地下空间与工程学报

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陈湘生, 徐雅洁, 白雪, 储凯锋

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 1-11.

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在土地资源紧张的条件下,地下空间的开发利用是未来居住区建设的必然趋势,进行立体式小区规划将会成为今后“节能省地”的重点。文章结合国内居住区地下空间开发中所存在的问题,分别从空间结构、空间功能和空间形态3个层面对高密度居住区地下空间开发利用模式进行系统的研究。分析了各类功能空间及服务设施于居住区地下空间的适建性,提出了居住区地下空间的形态布局模式、规划基本结构形式,及特色主题开发模式等。最后从居住区地上地下空间协同发展、居住区地下空间相互关联和居住区地下空间可持续开发利用三方面总结了居住区地下空间的综合开发策略,探索适用于未来高密度城市居住区地下空间的规划与开发。

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地下空间开发利用适宜性评价——以武汉长江新城为例

熊峰, 李翔, 刘梦林, 庞设典, 官善友

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 12-19.

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开发利用城市地下空间应充分考量其适宜性。本文以武汉长江新城为例,先提出了“适宜性=资源质量×开发需求”的适宜性评价模型,在此基础上分别介绍了地下空间资源质量和开发需求的评价方法以及指标体系;然后,结合长江新城多要素城市地质调查和总体规划的成果,开展了地下空间资源质量、开发需求和开发利用适宜性评价,得到了相应的分层评价分区图;最后,对评价结果进行分析,阐述了长江新城地下空间资源质量、开发需求及适宜性特征并提出了开发利用建议。研究成果不仅可以有效地服务于长江新城地下空间规划建设,而且建立了完整的地下空间开发利用适宜性评价体系,具有重要的理论和实践指导意义。

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大型铁路客站站域空间步行网络构建研究

桂汪洋, 张旭

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 20-27.

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新时期我国对新型客站的巨大投入,其目标不是一个自我满足的一站式服务的交通枢纽,而是期望其作为城市触媒带动其周边城市片区的协同发展,这需要客站与城市空间的有机衔接和互动,步行网络的构建是影响站城融合的关键要素。本文基于我国站域空间活力提升的需求,通过国内外站域案例的比较,剖析步行网络与站域空间发展的互馈机制,探讨点块、点轴和点网3种站域步行系统结构模式的特征,分析了站域肌理、土地利用、开发强度、功能空间和交通规划5种步行网络建构要素,并在此基础上提出了性能化设计、分层分流、链接成网、资源链接、统一规划5种优化策略,可促进站域步行网络的建构,提升站域活力,实现站域协同发展和客站的可持续建设。

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特大暴雨城市地下空间防灾体系构建的思考

王龑, 刘新荣, 周小涵, 郭雪岩

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 28-34.

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地下空间灾害防控是建设防灾型城市的基础。通过分析河南罕见暴雨诱发地下空间内涝特点,研究城市地下空间致灾因素,提出了相关防控体系构想。首先总结河南特大暴雨和灾情特征,从水文地质条件、地形地貌及城市地下空间排水防涝系统等方面探讨罕见汛期城市地下空间的主要致灾因素;随后从极端天气下地下空间致灾风险评估、灾害防控规划及灾后城市恢复规划等方面提出特大暴雨下城市地下空间灾害防控体系构建方略;最后针对城市地下空间面临的复杂多样性挑战,从生态型城市地下空间规划、科学地下空间防控体系构建及完善地下空间灾害应急救援措施方面阐述构建未来城市地下空间的思考。

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论城市地下空间资源评价:现状与未来

吴立新, 刘帝旭, 杨洋, 苏晶文, 程光华

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 35-49.

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地下空间资源(USR)是一种新型国土资源,兼备资源、环境的双重属性。而城市地下空间资源(UUSR)则是现代城市生存与发展的重要资源与载体,极其宝贵、十分敏感且不可逆,其开发利用务必科学有序、合理统筹。UUSR评价是其开发利用、国土空间用途统一管制及城市立体规划的基础和前提。本文分析了土地及矿产资源评价、地下水资源影响评价与UUSR评价的异同,从7个方面论述了UUSR评价的国内外研究进展与不足,讨论了加强UUSR评价研究及其内涵建设的重要性。本文还论述了UUSR的3个关键科学问题—UUSR评价元素的多尺度效应、UUSR与开发利用的互馈机制、UUSR评价元素的动态响应,探讨了UUSR评价的主要研究内容,提出了5个方面的未来趋势。初步提出了建立地下空间资源学(SUSR)的设想,给出了SUSR的初步定义,并构建了其基本框架与研究范式。

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软岩的损伤西原流变模型及FLAC^3D实现

王桂林, 陈瑶, 何晓樟

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 50-56.

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流变是工程软岩岩体的一个重要特性。流变过程中,岩体参数随时间发生损伤衰减。作为常用的本构模型之一,西原流变模型能较为综合地反映岩体弹-黏弹-黏塑性流变性质,但其元件各参数通常假定为常数,对加速蠕变阶段的岩体状态描述不够准确,与实际出入较大。基于西原模型,结合由损伤导致的参数衰减,提出了考虑损伤的西原流变模型及结合三轴压缩试验确定损伤阈值的方法,并进行了FLAC^3D自定义本构模型二次开发。用本模型对已有文献中的三轴试验进行数值模拟,得到的结果与原试验对比,结果表明:考虑损伤的西原流变模型与实际情况较为吻合;实验加载曲线中体积应变有明显拐点,之后损伤急剧增大,可确定为损伤阈值。

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页岩混合气纳米孔多传输机理耦合数学模型

赵可英

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 57-64.

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在原始气层条件下,页岩气的气体组成往往含有一系列杂质气体。此外,二氧化碳等气体常被注入气层提高页岩气井产能。本文以页岩基质微纳米孔道中的混合气体传输特征为研究对象,考虑体相气体扩散传输机理,建立了页岩气纳米孔混合气传输模型。以甲烷和二氧化碳混合气为例,研究了不同二氧化碳含量条件下,混合气的流动特征。研究表明:(a)克努森数随着混合气中甲烷质量分数的下降而增大,且修正的滑脱流动传导率和克努森扩散传导率均下降;(b)在中等压力条件下(1 MPa),修正的滑脱流动和克努森扩散对页岩气传输的贡献程度具有可比性;(c)随着页岩气层压力的升高,修正的滑脱流动对总气体传输的贡献增大;(d)在全压力和孔隙半径条件下,混合气体效应对修正的滑脱流动和克努森扩散对总气体传输量的贡献可以忽略。

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平面三向应力场中隧洞位移解及变化规律研究

安学旭, 胡志平, 马甲宽, 张永辉, 李芳涛

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 65-74.

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为了揭示复杂应力场中隧洞围岩位移变化规律,基于平面三向应力场中圆形隧洞析解理论,推导了平面三向应力场中隧洞围岩位移解析解,并通过Matlab软件编程,研究了围岩位移随应力场环境的变化规律。结果表明:平面三向应力场中各因素对塑性区半径的影响规律与双向应力场中相似;平面三向应力场中当应力场比例系数λ₁ =1.0,λ₂从1.0增到3.6或降至0.35时,隧洞围岩位移呈现竖向细腰葫芦形→类蝶形→非对称蝶形的变化规律;此外,与双向应力场相比,平面三向应力场中隧洞围岩位移不再局限于拱肩和拱脚部位,且不同方位围岩位移显著不同。研究结果直观地诠释了隧洞围岩位移随应力场的变化规律,可为类似工程灾变防治提供借鉴。

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竖向分层非饱和土主动土压力的计算与分析

巨永前, 夏琼

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 75-82.

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为了减小经典库仑土压力理论与实际工程中竖向分层土压力之间的误差,在传统库仑土压力理论和有限土压力理论的基础上,考虑了非饱和土的强度特性,建立了挡土墙后竖向分层填土的静力学平衡关系,得到了竖向分层填土的主动土压力的计算公式。通过与现有理论对比分析,验证了本文理论的正确性。分别分析了填土性质参数及挡土结构几何参数对土压力的影响规律。研究结果表明:竖向土层的不同对主动土压力计算结果影响较大,竖向分层非饱和填土主动土压力随有效黏聚力、有效内摩擦角和基质吸力的增大而减小,随墙背倾角及填土表面倾角的增大均呈增大趋势;靠近墙背侧填土抗剪强度指标变化对主动土压力的影响更明显。

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隧道爆破下底部脱空埋地输气管道的动力响应

郑爽英, 张继春

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 83-91.

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以下穿兰成渝输气管道的仙女岩隧道爆破为背景,建立包括管道脱空区在内的隧道爆破三维动力有限元模型,研究爆破地震波引起的不同脱空长度下埋地输气管道的动力响应规律。结果表明:埋地管道下部脱空时,爆破振动作用下管道底部的振速峰值和位移峰值均大于管道顶部,且二者沿管道轴线以脱空中心为对称点呈逐渐减小的趋势;随着脱空长度增大,管道最大振速呈较慢的降低趋势,但最大振动位移却呈较快的增大趋势;爆破振动下管道有效应力峰值和最大主应力峰值出现在脱空中心附近的管道底部,且两者均随管道纵向脱空长度的增大几乎呈线性增大;在管道内压6 MPa及隧道埋深40 m、单段最大装药量17 kg的爆破振动作用下,脱空长度为5 m时爆破振动对管道安全不构成影响,当长输天然气管道在10~12 MPa的高压运行时,爆破振动会降低管道的安全储备。

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深挖路堑下伏隧道锚围岩承载特性研究

王向平

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 92-101.

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针对油溪长江大桥北岸开挖路堑下伏隧道锚的特定工程地质背景,为研究该浅埋隧道锚围岩承载特性,通过围岩地质与力学特性评价、工程经验模型预测、有限差分数值模拟和现场模型试验验证的综合研究方法,对隧道锚围岩的变形承载特性开展了系统研究。研究结果表明:工程经验模型预测的承载力结果最低,为10.2倍设计荷载;模型试验加载获得的极限承载力结果达到18倍设计荷载;数值模拟计算得到的承载力结果为11倍设计荷载,与模型试验加载得到的承载力屈服强度结果一致。3种方法综合说明了该隧道锚围岩承载力满足规范对围岩稳定安全系数的要求,且具有一定的优化空间,研究方法及成果可为类似地质条件下的桥梁隧道锚建设提供借鉴。

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基于仿真数据的三点弯曲峰值荷载预测方法

李立, 周雷, 钱紫燕

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 102-111.

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三点弯曲试验是广泛采用的抗拉强度参数测试方法之一。通过数值模拟分析发现,岩石三点弯曲峰值荷载与预制裂缝倾角等人为可控因素和杨氏模量、抗拉强度等岩石物性因素都具有正相关关系,而与预制裂缝长度呈现出负相关关系。由于影响因素众多且物理实验工作量大,难以建立多因素数学拟合模型,因此目前尚未有针对峰值荷载的普遍可行的预测方法。基于此,提出在数值模拟的基础上生成大量仿真数据,建立并训练人工神经网络模型,对含预制裂缝岩石三点弯曲试验峰值荷载进行预测。研究表明,基于仿真数据的含预制裂缝岩石三点弯曲峰值荷载神经网络预测模型对于已知数据具有很好的预测性能,并且对于未知数据具有良好的泛化能力和外推能力。

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破碎围岩无机材料注浆加固机理及其应用研究

王晓蕾, 熊祖强, 袁印, 李玲

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 112-119.

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巷道开挖后,围岩受采动影响及矿压作用而发生破坏,破碎的围岩严重威胁煤矿安全生产,注浆加固是消除威胁的有效手段。采用最优配比试验优选出新型无机注浆材料最佳配比,对新型注浆材料注浆加固机理和固结特性以及流动时间进行了研究,并对新型注浆材料现场加固进行了应用分析,研究结果表明:煤体表面孔隙被絮状凝胶和水化产物充填,提高了界面胶结强度,增强了完整性与致密性;固结煤抗压强度较高,当养护8 h时可以达到13.1 MPa;浆液能够均匀分布在石子、河沙之间,三者粘结在一起,起到加固作用;注浆加固段巷道变形量整体小于未注浆加固段,注入新型无机注浆材料后提高了煤体承载力,对于保持巷道稳定性具有较好效果。

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含孔洞型缺陷砂岩真三轴力学特性研究

李正一, 吴斐, 姜德义, 肖繁, 刘伟

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 120-128.

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为深入认识深部含缺陷型岩石的力学行为与破坏特征,利用砂岩材料加工为不同孔径、不同孔数的立方体试样(50 mm×50 mm×100 mm),并利用GCTS RTX-3000岩石三轴仪对含孔洞型缺陷砂岩试件开展了真三轴试验,侧向应力加载到一定值后保持不变,最大主应力继续加载直至试件破坏,探究Mogi-Coulomb强度准则是否能用来描述含缺陷岩样的强度特征。试验结果表明:孔洞存在造成试件的力学参数劣化明显,试件会提前进入塑性屈服阶段,峰值强度下降明显;在加载初期,侧向应变增长速度随孔径、孔数增加而增加,而后趋于平缓,同时双孔洞、三孔洞条件下,试件扩容现象不明显;试件破坏以剪切破坏为主,单孔洞裂缝呈大“X”状延伸贯通整个试件,双孔洞为“N”状裂缝,但三孔洞条件下,孔洞周围的应力集中区形成应力屏蔽区,出现孔洞效应。

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岩石变形与渗透率演化关系研究

张蕊, 严磊, 钱自卫, 孙希望, 刘伟

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 129-135.

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针对带压开采煤层底板岩层阻水性问题,进行底板岩体试样伺服渗透试验,分析了岩体试样渗透率与变形破坏演化相互关系。结果表明,全应力-应变过程岩样渗透率可划分为原始空隙渗透率和加载破坏渗透率两种,在压密-弹性段内,岩石的渗透率多表现为原始空隙渗透率,稳定破裂-裂纹扩展段内,则多表现为加载破坏渗透率;岩石突增点处应力、应变为峰值点处应力、应变的60%~80%之间,大多数岩石渗透率峰值出现在岩石的峰后阶段,部分出现在岩石峰值点处,少数的岩石渗透率峰值存在于岩石峰值强度之前,且多为软岩;灰岩类和砂岩类岩石变形破坏比泥质岩类岩石更为均匀,用渗透率突增点强度、应变分别与峰值强度、应变的比值或渗透率峰值点处应变与应力峰值点处应变的比值能较好反映岩石渗透率变化规律。

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碱处理红黏土应力应变关系研究

陈筠, 张瑶丹, 滑舸, 施鹏超, 白文胜

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 136-146.

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以碱处理前、后红黏土在CTC(增p)、TC(等p)、RTC(减p)三种模拟工况下的三轴试验数据为基础,结合邓肯-张模型和广义强度发挥面理论(Extend SMP)研究土样的应力应变关系。结果表明,基于邓肯-张模型,碱处理前、后红黏土试样的ε₁/(σ₁-σ₃)~ε₁关系曲线并不是简单的线性关系,简单邓肯-张模型下分析的红黏土应力应变之间的关系可能并不适用。基于广义强度发挥面理论下的试样的应力比和应力增量比为简单的线性关系,应力比和应力比是一个前、后段缓,中间陡的曲线关系;应力比和轴向应变关系同应变曲线的变化具有较高相似性,先快速增长后增速变缓,曲线最终趋于稳定,且碱处理后红黏土在Extend SMP面上的应力比存在一个明显的峰值。

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玄武岩纤维水泥土的冲击劈裂性能试验研究

曹海, 马芹永

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 147-153.

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为了研究玄武岩纤维掺量对水泥土冲击劈裂性能的影响,进行了不同冲击气压条件下水泥土的霍普金森压杆(SHPB)试验。试验结果表明:随着玄武岩纤维掺量的不断增大,水泥土试件劈裂面的破碎程度逐渐变小,吻合程度逐渐变好,但过量的玄武岩纤维具有负面效应,试件冲击劈裂强度和吸收能均出现先提高后降低的趋势,在玄武岩纤维掺量为1.5%时,其冲击劈裂强度和吸收能达到极大值。在玄武岩纤维掺量相同时,水泥土的破碎程度和冲击劈裂强度均随着冲击气压的增大而提高。劈裂强度动态增大系数随着冲击气压的增大不断增大,且增长幅度随着玄武岩纤维掺量的逐渐增大而减小。冲击气压和玄武岩纤维掺量共同影响水泥土的冲击劈裂强度。

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饱水砂岩力学性质软化试验研究

赵立财

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 154-162.

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地下硐室围岩在富水条件下强度弱化,对硐室开挖与营运造成威胁。为探究围岩在饱水作用下的力学性质及细观结构特征变化,开展了不同围压和饱水条件下的三轴压缩及扫描电镜试验。研究表明:(1)随着饱水作用的增强,砂岩力学性能不断衰减,当饱水天数达到30 d时,衰减幅度趋于平缓;(2)砂岩饱水劣化效应显著,峰值应力、黏聚力、内摩擦角、弹性模量和变形模量的劣化度累积规律较相似,饱水天数15 d以前累积较快,15 d以后累积速率放缓;(3)砂岩断口多表现为贝纹性状,以韧性破坏为主,围压对断口微裂纹发育起抑制作用,饱水作用促进微裂纹发育。研究成果为饱水作用下岩石力学性能劣化规律研究提供一定参考。

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X型非贯通相交节理干涉效应试验及力学机制

李文文, 邓正定, 张磊, 张春华, 曾伟

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 163-170.

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共轭X型节理岩体广泛分布于自然界,准确认识共轭X型相交节理之间的干涉效应对相关岩体工程的安全稳定至关重要。通过制作节理岩体相似材料试件,改变主次相交节理的倾角及长度,进行室内模型试验和理论分析,研究相交节理干涉效应对岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:X型节理岩体翼裂纹主要沿主节理尖端扩展,次节理扩展受到抑制;同倾向相交节理间干涉效应导致主节理尖端应力强度因子增大,且次节理倾角为45°时,干涉效应最明显;反倾向主次节理夹角为60°时,次节理对主节理尖端应力强度因子的屏蔽效应最强;反倾向主次节理间夹角为90°时,相交节理间不存在干涉效应;反倾向主次节理夹角大于90°时,相交节理干涉效应导致主节理尖端应力强度因子减小。

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粉土—混凝土界面与粉土剪切对比试验研究

李梦瑶, 李永辉, 吕梦凡, 郭院成

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 171-178.

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采用自制的大型直剪仪开展不同含水量条件下黄泛区粉土-混凝土界面剪切及粉土直剪试验,研究不同含水量下粉土-混凝土界面及粉土剪切力学特性。试验结果表明:粉土-混凝土界面和粉土直剪的剪切应力-剪切位移曲线均为应变硬化型;粉土直剪的剪缩变形明显大于界面剪切结果;相同条件下,粉土-混凝土界面的剪切强度大于粉土的直剪强度,随着含水量的增大,粉土-混凝土界面与粉土剪切强度的差异逐渐减小,粉土趋近饱和时,两者强度基本相同;粉土直剪破坏时的剪切位移大于界面剪切破坏时的剪切位移;粉土直剪的黏聚力和界面黏聚力、摩擦角随含水量的增大均近似呈线性减小趋势,粉土直剪的内摩擦角随含水量增加呈现先缓慢后加速减小的变化趋势。

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大藤峡闸坝典型坝段坝基稳定模型试验研究

孙涛, 陈媛, 陈建叶, 杨宝全, 谭春

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 179-189.

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在工程荷载和渗透水压的共同作用下,水闸工程坝基岩体强度和变形参数极易产生弱化,这对工程的安全建设和运行极其不利。针对大藤峡闸坝基岩的多层单斜和软弱夹层长大密集等不利地质条件,有必要对泄水闸坝段基础的滑移破坏模式做进一步研究。本文采用综合法地质力学模型试验,对大藤峡典型坝段闸坝与地基的整体稳定性进行破坏试验研究。通过超载和降强两种方式,获得了闸基在正常状况、降强阶段和超载阶段的变位特性,探明了闸坝与基础的破坏过程及破坏形态。研究结果表明,在降强和超载两阶段,坝基变位均较正常工况有所增加,且埋深较浅的软弱夹层变位更为明显。随着超载倍数增加,软弱结构面R9、R14、R17、R19的浅表层部分相继开裂,最终表现为沿基础表层滑动失稳的趋势,揭示浅层结构面对闸坝与地基的变形稳定起控制作用。

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沉井—桩复合基础水平承载性能模型试验分析

穆保岗, 陈祉阳, 龚维明

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 190-200.

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沉井-桩复合基础在桥梁深水工程中具有独特优势,为进一步揭示该基础形式在水平荷载作用下的承载性能,在砂土中进行了各种沉井、桩的水平承载性能模型试验,并与现行规范理论计算结果进行比较。试验结果表明:沉井-桩复合基础的水平承载能力远高于单一沉井和桩基础,其水平荷载位移曲线呈现明显的非线性特征;初期主要依靠沉井侧壁被动土压力和底部的水平摩阻力来抵抗水平力,后期群桩的水平抗力才逐渐发挥,桩最终分担的荷载比例稳定在1/3左右,采用修正的等效单桩法可提供比较准确的计算结果。沉井-桩复合基础的良好水平承载性能为其在复杂环境的工程应用提供了可能。

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注浆作用对微型钢管桩抗压承载性能影响的试验研究

张楷, 王树峰, 崔强, 王建杰

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 201-207.

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为了研究注浆作用对钢管桩承载性能的影响,本文开展了160 mm、200 mm两种桩径、5 m和8 m两种入土深度、注浆与不注浆两种条件下共18个试验桩的现场抗压静载荷试验,分析了注浆作用对钢管桩荷载位移曲线、极限承载力及破坏模式的影响。结果表明:注浆作用使钢管桩荷载位移曲线上的中间曲线段更加明显,塑性变形范围增加;注浆作用整体提高桩基承载力30%以上,管径最细、埋深最浅的I#桩提升效果最明显;注浆过程中浆液在桩周土中产生劈裂、渗扩、填充、胶结、压密等一系列物理化学作用,最终在桩端形成“水泥土加固体”,在桩侧形成水泥土护壁,改善了桩端土、桩周土的物理力学性能,从而提高了桩基承载力。

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橡胶层对空心锥体基础水平承载性能的影响

李珊珊, 张雨坤, 李大勇

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 208-217.

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空心锥体基础是一种新型的山区风电基础型式,克服了传统基础混凝土用量大、地基开挖堆积的渣土破坏山区环境、缺乏一定的柔性使其适应上部风机变形能力不足等缺点。为研究基础侧壁铺设的橡胶层对基础水平承载力、基础位移、岩石压力分布及基础耗能能力的影响,在循环荷载作用下进行模型试验与有限元分析。研究表明:(1)基础的主要承载部位位于埋深方向距离基础顶板0.63倍基础高度范围内;与未设置橡胶层相比,橡胶层会使基础的水平承载力稍有降低,但基础的累积竖向位移将显著减小,表明橡胶层能有效控制基础上拔,而且基础侧壁的岩石压力减少了10%~30%,可知橡胶层能缓冲、减小外荷载对地基基础的破坏,进而延长基础的使用寿命。(2)橡胶层还起到吸能、耗能作用,从而减小了作用于基础上的倾覆力矩,使基础的稳定性显著提高。(3)橡胶的弹性还能提高基础的柔性与耗能能力,但耗能能力受到基础尺寸、橡胶层厚度、橡胶弹性模量岩体地基变形模量的影响。

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固化红黏土路用复合材料试验研究

杨国生, 左双英, 杨兴之, 黄春

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 218-226.

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为解决贵州红黏土路基工程中由水稳性差、强度不足、变形较大以及胀缩性明显等引起的一系列公路病害问题,本文以贵州某公路路基原状红黏土作为试验原料,通过在天然红黏土中掺入不同含量的固化剂开展室内试验,研究了改性红黏土的水理性质与力学强度特性,并结合现场试验路段的施工和检测,对红黏土复合材料进行了评价。结果表明:随着固化剂的增加,改性红黏土的液塑限含水量分别向坐标不同方向移动,土体遇水抵抗破坏的能力增强,胀缩特性得到有效控制,土体无侧限抗压强度、承载能力和回弹模量显著提高,弥补了红黏土存在的工程缺陷,可提高公路工程的质量,延长服役年限。通过对养护后的试验路段进行现场检测发现,红黏土复合材料固化土的各项强度指标均满足工程设计标准。

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灵敏性粉土的压缩及触变特性研究

卢瑞娜, 梁仁旺, 巩天真

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 227-235.

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山西汾河一级阶地的饱和粉土大多具有灵敏性,使得其强度和变形性质在扰动前后差别很大。为了研究灵敏性粉土的压缩及触变特性,对探井取样的原状土和重塑土样进行了一维固结压缩试验和无侧限抗压强度试验。试验结果表明,原状土加载到结构屈服应力处,沉降量突增,固结系数突增,主固结比突降,次固结对沉降的贡献开始上升;原状土与重塑土的差异是原状土的结构强度引起的,在高压固结压力下两者压缩曲线约在0.58e₀处重合;灵敏土无侧限抗压强度试验的应力应变曲线表现出类似超固结土的应变软化特性,其触变后恢复具有时效性,弹性模量受扰动影响较为敏感,可考虑作为扰动指标的量度。

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大跨度盾构工作井过境阶段侧壁力学特性研究

张嘉威

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 236-244.

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随着城市超长盾构隧道的不断发展,大跨度工作井结构的安全性就显得尤为重要。本文依托上海北横通道工程梧州路工作井实例,以侧壁在过境阶段的力学特性为专题开展研究。通过对比设置与未设壁柱对大跨度井壁的影响,得出壁柱能够有效分担部分侧向压力,从而改善叠合墙的受力性能。基于设置壁柱后井壁内力分布特点,以及考虑地下连续墙接缝的影响,提出建立正交各向异性的三维结构模型,通过计算结果考察盾构过境前后非开洞井壁、开洞井壁以及壁柱的受力特征。研究成果能为今后类似工程的设计优化和施工实践提供理论支持与指导。

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深基坑边塔吊地基加固设计及变形控制分析

欧阳霖亮, 徐学勇, 徐东升

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 245-256.

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随着城市建设地下空间开发需要,深基坑支护工程日益增多。深基坑开挖卸荷作用会引起岩土体应力应变效应,进而诱发周围建(构)筑物地基产生变形。某建筑工程由于施工场地限制,不得不将塔吊基础布置于深基坑围护结构边缘,而塔吊结构的运转荷载会对基坑安全造成隐患,故在基坑开挖前需要对塔吊地基进行加固设计,并对施工过程中塔吊地基变形进行预测。基于工程地质和施工环境等条件,设计锚拉桩支护方案对塔吊地基及基坑围护结构进行加固;并使用Midas GTX NX建立基坑开挖全过程施工工况的有限元模型,对塔吊地基加固前后的变形特征进行数值模拟;后与开挖过程中现场监测数据进行对比分析,评估塔吊地基加固设计方案的可靠性及效果。研究表明,本设计方案采用的支护桩间增设预应力锚索以及增设锚桩、拉梁的整体加固措施对基坑边设置的塔吊地基变形起到良好控制效果。研究成果可为类似深基坑工程支护设计、施工提供借鉴。

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特深圆形竖井土压力分布模式及影响因素研究

毛盘, 张旭东, 叶斌, 叶冠林

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 257-267.

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以上海深层隧道调蓄系统中的特深圆形竖井工程为背景,通过土工试验获得深层土的力学参数,然后利用数值模拟获得其土压力分布模式。在此基础上,分析了插入比、挡土墙刚度、竖井直径以及挡土墙厚度对土压力及侧向位移的影响。结果表明:当插入比大于0.18时,增加插入比对圆形竖井的侧移和土压力的影响不显著;弹性模量的降低量小于50%时,圆形竖井侧移略微增大,对开挖面以上的土压力有明显影响;开挖面以下约20 m,土压力值与竖井直径呈非线性负相关,且竖井直径的影响随深度增加而减弱;竖井侧移随着墙厚的增大而减小,但由于边际效应的存在,过度增大厚度对于减少竖井侧移的效果并不显著。

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K₀固结饱和黏土中打桩对邻近桩影响分析

张凯, 周燕, 刘旭锴, 霍知亮

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 268-275.

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动力打桩过程可能会引起既有桩基产生较大位移,进而影响建筑物安全稳定。本文在K₀ 固结各向异性本构模型的基础上,推导了桩周土体破坏区和塑性区的半径计算方法,建立了打桩引起周围土体应力和超孔压的理论计算公式。在此基础上,以最小能量原理为理论依据,将超孔压视为外荷载,提出了其在向周围土层的传递方式,并在半无限空间体内推导了其对周围土体径向应力的影响,并结合天津典型软土对研究成果进行了分析。研究结果表明:建立的柱孔口扩张弹塑性理论计算结果与既有方法基本一致,超孔压在塑性区沿径向衰减速度明显较大;当桩间距较小时,打桩会使邻近已打设刚性桩产生较大水平位移。

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抽水井附近MJS桩施工引起的土体位移

睢博栋, 贾敏才

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 276-280.

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在复杂的场地条件下,尤其是场地内存在抽水井等不良地质条件时,MJS桩施工对周围土体位移的影响仍然缺乏深入的认识。基于上海某基坑工程,对附近存在抽水井时MJS桩垂直施工引起的土体位移进行监测,包括地表垂直位移、深层土体垂直位移、深层土体水平位移,施工结束后在设计桩边界和抽水井之间钻孔取样。研究结果表明:MJS桩垂直施工期间地表微隆起,深层土体的水平位移比垂直位移大;在距设计桩边界1 m处,土体最大水平位移(32.86 mm)的67%是受抽水井影响。抽水试验使抽水井周围土体细粒含量减少,MJS桩在附近施工时,高压水泥浆更容易切割土体,成桩直径更大,从而土体水平位移明显增加。因此,工程上应重视附近存在抽水井时MJS桩施工引起的土体侧向位移。

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地铁施工竖井装配式钢结构初衬的受力分析

孙希波, 侯效毅, 徐阳, 叶涛, 郝志宏

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 281-289.

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地铁施工竖井结构主要采用格栅钢架+喷射混凝土的喷锚支护结构。喷锚支护结构存在现场焊接作业量大,作业人员多,工期长及作业环境差等问题,为更好地解决竖井施工工期、成本及文明施工等问题,创新性地将装配式钢结构引入到地铁建设中,提出一种全新的施工竖井支护体系,用以替代传统的喷锚支护结构,从而有效解决与“格栅钢架+喷射混凝土”支护体系相伴的施工工期长、作业环境差等问题。从理论上分析了装配式钢结构衬砌结构受力的可行性,并在地铁学院桥站施工竖井进行了应用,该新型初衬的实施对提高行业技术水平、改善作业环境、缩短工期、提高工程质量具有重要意义。

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基于聚焦频域激电法的盾构施工地质预报系统

魏晓龙, 郑俊祥, 林福龙, 路亚缇

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 290-296.

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针对盾构法施工时开挖仓封闭,地质预报实施难的问题,设计一种基于聚焦电流法和频域激电法的超前地质预报方法,可实现低功率下探测电流的发射和有效接收。为了提高测量精度和稳定性,引入电流测量线圈实现探测电流的有效聚焦,解决了聚焦电流法中易产生的欠聚焦和过聚焦问题。本文介绍了聚焦电法和频域激电法的原理以及二者结合后的优势,建立了6 m级土压平衡盾构机的二维轴对称模型,并计算理论探测深度。依据本文所研究的地质预报方法,对大连地铁5号线08标(后盐站—后关村站)使用的土压平衡盾构机进行针对性设计,实现聚焦频域电法在盾构机上的搭载以及施工过程中的实时预报应用。通过对预报结果的分析以及施工过程中的不断验证,该方法基本达到预期目标,多次实现对掌子面前方不良地质的准确预报,具有很大的推广和应用价值。

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大直径越江盾构隧道结构受力现场实测分析

李雪, 张玉申, 耿翱鹏, 耿凤娟, 吴九七

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 297-304.

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以南京地铁3号线越江隧道为依托,通过对大直径越江盾构隧道3环管片周边荷载、钢筋应力进行监测,并对实测数据进行统计分析,探讨越江盾构隧道施工期以及施工后一段时间,盾构隧道荷载、受力变化特征,并根据现场实测应力计算盾构管片内力,采用修正惯用法和梁-弹簧法计算隧道衬砌内力,并与实测值进行比较。研究结果表明:盾构掘进过程会引起管片周边土体的扰动,管片壁后注浆及施工期的临时荷载会影响管片周边土压力分布及大小;管片内外侧钢筋应力变化规律与实测土压力变化趋势基本一致,管片实测应力开始趋于稳定时间相比实测土压力较短;梁-弹簧法计算管片内力与实测反算结果更吻合,实测反算轴力是计算轴力的2倍左右。研究成果可为大直径盾构越江隧道管片设计、施工提供参考。

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基于覆岩理论的综采面双回撤通道冲击机理研究

张寅, 李皓, 张翔, 赵毅, 赵荣学

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 305-312.

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以鄂尔多斯某矿综采面末采段过双回撤通道为背景,通过现场实测、数值模拟和理论分析等方法,基于覆岩理论对综采面双回撤通道的冲击机理进行研究。现场实测及数值模拟结果表明,采用双巷回撤方案的的综采面末采阶段主回撤巷与工作面之间的煤柱将承载较高的集中应力,当承载能力达到极限时煤柱冲击危险性最高;根据理论分析结果,综采面双回撤通道冲击机理为“DLZ”及其承载的“SLZ”范围内的高位岩层将传递较高的静态支承压力,达到了回撤巷煤柱发生冲击危险的应力条件,理论分析与模拟、现场研究结果较为吻合。综采面双回撤通道冲击地压控制机理为:确定合理的卸压参数,通过施工大直径钻孔释放煤体积聚能量,补强锚杆支护密度以减少围岩结构破坏程度,同时加强危险区域的监测预警,确保巷道围岩处于“低应力、强支护”状态。

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路桥过渡段软土地基加固沉降对比分析

何玉琼, 王寿武, 肖建宇, 李壮, 冯子哲

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 313-321.

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为比较抗滑桩与CFG桩的加固效果,以某高速公路软土地基路桥过渡段为例,基于FLAC3D模拟计算抗滑桩和CFG桩加固路基填筑后Z方向的地表沉降。台背后20 m范围内的计算结果为:(1)抗滑桩只对其周围土体有加固挤密作用,对距桩体1 m以外的加固作用较弱,分别发生0.62~13.28 cm的沉降;(2)CFG桩加固方案中,桩心距为1.8 m区域的沉降量在2.5 cm以内,桩心距为3.6 m区域沉降量在4 cm以内,在加固区域地基中没有出现土体破坏和生滑动现象,因此采用CFG桩为该桥台的加固方案。对完工的CFG桩进行单桩竖向抗压静载试验与沉降监测,测得台后20 m处桩顶总沉降值为3.89 cm,与数值模拟结果吻合,说明CFG桩可有效减少地基塑性区域、提高地基承载力和降低沉降量。

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地铁联络通道冻结法施工中涌水成因及防治

董新平, 于少辉, 张毅豪, 王余飞

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 322-329.

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以某富水砂卵石地层联络通道人工冻结法施工为依托,就地层热力学参数、冻结参数和施工工艺等对冻结壁的厚度、交圈时间及平均温度等影响进行了研究,分析表明:AGF冻结效果关于热传导系数的敏感度最大,关于比热容和含水率的敏感度次之;冷冻管间距对冻结效果的影响非常显著,冻结法施工时,应加强冻结管开孔位置及倾斜度的控制;冷冻管直径变大,盐水与地层间对流系数减小,会抵消冻结管直径增大的影响;保温层设置不当以及冻结管远端定位缺陷直接影响联络通道与盾构隧道交叉区域的冻结效果,甚至出现冻结壁厚度不足和冻结壁交圈困难等问题,易导致管片开挖时涌水事故的发生。

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高地应力区双护盾TBM隧道围岩性态即时判示分析

邓荣贵, 钟志彬, 陈炜韬, 傅支黔, 曾鹏

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 330-340.

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青藏高原及其东缘高山区的交通建设和能源开发,需要修建众多的深埋长大隧道,采用TBM掘进具有显著优势。依托西藏雅鲁藏布大峡谷DXL隧道双护盾TBM掘进施工,就隧址区工程地质环境、基于尾渣的围岩特征信息的即时获取方法以及围岩性态判别等进行了研究。结果表明:(1)高地应力环境下,隧址区裂隙性硬质围岩微细观破裂,造成宏观大变形是引起TBM掘进机卡机的主要原因;(2)综合尾渣分析和管片灌浆孔观测,能够获得隧道掌子面附近围岩即时岩性、岩体结构与变形性态等重要信息及参数;(3)基于围岩即时信息及参数,提出围岩工程地质性态即时分析指标及原则,能够定量地对双护盾TBM掘进隧道围岩工程地质性态做出综合的即时判断。本文的理念和思路为双护盾TBM掘进和传统隧道施工地质超前预测预报提供了一种简单、有效、即时的补充方法。

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高应力地下洞室顶拱深部变形及受力特性研究

张石磊, 朱赵辉, 段杭, 田振华

地下空间与工程学报. 2022, 18(1): 341-350.

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为探讨高应力条件下顶拱深部围岩出现的收缩受力特征,采用位移分析法讨论上游侧顶拱在开挖过程中产生的收缩变形,根据弹塑性理论定性分析顶拱深部收缩变形产生机制;采用回归分析讨论了收缩变形区无黏结锚索预应力特征及其与围岩变形的关系。研究表明,围岩变形在顶拱呈显著空间分异特征,收缩应变出现在上游侧,沿厂房轴线的分布范围与钻孔深度成正比。收缩应变集中在距洞壁10 m范围内,量值随深度增加而递减。开挖引起应力重分布使顶拱深层产生拱效应区,上游侧顶拱深层围岩位于“拱座”,其受力为沿顶拱径向加载,产生收缩变形;下游侧顶拱为卸荷松弛区。收缩变形区与洞室尺寸相关,在开挖初期收缩变形区向深部演化,相对浅部围岩收缩应变减弱,甚至转为拉伸应变。锚索预应力变化经历3个阶段,“0”承载期、“阶跃”增长期及收敛期。收缩区范围超过锚索加固深度时,预应力接近锁定值,钢绞线只承受预拉荷载。锚索预应力损失率主要受深部围岩拉伸应变影响。

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