化规律与扩大头侧阻发挥规律较为一致;扩大头顶阻对扩大头侧阻发挥具有增强效应,扩大头顶阻越大,距离扩大头顶部越近,侧摩阻力发挥水平越高,侧阻增强效应越显著;扩大头对上覆土体的挤压作用,使得土体产生竖向位移的范围及破坏面逐渐向上发展,深埋扩大头构件土体破裂面在地基土内闭合,呈现为“椭球形”,浅埋扩大头构件破坏面延伸至地面,并形成三条互成约120°地表微裂缝,且扩大头直径越大,破坏面范围及地表裂缝长度越大。

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基坑支护倾斜悬臂桩受力变形特性试验研究

孔德森, 张杰, 王士权, 刘一

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 160-168.

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为改善基坑工程中支护桩的受力特性,将传统的直立悬臂桩背向基坑倾斜一定角度,形成基坑支护倾斜悬臂桩,可以更好地承担水平荷载,减小水平位移和变形。通过模型试验的方法对基坑开挖过程中倾斜悬臂桩的桩顶水平位移、桩后土体沉降和桩身弯矩进行研究。试验共进行3种不同工况下的模拟,分析倾斜悬臂桩在不同倾角不同布桩方式下的受力特性。分析结果显示,同等条件下,倾斜悬臂桩较传统直立桩相比,可以有效减小桩底水平位移和桩后土体沉降;桩身弯矩会因基坑开挖深度的增大而增加,桩身的正弯矩峰值接近负弯矩峰值,斜桩的最大弯矩值显著小于直桩支护形式下的弯矩峰值。

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基于离散元方法的锚碇岩砼接触力学性质研究

张茂础, 崔臻, 盛谦, 马亚丽娜, 张善凯

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 169-176.

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重力锚碇结构稳定性多采用有限元方法进行分析,由于有限元的连续介质假定,使得锚碇结构混凝土和基底岩体之间的相互作用不能得以考虑。针对这一问题,本文采用专门用来解决不连续介质问题的离散元方法,将重力锚碇结构视作岩、砼及其接触面构成的不连续体,从新的视角开展研究。本文以一处重力锚工程实例中的现场缩尺试验为基础,利用离散单元法对岩砼接触面的力学性质进行模拟,分析了缩尺模型在设计工况下的基底变形、接触面法向与切向应力分布、屈服状态,对比研究了接触面上键槽、抗滑台阶的作用。结果表明:设计工况下,锚碇模型变形基本为以第二平台键槽部位为中心的刚体旋转为主。锚碇混凝土块的刚性旋转,使得岩砼接触面发生变化,引起受压不同接触面上台阶效果、抗剪能力的改变;在设计荷载作用下,岩砼接触面不会因剪切作用而发生破坏,接触面上的键槽、台阶等抗滑措施提供了较大的抗滑承载力。

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基于离心机模型试验的超深基坑受力变形研究

郭海庆, 陶善之, 张泉

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 177-186.

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随着我国城市建设的发展,超深基坑不断涌现,然而开挖过程中土压力的分布以及围护结构的受力、变形模式的不确定性等问题为基坑的设计与施工带来了巨大的麻烦。为解决这些问题,本文以深圳某深隧系统工程的闸门井基坑为原型,通过离心模型试验结合有限元分析研究了其方形与圆形两种设计方案。实验表明,圆形基坑具有明显的土拱效应和环向刚度,土压力、弯矩、围护结构变形和地表沉降都小于方形基坑。2种基坑方案中深度效应都表现明显,变形沉降最后趋于稳定。土压力沿深度方向均呈非线性分布,由静止土压力逐渐向主动土压力发展,并且变形模式都为中间大两端小。实验后使用有限元方法进行数值模拟。2种方法即相互验证又相互补充。

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长大单洞铁路隧道紧急出口设置间距确定

李琦, 王明年, 于丽, 罗欣宇, 李敏

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 187-193.

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为了确定长大铁路隧道紧急出口设置的最大间距,采用对列车运行时火灾车厢中人员疏散进行了现场试验和仿真计算,并对车厢内混合人群疏散和火灾烟流扩散进行数值模拟的方法得到火灾车厢内的人员必需安全疏散时间和可用安全疏散时间,从而确定了列车发生火灾后最大运行时间为275 s。根据火灾列车运行时速为80 km/h,火灾列车可运行6 km,即长大铁路隧道紧急出口设置间距最大为6 km。

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岩石群锚杆基础界限间距与群锚效率估算方法

刘伟, 董天文

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 194-200.

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岩石群锚杆基础是一种材料用量少、机械化程度高、主要发挥抗拔力、应用较为广泛的抗拔基础型式。在竖向荷载作用下,岩石群锚杆基础承载过程受到岩体抗剪强度、锚杆设计施工参数、锚杆-岩体协同工作等复杂因素的影响,其抗拔破坏机理和群锚杆相互作用等问题尚未揭示,使得现行规范在确定锚杆间距、群锚杆承载力等关键设计参数时需要依靠较多原位试验。应用弹性力学和岩石锚杆竖向抗拔传力规律,建立了岩石群锚杆基础的单根锚杆间无相互影响的界限间距近似计算方法以及岩石群锚杆群锚效率估算方法,理论计算结果与试验结果比较接近,可以满足岩石群锚杆基础初步设计要求。

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双锚固段新型锚索锚固机理数值分析及应用

袁坤, 张玉芳

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 201-210.

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为了探究双锚固段新型锚索的锚固机理,从结构形式入手,分析受力模式与设计计算方法,采用有限差分数值软件进行数值模拟,建立不同外锚固段长度、自由段长度及内锚固段长度双锚固段新型锚索数值模型。在外锚头段锚固力不断损失时,新型锚索三段长度变化对锚索各段轴力、灌浆体与孔壁之间接触面上的剪应力影响规律研究,并通过工程实例验证。研究结果表明:(1)当外锚头锚固力损失时,外锚固段轴力自外锚头处开始逐渐降低,外锚固段灌浆体与孔壁间剪应力自外锚头处开始逐渐发展;(2)将外锚头锁定的预应力进行卸载的过程中,量测内锚固段注浆体的应变基本保持稳定,表明外锚头施加的预应力已完全由外锚固段与孔壁间粘结力承担,避免了因外锚头失效导致的锚索预应力损失,整个锚固系统实现了反向自锁的功能;(3)外锚头锚固力损失相同时,外锚固段长度越短,自由段锚索轴力变化越大;(4)新型锚索自由段长度大4 m。研究结果对正确分析双锚固段新型锚索加固作用机理和锚固工程设计具有一定的参考价值。

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高层建筑地下室上浮变形特征及处置措施研究

于贵, 李星, 舒中文, 刘乃康

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 211-218.

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以神华准能办公大楼地下室上浮整治为工程背景,通过现场监测、试验等手段对办公楼地下室上浮变形特征、整治设计参数进行分析,提出泄水降压+抗浮锚杆综合整治的工程措施,详细介绍了抗浮整治过程。该地下室上浮属施工控制不当导致力学条件失衡,从而引起结构构件工后失效,变形特征主要表现为地下室梁、柱节点处产生水平裂缝、墙体产生45°斜向裂缝,柱体节点产生明显压曲现象。此类工程仅仅依靠泄水降压并不能够彻底地整治,需结合抗浮锚杆等主动措施。抗浮设计时通过设置监测井确定抗浮水位、采用抗拔试验确定锚固体与土层的粘结强度标准值,保证设计参数的合理性。对于类似地下室上浮工程,采用泄水降压+抗浮锚杆措施,工艺简单,经济性好,整治效果显著。

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序贯高斯模拟在围岩质量预测中的应用

成涛, 李晓军, 陈建琴

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 219-226.

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围岩质量的准确划分对隧道工程的建设成本控制和施工安全至关重要。根据局部范围内的围岩信息估计整个隧道址区围岩质量分布时,常规的插值算法(反距离加权插值法、平均法等)未能充分考虑变量空间分布的结构性,因此预测精度较低。为了更好地考虑地质信息间的空间结构性,本文结合RMR14法对围岩质量进行定量评价,将序贯高斯模拟方法应用到掌子面前方围岩质量的预测。利用钻孔、物探、地质素描等采集的地质信息,通过变差函数的模拟对其空间自相关性进行定量描述。采用序贯高斯模拟方法,以RMR14法各评分指标为研究对象分别进行变量估计,进而对未开挖掌子面围岩情况进行定量评估。以试刀山隧道工程为例对该方法进行验证,预测结果保持了近70%的预测精度。研究结果表明:基于指标的序贯高斯模拟方法在RMR值预测方面有良好的表现,同时能反映更多的地质信息;此外,序贯高斯模拟方法能够很好地反应空间中RMR值的细微变化,可以克服克里金方法的“平滑效应”;具有一定的工程应用推广价值。

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含石膏泥灰岩地质特点及隧道工程影响分析

许崇帮, 王华牢

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 227-233.

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为揭示含石膏泥灰岩地层对杜公岭隧道衬砌结构病害影响,通过工程调研、岩芯矿物成分测试、施工观测、室内试验及结构病害分析等手段对隧址区地层特征、含石膏岩泥灰岩工程危害性进行了探讨。研究结果表明:杜公岭隧道穿越奥陶系中统上马家沟组一段泥灰岩地层,该地层中含有发育不规律的石膏岩,使其岩体中硫酸盐与碳酸盐共同溶蚀现象显著、岩溶发育强烈(溶洞最小间距不足20 m);硬石膏岩侧限膨胀力试验测试值是泥灰岩的90倍以上、软化系数是泥灰岩的0.8倍,因此,泥灰岩中的赋存的石膏岩促使泥灰岩地层软化与膨胀特性加剧,增加了隧道衬砌结构的负荷;同时,石膏质岩的存在还引发地下水对隧道混凝土衬砌结构的硫酸盐侵蚀,使杜公岭隧道混凝土结构出现了一种隧道工程中极为罕见的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀,造成混凝土凝胶材料失效而呈现为泥沙状,从而导致隧道衬砌支护结构丧失承载能力。因此,含石膏泥灰岩地层对隧道工程的影响,不仅是加剧了修建场所的复杂性,而且恶化工程结构的受力环境,并在一定条件下造成混凝土结构遭受较为严重的硫酸盐侵蚀。

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基于有限元极限分析的双孔隧道稳定性分析

赵明华, 侯继超, 彭文哲, 张锐, 赵衡

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 234-242.

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为进一步探讨在考虑土体内摩擦角情况下,双孔隧道在支护反力及地面超载共同作用下的相互作用规律及稳定性分析,首先,基于有限元极限分析法,采用MATLAB平台编制了相关计算程序;此外,为减少各参数之间的交叉影响,引入无量纲分析方法;然后,将本文模型的计算结果与已有成果进行对比,验证了本文分析方法的合理性;最后,在此基础上求得各影响因素下的隧道稳定性参数(N_s),并绘制了无量纲分析图表。结果表明:(1)N_s随φ的增大逐渐增大,且当φ较大时,在N_s未达到稳定值之前,对其产生显著影响;(2)N_s随S/B的增大而增大并趋于稳定;(3)φ的存在与否对N_s随着γB/c的变化产生相反的规律,且随φ的增大,γB/c的变化对临界间距比(S/B)的值影响减弱;(4)临界间距比随H/B的增大不断增大;(5)S/B和φ是影响隧道破坏模式的关键因素。

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特大断面公路隧道地震动力响应分析

梁波, 赵冯兵, 任兆丹, 张青松, 李高歌

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 243-248.

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以西南地区某高速公路特大断面隧道地震设防为研究背景,通过有限元动力计算方法,考虑隧道施工过程形成的应力场作为动力分析的初始应力场,同时在动力分析中考虑静力和动力分析的人工边界转换处置,采用地下结构静-动力分析方法对隧道进行了地震动力响应分析。模型分析了特大断面公路隧道在地震动力作用下的衬砌加速度响应、第一主应力和第三主应力响应、静力到动力的塑性发展情况。分析结果表明,特大断面隧道的仰拱区域在地震振动中是薄弱部位,在施工中围岩压力释放充分有利于隧道抗震,二次衬砌作为安全储备在振动中发挥主要作用。研究结果可为工程实际提供一定的参考意义。

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基于HHT分析隧道围岩结构爆破累积损伤效应

胡刚, 费鸿禄, 包士杰, 杨智广

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 249-259.

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为确保隧道在循环爆破荷载作用下的使用寿命和稳定性能,提出了基于爆破振动信号分析隧道围岩结构爆破累积损伤效应的新方法。依据监测试验获取的振速时程曲线,采用HHT理论将其变换为瞬时能量谱,对比爆破振动信号波形面积方法,针对质点振动能量分析隧道围岩结构物理力学性质的强弱效应,同时应用LS-DYNA数值软件的重启动命令,通过相同节点2次爆破X方向振速时程曲线验证新方法的准确性。研究结果表明:隧道DK497+286、DK497+291、DK497+296里程点3个方向振动能量均呈现下降变化趋势,说明爆破振动累积荷载对隧道监测点处围岩结构产生了破坏作用,并且垂直方向受爆破累积损伤最为严重,因此,需要根据围岩等级和在围岩等级改变处50 m范围内增加支护强度,保证隧道围岩结构安全。

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花岗岩巷道岩爆声发射振铃计数波动规律研究

张艳博, 张行, 孙林, 姚旭龙, 梁鹏

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 260-266.

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开展室内岩爆模拟试验,利用声发射仪监测岩爆过程。分析了岩爆过程声发射振铃计数波动变化规律,运用散点数据差分求导的计算方法,提出一个刻画振铃计数波动特征的指标——振铃计数变化率ξ,基于统计学原理,分析了岩爆过程ξ值的异常变化特征,捕捉岩爆发生前兆。研究表明:岩爆发生前声发射振铃计数会连续出现大幅度波动,声发射ξ值超出稳定阶段波动范围。将稳定阶段声发射ξ值波动范围作为岩爆预警阈值ξ₀,提取ξ>ξ₀时声发射信号作为岩爆前兆信息,进行岩爆灾害预警。水平应力越大,岩爆预警阈值ξ₀越大,岩爆前兆响应系数σ越小。

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含盐量和注浆对硫酸盐渍土中SRB还原效率影响

彭述权, 王凡, 樊玲

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 267-273.

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利用硫酸盐还原菌(SRB)降低硫酸盐渍土中硫酸根含量,是硫酸盐渍土的一种微生物处理方法。为此,试验通过逐步增加培养基中硫酸钠浓度,驯化培养出高耐盐性SRB,采用DNA抽取-PCR扩增对驯化的SRB进行高通道基因测序。在此基础上,利用驯化的SRB研究其在含硫酸钠培养基中SRB还原效率及不同含盐量的硫酸盐渍土在不同注浆方式下SRB还原效率,采用重量法与pH计测量分析试验结果。试验结果表明:驯化的SRB主要为脱硫小弓菌,可在150 g/L硫酸钠浓度下生长;当溶液pH为6.74时,SRB还原性最佳,还原效率为72.11%;采用注浆方式二【硫酸盐渍土(硫酸钠溶液10 g+标准砂300 g)+浓缩菌液5 g(离心参数4 000 r/min, 30 min) +改良液体培养基15 g 】的还原效率最高,在含量为0.8%、0.95%、1.15% 3种硫酸盐渍土中,还原效率分别为61.96%、 71.58%、 68.25%。硫酸盐渍土中SRB还原效率低于相同硫酸钠浓度溶液。研究为硫酸盐渍土盐胀提供一种有效便捷的微生物方式,对解决硫酸盐渍土问题有重要意义。

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地埋管群全年蓄热取热同步模式下岩土传热特性

吴晅, 周雅慧, 路子业, 刘卫, 侯正芳

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 274-287.

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结合内蒙古包头地区的地域特性,基于有限体积法,在实验验证的基础上,数值仿真研究了全年地埋管管群蓄热取热同步模式下的岩土传热特性,分析了蓄热取热同步过程中的蓄热地埋管流体温度、取热地埋管流体温度、岩土结构以及地埋管管群排列方式等因素对岩土温度场的影响规律。研究结果发现:地埋管群全年蓄热取热同步模式可使岩土温度得到快速恢复,进而可缓解岩土热失衡问题;取热流体温度不变的情况下,取热地埋管周围岩土温度随蓄热地埋管流体进口温度的增加而增加;岩土热扩散系数越大,取热地埋管与蓄热地埋管周围岩土温度分布越均匀越不易出现岩土热堆积现象;取热地埋管与蓄热地埋管叉排列时岩土温度分布较顺排列时均匀。

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有限宽度土体主动土压力的离散元模拟研究

肖昕迪, 李明广, 吴浩

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 288-294.

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采用离散元方法,建立多个不同宽度的离散元模型,得到了不同宽度土体从静止到主动状态过程中作用在挡土墙上的土压力发展过程以及极限状态下主动土压力的分布,并将数值结果与考虑土拱效应的理论公式计算结果进行对比分析。研究表明:当土体宽度较小时,墙后有限宽度土体中土拱效应的叠加效应会改变土压力的发展过程以及极限状态下的土压力分布。土体宽度较大时,土拱效应对土压力影响较小,土压力几乎呈直线分布,随着宽度的减小,土压力逐渐减小,土压力呈非线性分布。采用考虑土拱效应的计算公式可以较好地预测不同宽度下的土压力合力和分布。

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颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响评价

靳贵晓, 张瑾璇, 许凯, 黄明, 邱继业

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 295-302.

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微生物诱导碳酸钙沉淀加固砂性土的试验研究较为丰富,但在固化崩解性软岩残积土的可行性及效果评价方面目前仍未涉及。考虑到崩解性软岩残积土与砂性土颗粒的诸多不同以及自身颗粒级配产生的差异,选用4种不同粒径范围的松散泥质软岩残积土颗粒进行微生物灌浆试验研究,并通过渗透性能、无侧限抗压强度(UCS)试验、碳酸钙生成量及孔隙率测试,分析颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响;再借助于扫描电镜(SEM),观测全级配残积土颗粒表面的MICP反应效果。结果表明:不同粒径级配的崩解性软岩残积土在经过微生物灌浆处理后,其胶结效果差异明显。全级配崩解性软岩残积土灌浆过程中更易沉积具有胶结作用的碳酸钙晶体,其胶结试样力学性能较间断级配提升显著,且其孔隙率降幅和单位质量碳酸钙生成量也较大,胶结效果更佳。研究成果可为软岩弃渣填方路堤的微生物加固工程提供借鉴。

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泥石流软基消能排导槽流速与消能特性试验研究

刘曙亮, 游勇, 李小勇

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 303-311.

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排导槽内泥石流流速是排导槽设计时需要考虑的重要参数之一。使用泥石流原样进行室内模型实验,探究了不同泥石流重度、肋槛间距、排导槽坡度下泥石流在排导槽内流速的变化规律和排导槽肋槛对泥石流的消能规律。研究得到如下结论:试验条件下,泥石流排导槽对泥石流流速的降低率随泥石流重度变化不大;泥石流在排导槽内平均流动速度随泥石流重度的增加而减少,随泥石流排导槽坡度的增大而增大,随肋槛间距的增加而增加;泥石流在排导槽内消能率呈现如下规律:单个肋槛平均消能率随泥石流重度的增大而增大,随排导槽坡度的增大而增大。不同肋槛间距下,泥石流在排导槽内整体消能率随肋槛间距的增大而降低,单个肋槛平均消能率随肋槛间距的增大而增大。根据本文研究相关成果,在进行泥石流排导槽设计时,通过合理设计排导槽横断面、坡度、肋槛等参数,能有效控制泥石流流速,达到降低泥石流冲击破坏的目的。

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嵌岩桩及较破碎岩石桩基影响系数探讨

王田龙, 詹黔花, 帅海乐, 黄质宏, 宋勇

地下空间与工程学报. 2020, 16(1): 312-318.

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纵观以往对嵌岩桩的研究,主要是针对嵌岩桩(嵌入完整、较完整岩石)的承载性状的研究,而对端阻、侧阻影响系数和综合影响系数的研究较少。国内外笔者通过256根嵌岩桩静载试验资料,对嵌岩桩的3个影响系数进行统计分析,并对其影响因素进行探讨,得到3个影响系数与抗压强度和深径比的关系。在贵阳地区分布有大量较破碎岩石,然而目前对于嵌入较破碎岩石上桩的影响系数的研究尚缺乏,这给桩的设计带来一定的问题。由14根嵌入较破碎岩石中桩体的静载试验,本文对桩端阻、侧阻影响系数以及综合影响系数进行了探讨,为在较破碎岩石上设计的桩体提供一定的参考。最后结合相关规范、科研成果和本文试验数据,将端阻、侧阻影响系数和综合影响系数进行较为全面、详细的划分,并给出一张同时考虑岩性和完整性的影响系数建议取值的表格。

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