地下空间与工程学报

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宋博文, 王卫东, 谭栋杰

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 319-324.

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目前,综合开发地下空间已成为城市核心区“城市更新”的最主要途径之一。在城市中央商务区(CBD)地下空间规划设计中,本文重点对片区“被动式”地下空间开发所需解决的内外交通耦合、地块功能耦合、交通方式耦合、低碳开发耦合及空间布局形态耦合等内容进行了分析与探讨,并结合具体指标,从定性和定量两个角度分析其耦合协调性,提高方法的可操作性。在此基础上,系统性提出CBD耦合规划协调框架,为地下空间开发提供规划方法指引。

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基于公共空间建构的地下特色街区开发研究

刘皆谊, 程元泽

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 325-333.

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城市对于地下空间开发所关注的焦点,已由扩充商业容量转变为发掘其所具备的公共空间价值。苏州平泷路地下空间为了达成建构地下公共空间与特色街区的开发目标,针对特色街区的影响因素,提出解决与对应影响因素的项目设计思路。为了确保开发过程中,项目能确实发展为平江新城的公共活动平台,平泷路地下空间以设置专业沟通平台,坚持合理与科学化发展的方式作为核心策略。同时,在项目计划初期阶段,从区域开发的角度优化调整相关的规划与建筑设计;在商业策划阶段,藉由制订主题、调整空间业态与经营定位的方式,精准定位未来运营方向;在设计概念阶段,增设了文化活动空间,为城市文化活动的产生保留余地;在设计深化与施工阶段,对内部重要与竖向节点进行重点设计,使平泷路地下空间最终能成为一个舒适、安全与安心的城市步行环境。最后,指出以公共空间开发为主,结合空间主题与城市文化设计的地上地下一体化开发模式,能够创造出地下空间街区的特色,并建议此模式可作为我国未来开发地下空间的参考。

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中心城区既有地下公共空间活力评价研究

阎波, 贾鑫铭, 王尽遥

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 334-344.

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在城市存量发展与精细化设计的背景下,既有地下公共空间作为城市公共空间的重要组成部分,对整个城市活力营造有着不可替代的作用。现阶段不少既有地下公共空间环境使用状态不良及空间环境恶化等问题致使空间活力丧失。故将“活力提升”作为推动中心城区既有地下公共空间再生的目标,对活力评价体系的构建进行尝试。通过专家和公众参与的调研问卷,运用层次分析法进行中心城区既有地下公共空间活力评价的初步研究,选取重庆3个中心城区既有地下公共空间作为案例进行活力评价体系的检测与反馈,反映当前关注度高、矛盾突出的中心城区既有的地下公共空间问题,为活力提升设计策略奠定研究基础。

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多因素耦合的新区综合管廊系统布局方法研究

王俊佳, 王成坤, 陈郊

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 345-350.

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综合管廊建设有利于保障城市安全、美化城市景观、提高市政设施综合承载能力和城市发展质量。新区实施综合管廊建设具有先天优势,如何在新区开发建设中科学系统地布局综合管廊,是新区市政基础设施规划建设面临的关键性课题。综合管廊系统布局受城市空间布局、建设用地开发强度、轨道交通和道路交通、市政管网系统等多因素影响,影响因素类型多,难以完全进行定量化评价。本文采用层次分析法,利用GIS空间叠加、缓冲区分析等功能,建立了一套半定量化的适用于分析新区综合管廊系统布局的评价体系,探索多因素耦合下的综合管廊系统布局,可为新区综合管廊系统布局规划提供技术思路。

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节理起伏角对非贯通节理岩体力学特性的影响

陈庆芝, 张玉石, 刘远明, 王唯, 曹凯

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 351-358.

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对非贯通节理岩体进行直剪试验,在相同法向应力作用下研究具有不同节理起伏角的非贯通节理岩体的强度特性、变形特征。并采用颗粒流数值模拟软件(PFC 2D)进一步研究非贯通节理岩体的细观扩展机理。两种试验研究表明:(1)非贯通节理岩体的破坏形态受节理起伏角的影响显著,随着节理起伏角增大,岩体的破坏程度逐渐加重,岩体破坏时的张拉裂纹越大,裂纹数目也越多,张拉节理与两节理面之间的夹角将越大,表面破损也越明显;(2)非贯通节理岩体的变形特征受节理起伏角的影响显著,当节理起伏角不同时,非贯通节理岩体的法向变形将不同,随着节理起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移逐渐减小;(3)非贯通节理岩体的强度特性受节理起伏角的影响显著,随节理起伏角的增大,非贯通节理岩体的峰值剪切强度增大,岩体抗剪强度增大。

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泥水平衡盾构中海水泥浆性质试验研究

杨振兴, 孙振川, 游永锋, 吕乾乾, 陈瑞祥

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 359-365.

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采用泥水平衡式盾构开挖海底隧道,考虑地层富含海水,泥水仓泥浆可采用海水泥浆和淡水泥浆。利用海水配制泥浆可以大大降低施工成本,但海水富含的离子成分引起海水泥浆性质降低。为明确海水泥浆性质与不同影响因素的定量关系,笔者开展了不同膨润土类型、膨润土含量、不同海水掺入量及静置时间对海水泥浆性质的影响试验,认为:海水离子对海水泥浆的黏度和胶体率的影响巨大,分析不同影响因素对泥浆性质指标的影响规律,提出了膨润土与海水离子的中和作用关系,采取增加膨润土而改善海水泥浆性质的措施并不经济;同时,采用海水泥浆时不可停止泥浆搅拌与循环,防止海水泥浆离析。研究成果明确了海水泥浆性质与不同影响因素的定量关系,对于泥水平衡盾构采用海水泥浆的认知与配制具有重要的指导作用。

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成浆方式不同盾尾浆液的压缩与强度特性试验

武亚军, 方敬奇, 张孟喜, 凌宇峰

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 366-372.

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盾尾同步注浆对控制地面沉降和隧道上浮起着关键作用,采用压缩试验、直剪试验、单轴抗压强度试验,对不同成浆方式形成的自制浆和商品浆在不同龄期、不同养护条件的压缩特性、剪切强度特性和单轴抗压强度特性进行了室内试验研究,研究结果表明:商品浆在3d内的压缩模量和抗压强度比自制浆小,在后期,商品浆的抗压强度比自制浆大,商品浆的抗剪强度比自制浆大;商品浆和自制浆的压缩模量、粘聚力、内摩擦角和单轴抗压强度都随时间呈增加趋势,其中浆液的压缩模量和单轴抗压强度增加的较快,粘聚力和内摩擦角增加的较慢;干养浆液要比湿养浆液的强度增长的快,同时更难被压缩;特定压力越大,浆液的压缩量越大,浆液的压缩模量越大,越难被压缩,浆液压缩量与特定压力是成类似对数关系。研究结论不仅对于理论计算中浆液参数的选择具有参考价值,而且对于盾构同步注浆中浆液的选择更具有实际工程意义。

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非饱和砂质黏性紫色土一维渗透特性试验研究

李达, 汪时机, 李贤, 毛新, 曹挺

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 373-380.

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利用土体瞬时渗透特性测试仪,对重庆非饱和砂质黏性紫色土进行一维土柱垂直渗透试验。模拟不同降雨条件(5 mm/h、15 mm/h、30 mm/h)下,其入渗率、累积入渗量、浸润峰、体积含水率和吸力等随时间的变化规律;分析得到其渗透特性和持水特性。结果表明:(1)在初始含水率相同的情况下,降雨强度越大,初期入渗率越大;土体的入渗率与含水率有关,含水率越低的土体,其入渗率越大;(2)不同降雨强度下,水入渗到同一监测点的时间不同;且降雨强度越大时,含水率增大到某一稳定值的数值也越大;(3)降雨强度并不会影响土体的饱和渗透系数和持水性能。从试验规律可知非饱和砂质黏性紫色土的体积含水率θ与渗透系数的对数lgk之间存在线性关系,拟合的线性方程,可应用于相应紫色土地区土体的非饱和渗流分析。

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基于摄影法的红黏土裂隙试验研究

熊俊豪, 刘宝臣, 刘磊, 颜荣涛, 张炳晖

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 381-377.

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准确提取红黏土裂隙特征,有助于进一步研究裂隙对红黏土工程性质的影响。本文以桂林红黏土试样为试验研究对象,获取红黏土表面裂隙数字图像后,通过比对不同方法,发现直方图阈值法适用于红黏土的裂隙图像分割。通过去除杂点、填充细小孔洞,将裂隙数字图像转化为二值图像,最后进行骨骼化和消刺处理,可得裂隙骨骼图像。研究发现试样在第5次干湿循环后裂隙发育均已趋稳定;初始含水率为25%的试样在干湿循环作用下发育出线状裂隙;初始含水率为28%的试样则发育出网状裂隙;干湿循环次数与裂隙率和裂隙总长度具有良好的相关性,可用二次函数拟合。

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行星式椭圆形顶管机直接切削管片试验研究

袁一翔, 庄欠伟, 张弛

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 388-394.

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针对宁波地铁联络通道的施工需要,选用了行星式椭圆形顶管试验机,并安装上十字刀对C40陶粒混凝土管片进行切削试验,分析了切削管片的效果、切削参数特征、刀具损伤等,试验发现在短时间内的切削过程中十字刀就已磨损严重。随后又设计了一种新型切削刀具,将其安装于行星式椭圆形顶管试验机进行试验,并对其进行同样的分析,试验发现新型切削刀具对C40陶粒混凝土切削性能良好但刀座出现磨损,针对出现的磨损问题,对刀具进行改造,将新型刀具刀头安装在一个可自旋的刀座上改造成一把可自旋转的刀具。研究结果表明:十字刀并不适用于C40陶粒混凝土管片的切削;新型刀具三齿复合片刀头的切削性能良好但未改进前刀座磨损严重的情况;加入自旋刀座改进后,切削性能进一步加强且磨损较小,改进后的刀具能适用于C40陶粒混凝土管片的切削。

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长江口软土的次固结特性试验研究及应用

秦爱芳, 赵忠义, 孙德安, 林哲鑫

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 395-405.

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对长江口淤泥质软土进行一系列固结实验,研究了荷载、超固结比、土性指标等对软土次固结系数的影响,得出了该区域软土的次固结特性及不同土层的次固结系数。试验结果表明:次固结系数与荷载有关,且随着荷载的增大先增大后减小,最后趋于平稳;次固结系数与最大固结压力有关,且随着超固结比的增大而减小;次固结系数与压缩指数的比值近似为常数0.031;次固结系数与初始孔隙比及初始含水率呈线性关系。提出了一种考虑主次固结同时发生的沉降计算方法,并通过所得次固结系数对横沙围堤进行了沉降预测,与现场监测吻合较好。所提出的计算方法更符合工程实际需要,具有很好的实用价值。试验所得的相关参数及结论对研究长江口软土特性及后期工程的沉降预测具有一定参考意义。

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大尺寸富水卵砾石样冻结状态下的力学特性

胡双平, 叶万军, 张晓峰, 胡智民, 李长清

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 406-411.

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为了探究大尺寸富水卵砾石样冻结状态下单轴抗压强度与冻结温度的关系,以南宁市地铁1号线民族大学—青川站区间联络通道富水卵砾石样为研究对象,自研大尺寸模具制备试样,通过GCTS试验平台对试样进行单轴抗压试验,探究试样强度与冻结温度的相互作用关系。试验结果表明:试样抗压强度随着冻结温度的降低不断增加,试样承载能力不断增强,由2.18 MPa增长到3.1 MPa,试验轴应变随着冻结温度的降低不断减小;冻结状态下,卵砾石试样强度主要受冰的强度、冰卵砾石连接强度以及试样中未冻水含量的影响,在一定范围内,降低冻结温度冰强度增强、冰卵砾石连接强度增强、未冻水含量减小,黏聚力提高,内摩擦角略微增大,造成卵砾石试样随着冻结温度的降低强度不断增强;卵砾石试样达到最大抗压强度时轴应变随着冻结温度的降低不断减小,由7.4%降低到3.2%,表明试样随着冻结温度的降低,脆性增强延性减弱,试样破坏趋向于脆性破坏。

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影响格栅加筋膨胀土拉拔试验的新因素分析

万亮, 杨和平

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 412-419.

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不少学者开展过土中加筋拉拔试验,受测试仪器所限,大多通过改变填土含水率、厚度(上覆法向压力)、类型(粗、细粒土)及拉拔速度等因素来研究对试验结果的影响,除考虑筋材类型(土工格栅、带、网或布)外,对筋土中另一重要影响因素—筋材的初始张拉状态少有研究。本文采用长沙理工大学自行研发的大型数控拉拔试验系统,发挥其尺寸大、双向气囊加载、消除侧壁摩擦等优势,开展膨胀土中格栅加筋拉拔试验,探究筋材尺寸、初始张拉状态、温度、界面残余强度及拉拔方式等新因素对测试值的影响。结果表明:格栅尺寸有一定影响,尤其宽度影响较大;对最大拉拔力而言,格栅应力释放的影响近8.8%;拉拔方式的影响约12.1%;温度的影响为15.9%;残余强度的影响占23.6%。研究结果可供加筋膨胀土工程设计参考。

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土拱效应下的挂板式斜插桩板墙模型试验研究

屈俊童, 段自侠, 雷真, 字晓雷, 屈林河

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 420-430.

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以新型的挂板式斜插桩板墙为研究对象进行室内模型试验研究,通过1∶20的相似理论来模拟实际工程中截面为1.5 mX2.0 m,悬臂段高为15 m的原型斜插桩板墙。模型板长分250 mm、300 mm、350 mm、400 mm、450 mm 5组,用来模拟实际桩间净距为5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 5种工况,结合试验数据具体从桩板后土压力的分布状况;土拱效应强度、位置随桩间净距的变化、土拱强度随深度的变化及结构受力状况随桩间净距的变化等几方面对模型试验进行具体分析。随桩间净距的增大:模型桩、板后土压力均呈现增大趋势,当桩间净距小于300 mm时,回收位置较深;土拱强度减弱速度逐渐加快,当桩间净距小于300 mm时减弱较慢;土拱的位置即拱高逐渐增大,但其拱高位置整体处于约1/2桩间净距处;模型桩的结构受力也不断增大,悬臂段1/3范围以下开始,受力差距逐渐加大;斜插板轴力增大且随悬臂段的增加呈先迅速增加再减小趋势。

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考虑初始应变的成都黏土分数阶导数经验蠕变模型

任鹏, 王鹏, 唐印

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 431-438.

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以成都黏土为研究对象,通过蠕变试验发现黏土变形包括瞬时弹性变形及蠕变变形,蠕变以衰减蠕变和加速蠕变为主,并且在第二级加载后具有显著初始应变。基于分数阶导数理论构建了应变时间的分数阶数学关系,采用双曲线关系构建了应力应变数学关系,并最终建立了考虑初始应变的成都黏土分数阶导数经验蠕变本构模型。通过模型的拟合验证,发现分数阶导数蠕变模型对各组蠕变试验的拟合规律一致,拟合系数均大于0.98,拟合初始应变与蠕变试验数据吻合,分数阶阶数n在前三级加载时均小于1,最后一级加载时大于1,表明在蠕变模型中考虑初始应变参数是有必要的,本文蠕变模型可有效反映成都黏土的非线性蠕变性质。因此,分数阶导数经验蠕变本构模型可有效地描述成都黏土蠕变全过程。

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未穿透覆盖层的自流井渗流模型与解析解

王玉林, 谢康和, 李传勋

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 439-444.

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针对未打穿覆盖层的泉水井抽水引起下卧承压地下水渗流问题建立了数学模型,应用Laplace-Hankel变换及其逆变换求解得到定水头边界条件下承压层水头降的解析解。通过算例分析了承压含水层水头降发展和分布规律以及影响因素,结果表明:阻越流系数对承压含水层的水头降速率和幅度均有明显的影响,阻越流系数越小,承压水头下降的速率和幅度值都越小,且水头降越快达到最大值和稳定流状态;靠近承压含水层顶面水头降最大,随着深度增加而减小,距井越近水头降沿厚度分布越不均匀;承压含水层各向异性对抽水引起的水头降影响较大,K_r/K_v越小承压水头下降的速率和幅度均越大;承压含水层的宽度和厚度均对水头降有很大影响,宽度越大,水头降越明显,而厚度越大,水头降越小。

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不排水桩复合地基非线性固结解析解

陈宙翔, 郭彪, 房锐, 张文波

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 445-450.

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考虑桩土模量比随固结而不断变化,在等应变条件下,通过理论推导,得到了适用于不排水桩复合地基的非线性固结解析解,并进行了地基固结性状分析。结果表明:土体压缩指数与渗透指数比值越小,地基固结越快,当比值等于1时,地基非线性固结解与线性固结解不相等,而是非线性固结度始终小于线性固结解;另一方面,考虑桩土模量比随固结变化情况下地基固结比假设桩土模量比不变情况下固结要慢,并且压缩指数与渗透指数比值越大,桩土初始模量比越大,两者差距越大。因此,对不排水桩复合地基,假设桩土模量比不变高估了地基的固结度,对工程安全不利。

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砂岩单轴压缩破坏全过程声发射主频特征分析

王创业, 常新科, 杜晓娅

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 451-462.

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通过单轴压缩声发射实验获得红砂岩受压破坏全过程的声发射低频、高频信号及力学特征,对获得的信号波形采取小波阈值去噪后提取其主频,基于频谱分析理论,分析了砂岩破坏全过程的主频变化特征和频带能量占比规律。研究结果表明:声发射信号主频值分为10~25 kHz、45~60 kHz、120~135 kHz、140~155 kHz、160~175 kHz密集度明显的5个特征频段,其中45~60 kHz的频段对应着岩石试样发生破坏时的主要破坏模式,高于45~60 kHz的频段和低于45~60 kHz的频段分别对应着微小裂纹的萌生和较大裂隙的形成;主频频率变化特征在岩石变形破坏各阶段表现不同,压密至弹性变形阶段内,较为集中,主要存在于特征频段内,进入微裂隙稳定发展阶段后,分布范围由较为集中朝复杂离散方向转变,裂隙扩展至破坏阶段,在更加离散化的同时又相对集中;岩石临近破裂时,声发射信号主频段更加离散化;声发射信号频带能量主要集中在0~250 kHz,其中46.875~62.5 kHz和234.375~250 kHz频带的能量占比随荷载的增加,分别减小与增大。

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加载速率对煤样破坏力学及声发射特征研究

高保彬, 钱亚楠, 吕蓬勃

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 463-474.

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为了研究煤体破坏的加载速率效应,分别从煤岩力学性质、声发射特性和数值模拟角度进行了分析。采用RMT-150 C型岩石力学试验机构成的煤样单轴压缩实验系统,结合DS5型全信息声发射信号分析仪,研究了不同加载速率下煤样力学指标和声发射指标的演化规律,研究结果表明:加载速率由0.2 mm/s降到0.000 2 mm/s,煤样的抗压强度降低了58.7%,弹性模量降低了68.7%;声发射峰值计数降低了71.5%,声发射峰值能量降低了52.3%,声发射累计计数和累计能量却有所升高。从数值模拟结果分析:加载速率由0.2 mm/s降低到0.000 2 mm/s,声发射峰值计数降低了75.8%,声发射峰值能量降低了60.9%;声发射累计计数和累计能量均有所升高;煤样的抗压强度和弹性模量分别降低了62.3%和69.1%。数值模拟结果与实验结果规律相一致。

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冲击荷载作用下灰岩的能量耗散及损伤演化规律研究

方正峰, 邹飞, 唐旭

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 475-483.

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利用改进后的直径50 mm的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对灰岩试件施加不同加载速率的冲击压缩试验,分析了试验中灰岩试件的能量耗散特征;通过基于Weibull分布的动态统计损伤理论并结合试验曲线分析了灰岩的损伤演化规律,并探讨了最大损伤变量与能量耗散密度的关系。研究结果表明:透射、吸收、反射能量受入射能量的影响显著,并且透射能的相关性最显著;能量耗散密度随应变率的增加而显著增加,呈现较好的线性正比关系,能量耗散密度为零时的临界应变率为62.56 s^-1;动态抗压强度与应变率呈指数函数关系;灰岩试件的能量吸收率随应变率的提高而显著减小。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线较为一致,损伤变量D随应变的增加而逐渐增加,在应力应变曲线峰值处,损伤变量D存在一个明显的拐点,损伤在此处开始急剧增大;灰岩的最大损伤变量D_max与能量耗散密度呈较强的对数函数关系,存在D_max为零时的临界能量耗散密度值。

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花岗岩残积土抗剪强度指标取值影响的研究

李静荣, 赵占仑, 曾令浓, 汤连生

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 484-492.

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实际工程中花岗岩残积土抗剪强度指标的取值存在较大不确定性,主要受取样过程的扰动以及试验条件差异的影响。通过控制土样采取方法、采样器规格以及试验加载级数等条件,笔者系统开展了花岗岩残积土直剪试验及原位直剪试验,对比试验结果后发现,重锤少击法比回旋钻进法对原状试样扰动更小;较大直径的取土器比较小直径的取土器对土样扰动更小。同时也研究了不同加载级数对花岗岩残积土原位直试验以及室内直剪试验抗剪强度指标取值的影响,发现随着加载级数的增加,花岗岩残积土的粘聚力随之增加,而内摩擦角随之减小。最后,根据试验研究结果提出了工程实际中花岗岩残积土抗剪强度指标取值的建议方法。

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巷道开挖面抗剪承载结构形成和蠕变规律研究

彭瑞, 欧阳振华, 朱建明, 赵启峰, 刘金海

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 493-501.

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为掌握深部软岩巷道应力承载结构的形成机理和发生剪切蠕变失效规律,通过研究巷道抗剪力学承载结构划分方法和形成特征,掌握该承载结构的空间效应和蠕变效应。以开挖面附近围岩为研究对象,利用工程实测开挖面附近不同区段围岩应力场和裂隙场分布规律,探讨空间效应影响下围岩抗剪承载结构形成机制;通过理论分析方法,基于统一强度准则和岩石三线段力学模型,获得开挖后软岩巷道次生应力场、位移场的定量解析式,推导“弹塑性”位移释放后围岩蠕变定量解析解。由算例结果可知,不同区段围岩承载结构演化规律受空间效应影响较大。最后,根据围岩抗剪承载结构蠕变失效特征,提出动态补强支护方案。

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横向荷载作用下扩底桩弯曲破坏性状分析

孔娟

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 502-507.

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扩底桩因其承载能力强而越来越多地应用于工程实践中,对扩底桩的研究多集中在竖向荷载作用下的工作性状研究,承受横向荷载作用的扩底桩受力性能研究较少。对大尺寸、承载力强的扩底桩开展原型破坏试验非常困难,而模型试验可以在有限试验条件下模拟原型试验的真实试验过程。本文通过对扩底桩进行横向逐级加载模型试验,得到扩底桩在横向加载作用下桩顶位移、桩身应力、桩侧土抗力、桩底土压力的变化规律以及弯曲破坏时桩体的破坏形态,并对其承载性能进行分析和总结。模型试验得到的扩底桩在横向受荷作用下呈现的承载性能规律和破坏形式可以为今后扩底桩的横向受力机理研究和应用提供依据和参考。

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环向螺栓锈蚀对盾构隧道承载性能的影响

殷剑光, 金浩, 宫全美, 周顺华

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 508-515.

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针对管片环向螺栓受水、杂散电流等锈蚀作用,引起盾构隧道结构承载性能下降的问题,通过建立能够体现环向螺栓锈蚀的三维盾构隧道精细化有限元模型,探讨了0%、3%、5%、10% 4种锈蚀率下,盾构隧道结构的收敛变形、纵缝张开、螺栓应力等变化规律。研究结果表明:(1)随螺栓锈蚀加深,盾构隧道结构收敛变形与纵缝张开均明显增加,其中,拱腰处纵缝张开受高锈蚀率(10%)影响最为显著,相比于未锈蚀,张开量增加接近一倍;(2)拱顶和拱底螺栓随锈蚀率增加,其屈服前应力水平提高并更早进入屈服阶段;(3)拱腰螺栓随锈蚀率增加,其全过程中应力水平均有所提高。

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含裂纹试件双轴压缩裂纹扩展数值模拟研究

米文静

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 516-523.

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为研究内水压作用下的岩石内部裂纹扩展规律,利用围线积分计算裂纹在水压及单、双轴压力下的裂纹扩展特性,并与现有的试验结果进行了对比。研究结果表明:单、双裂纹首先在裂纹的尖端生成“翼形裂纹”,水力压裂因子越大,单裂纹翼裂纹与原预制裂纹的夹角越小;水力压裂因子越大,监测点的裂纹扩展速率越快,对于单裂纹而言,断口处的扩展速率要高于长轴,对于双裂纹试样,裂纹内侧的扩展速率则要大于外侧;水力压裂因子越大,1、2、3型应力强度因子也越大。研究成果为认识水压力以及双轴应力下的单、双内裂纹扩展机理提供了一定的参考。

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基于机器视觉的高铁隧道衬砌裂缝骨架拐点识别

王睿, 漆泰岳, 万宇, 于海莹

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 524-530.

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裂缝作为隧道工程衬砌结构中最为普遍的缺陷,具有不断生长延展的特性。以单裂缝为研究主题,采用基于机器视觉的检测系统对同一裂缝不同时期的高效识别可掌握病害发展状况并制定相应的整改措施。因此本文基于裂缝本身特征研究,提出一种裂缝骨架拐点识别的方法。采用改进的八方向Freeman链码技术,在对可疑拐点进行初步识别后,进行伪拐点剔除,得到真实拐点位置。试验证明,针对不同形态的裂缝图像,该算法具有良好的适应性,拐点剔除率达82%～96%,保留了真实有效的拐点。所提取的拐点前后线段长度比值及拐角作为裂缝特征,具有“基因”属性,该特征可用于匹配原始裂缝和延展裂缝,实现对同一裂缝不同时间点的精确定位。

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基于等摩擦耗能的滚刀多目标优化布局

乔金丽, 孟秋杰, 刘建琴, 徐源浩, 薛桂香

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 531-539.

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基于接触力学理论建立了滚刀摩擦耗能数学模型,对影响摩擦耗能的主要参数进行了显著性分析。以滚刀摩擦耗能差异最小为原则,通过遗传算法对原刀盘极径、极角以及滚刀半径选型建立优化模型。以TB880E刀盘为实例,研究表明:优化边缘滚刀刀间倾角后,摩擦耗能标准差降低88.78%;优化中心滚刀刀间距后,摩擦耗能标准差降低4.15%;重选边缘滚刀半径后摩擦耗能标准差降低16.4%;极角优化后径向不平衡力降低28.22%;倾覆力矩降为10.33 N·m。该研究可用于刀盘的布置设计及滚刀半径选型,对减少滚刀磨损量差异和提高掘进效率具有重大意义。

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基于DTS的土体分布式导热系数测试方法

桑宏伟, 张春光, 刘洋, 张丹

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 540-546.

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土体导热系数的确定对地源热泵的优化设计起着至关重要的作用。为了获得更精细的土体导热系数,在常规热响应试验的基础上,引入分布式光纤测温系统(DTS),对换热孔的温度进行分布式测量,得到孔内竖直方向岩土初始地温分布和在热响应试验过程中换热孔温度分布及其随时间的变化情况,通过与热电阻温度传感器的对比,验证了DTS测温的准确性。在线热源传热模型的基础上,建立了以换热孔为线热源的传热模型。分别进行了双U型管和单U型管恒热流热响应测试,根据DTS监测的温度分布及其变化,得到了土体导热系数随深度的分布。与综合导热系数相比,分布式导热系数不仅精度满足要求,而且可以更精细地反映土体导热系数分布的不均匀性,对于地源热泵的优化设计和换热能力的评价具有重要的意义。

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不同均质度的粘土劈裂注浆特性及效果分析

唐亚周, 雷进生, 马波, 戴康, 李申

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 547-554.

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注浆工程属于隐蔽工程,劈裂注浆后土层的压密效果和浆液的扩散范围不能直观地进行评价。土体是一种非均质性材料,土体的均质度是影响劈裂注浆效果的重要因素。基于Weibull分布模型构建具有不同均质度的粘土层,考虑粘土层不同均质度变化的影响,通过RFPA软件进行劈裂注浆数值模拟,得到了不同均质度下的起始劈裂压力值、最小主应力图、最大主应力图、剪应力图、浆液压力图和劈裂效果图。利用图像分割技术,得到不同均质度条件下粘土注浆劈裂的裂隙率和扩散范围,从而评价土体劈裂注浆的加固效果。结果表明,劈裂注浆加固后的土体压密效果随着均质度的增大而增大,浆液的扩散效果随着均质度的增大先增大后减小。

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基于现场监测统计的隧道围岩压力特征分析

梁庆国, 房军, 贺谱

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 555-566.

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利用现场监测结果反分析隧道结构受力特性已逐渐成为隧道动态施工和稳定性评价最常用的方法之一;在总结隧道受力分析发展历程的基础上,通过对近20年来39座隧道71个监测断面围岩压力的统计分析,研究隧道围岩压力的总体分布特征及其与隧道岩性、施工方法、隧道埋深、隧道跨度等因素的关系,讨论隧道支护结构的受力规律及围岩压力的时空分布特征;总体而言,围岩压力值分布范围大致为15~600 kPa;围岩压力随隧道埋深增大而增大,埋深越大,围岩压力分布越离散;且围岩压力沿洞周呈拱肩→拱腰→拱顶→拱脚→仰拱逐渐减小的分布规律;围岩压力有明显的时间效应,一般在隧道开挖后40天左右趋于稳定。研究结论可作为完善隧道结构支护方法及分析围岩压力作用机制的参考。

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基于两种DIC方法的含孔洞土样变形破坏观测

王学滨, 张博闻, 董伟, 侯文腾

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 567-576.

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正确认识不同数字图像相关(DIC)方法的应变计算结果的差异有助于该方法的正确使用。岩土材料变形破坏过程中应变场的准确测量对于正确认识岩土材料的变形破坏机理具有重要的意义。利用自主研制的平面应变模型加载及观测系统,在垂直方向位移控制加载条件下开展了平面应变含孔洞土样(受内压和侧压作用)变形破坏过程实验研究。利用两种DIC方法(即中心差分方法和局部位移场最小二乘拟合方法)计算了应变场。与此同时,还根据清晰剪切带所处位置布置了曲折测线,并在其两侧布置了平直测线,详细地比较了两种DIC方法的应变计算结果的差异。发现了下列结果:随着纵向应变的增加,含孔洞土样最大剪切应变的分布由均匀分布向不均匀分布转化,并最终导致含孔洞土样发生贯穿土样的剪切破坏;2条平直测线上最大剪切应变不相等,剪切带内变形程度大于带外。利用局部位移场最小二乘拟合方法能较好地获得含孔洞土样孔洞表面附近的应变,当计算窗口=5×5个点时,应变更准确、平滑性更好,而利用中心差分方法获得的应变误差较大,且无法获得土样孔洞表面附近的应变。

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超大直径空心变阶桩沉降算法研究及应用实例

刘豆, 耿大新, 胡文韬, 上官兴, 徐长节

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 577-582.

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本文研究了超大直径空心变阶桩的沉降计算方法。基于弹性半空间Mindlin 解,通过考虑由桩侧摩擦力,桩身变阶处环状带的反力以及桩底反力三者共同作用引起的沉降,建立了超大直径空心变阶桩的沉降计算方法,将其与吉衡铁路深圳大桥超大直径空心变阶桩的沉降监测数据进行对比验证,结果表明:由理论方法计算得到的超大直径空心变阶桩的沉降值与实际监测数据吻合较好。在此基础上总结得到超大直径空心变阶桩桩周土应力扩散角g近似等于土体内摩擦角,应力扩散区域内的土体随着桩身一起发生沉降,并且桩周土的沉降分布近似呈对数形式,沉降值随沉降计算点距桩截面中心距离的增大而减小。

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基于全息变形监测的隧道支护评估体系研究

李涛, 仇文革, 程云建, 李斌

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 583-590.

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针对传统隧道监控量测存在的问题,引入三维激光扫描进行全息变形监测,无需标靶埋设,整体与局部变形一览无遗,克服了传统有限断面有限点监测的局限性,真实再现了隧道施工现场,完全避免了数据造假的可能。并据此构建了基于全息变形监测的隧道支护评估体系,即变形加速度管安全、累计变形管限界及经济,达到了安全与经济统一量化评估,避免了传统监测数据假安全及数据有限无法经济性评估的可能。工程应用表明,其具有明显的优势,可普遍应用于隧道。

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基于经验方法的铁矿深井围岩岩爆倾向性预测

朱永生, 李振, 梁久正

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 591-598.

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岩爆是深埋工程建设面临的关键技术难题,岩爆风险的准确预测与评估至关重要。深埋矿山岩爆风险主要取决于围岩应力水平和围岩强度之间的矛盾,岩体条件(岩性、岩石强度、岩体完整程度)是岩爆发生的物质基础,是否产生岩爆和岩爆风险程度则主要取决于围岩应力水平和状态。某铁矿深井巷道群规模大、布置方案复杂,最大埋深达到接近2 300 m,文中采用FLAC^3D软件平台编制了基于经验方法的通用性岩爆倾向性预测分析程序,评估了不同深度铁矿深井巷道群围岩的应力型破坏风险,并给出支护措施建议。研究所采用的分析技术和成果在国内具有一定首创性,特别适用于满足工程前期对地下洞室群围岩岩爆风险实现快速评估的现实需求。

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节理特性对顺层隧道破坏模式及稳定影响分析

何长江, 冯君, 江南, 张俞峰, 黄林

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 599-607.

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顺层隧道的破坏模式及稳定性与岩体节理特性密切相关。建立顺层隧道的节理岩体模型,采用有限元强度折减法,研究了当顺层隧道围岩为硬质岩层、硬质岩软质岩互层时,节理倾角变化以及节理间距变化对隧道破坏模式及稳定性的影响。结果表明,顺层隧道开挖后,顺层面方向围岩会顺着节理面滑移,垂直层面方向围岩会产生弯曲折断破坏。当节理倾角变化时,两个方向的破坏程度和破坏范围会随之发生变化,从而影响隧道的安全系数,倾角40°时安全系数达到峰值。当隧道围岩为硬质岩层时,节理倾角的变化对隧道围岩的破坏模式影响较小,当隧道围岩为硬软互层时,随着节理倾角的增大,软质岩顺着节理面滑移的可能性大大增加。当节理间距增大时,隧道围岩宏观力学性质逐渐趋向于岩石,安全系数逐渐增大。研究成果对于合理设计顺层隧道的支护措施具有指导意义。

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冲击载荷下新型炮眼堵塞器的力学特征研究

杨东辉, 宁掌玄, 赵毅鑫, 罗化峰, 吕兆恒

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 608-614.

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针对煤矿井下炮眼堵塞大量采用粘土炮泥存在运输量大、装填费时以及劳动强度大等问题,开发研制出一套堵塞密实、装填快捷、运输方便的新型炮眼堵塞器。利用电液伺服试验机和改进SHPB试验系统分别对堵塞器和粘土炮泥进行静载、冲击试验,检验其堵塞效果。结果表明:堵塞器和粘土炮泥在静载条件下的峰值荷载分别为18.8 kN、4.3 kN,与粘土炮泥相比,堵塞器提高了340%;在相同冲击入射能条件下,采用堵塞器比粘土炮泥压缩变形量减小22%～66%,在孔内运动时间延长14%～63%。研究结果表明,该堵塞器能够实现多级压紧缓冲胀裂,改善炮眼堵塞效果,为炮孔爆破堵塞提供了一种新方法。

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含滑移界面复合式衬砌隧道地震响应边界元模拟

刘中宪, 李楠, 黄磊

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 615-628.

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采用一种高精度间接边界元方法(IBEM),求解了平面P、SV波入射下“围岩-减震层-浅埋衬砌隧道”体系地震响应及动应力集中效应。引入接触-滑移界面模型,模拟复合式隧道衬砌与围岩之间接触状态。结果表明: 总体上看,随着界面滑移刚度因子增大,衬砌内壁动应力集中因子(DSCF)增大,无滑移状态下应力放大更为显著;SV波入射下,衬砌外壁DSCF则随滑移刚度因子增大而减小;P波垂直入射下,低频情况在隧道左右两端动应力集中十分显著,高频时则在隧道下部应力更为集中。另外,减震层的存在可有效降低衬砌动应力集中效应,随着入射频率增加,减震效果越好,隧道衬砌受力更为均匀;适当降低减震层弹性模量和加大减震层厚度,可取得更好的减震效果。

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火源高度对隧道烟气温度及质量流量影响研究

陶亮亮, 周小涵, 王浩然, 曾艳华

地下空间与工程学报. 2020, 16(2): 629-636.

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由于隧道发生火灾后实际的燃烧面要高于隧道地面,距离隧道拱顶也越近,因此对隧道的危害也越大。通过CFD数值模拟软件进行了一系列不同火源功率的全尺寸数值计算,研究了火源高度对隧道内温度分布及烟气质量流量的影响。研究发现:火源高度对拱顶温度分布有着明显的影响,火源高度越高,火源附近温度衰减越慢;在远离火源的地方,不同火源高度的拱顶温度衰减相差不大,考虑火源高度后拱顶温度衰减略慢于没有考虑火源高度。火源高度及火源功率对一维蔓延阶段的烟气质量流量有影响,考虑火源高度后烟气质量流量要明显小于火源位于隧道地面的情形,但随着火源功率增大,它们之间的区别越来越小。考虑火源高度后相同火源功率下烟气分层高度显著提高,而人体耐受温度位置变化不大。

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