地下空间与工程学报

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曾国华, 汤志立

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 701-713.

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城市地下空间是拓展城市发展空间、解决城市病、促进城市韧性及可持续发展的重要载体。笔者阐述了“全功能、全要素、全过程、全深度”的城市地下空间一体化开发内涵,深入剖析了我国城市地下空间开发利用的现状及问题,认为存在治理体系还需完善、规划引领作用还需加强、综合利用还需持续推动的问题,指明了以轨道交通、综合管廊为触媒的城市地下空间一体化、协同融合开发路径。最后,提出了全面开展地下空间综合地质调查、加速推进地下空间治理体系建设、尽快构建地下空间协同规划体系、加快构建地下空间科技创新体系的地下空间开发利用一体化发展建议。

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历史建筑地下空间拓展工程

李湛, 李钦锐, 李兆明

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 714-723.

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北京某历史建筑,在不改变建筑外观与紧邻景观条件下,采用新建内嵌式地下结构方案,实现既有地下室大跨度结构改造、增加层高与外部拓展。为进行大跨度结构改造,采用托换结构与新建地下结构合二为一的永久性托换结构,实现既有建筑内部承重结构的整体托换,避免了采用临时性托换在其拆除时引起的既有结构二次变形。为增加地下室层高,将永久性托换结构荷载及其承担的结构荷载向两侧传递到地基基础侧向托换结构的托换桩上,拆除既有地下室内部承重构件后,顺序进行土体开挖、地基基础侧向托换结构水平构件施工、永久托换结构下部新建地下结构施工。地基基础侧向托换结构在保持既有地基应力和变形状态、控制土体开挖引起既有建筑沉降的同时,对永久托换结构荷载起到中间传递功能。本文从地下空间拓展建筑与结构方案、荷载托换与传递体系、托换结构设计、结构稳定性、沉降控制、沉降监测等方面对工程情况进行了介绍。本工程采用的新建内嵌式地下结构方案及荷载托换技术具有普遍应用价值,可广泛应用于既有建筑地下空间拓展工程。

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城市地铁集装运送模式设计构想

张涵 , 吕永波

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 724-732.

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随着城市化进程的加快,严峻的城市交通问题使城市物流配送的难度加大,配送延迟风险提高、配送可达性降低、配送成本提高,对城市物流服务水平产生了极大的负面影响。地铁作为当下绿色环保的城市运输体系,具有轨道网络覆盖面高、运营速度快、运营时刻稳定等优点,若能利用地铁承担部分城市内部的物流运送工作,将能极大地改善现存的物流配送难题。本文从集装设备角度出发,提出一种全新的城市地铁集装运送模式,利用地铁空闲时刻开展城市物流运输活动,既能解决当下城市道路拥堵对城市货运的限制问题,又能降低地铁空载带来的成本损耗,增添地铁运营收益,实现物流配送与地铁运营的双赢局面。

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地下空间发展历程与新思维

王寿生

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 733-742.

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针对地下空间发展历程,总结归纳了地下空间1.0演绎到地下空间5.0的新思维,剖析了地下空间1.0至地下空间5.0的基本特征,研究了地下空间1.0至地下空间5.0的关键技术与典型案例,揭示了地下空间时空变化特征与演绎发展规律。研究表明:地下空间总体形态从“地下一个点”发展到“地下一条线”,再上升至“地下一张网”,规模愈发大型化,通过地上地下三维立体规划和区域整体开发先进理念可打造成“地下一座城”,随着人工智能、数字孪生、绿色低碳直至碳中和等前沿技术逐步得以广泛应用,在可预见的未来终将蜕变升级为“智慧立体城市”和“绿色地下空间”。

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勘测大数据在地下空间安全评价中的应用

向泽君, 何兴富

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 743-750.

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从解决城市问题到提升城市竞争力,地下空间资源的集约复合利用已被视作支撑城市现代化持续发展的标准范式。重庆作为一个超大城市,因山地条件限制,城市用地空间严重短缺,对地下空间的开发利用需求强劲,但地下空间数据化、信息化支撑不足造成的“数字短板”,影响了地下空间的开发利用适宜性、安全性评价。本文从整合各类测绘信息、地质勘察成果、城市三维模型和地下空间模型等勘测大数据资源入手,以渝中半岛为研究区域,利用二三维GIS分析、有限元分析等技术,充分利用信息化手段开展渝中半岛地下空间开发利用适宜性评价和地下空间系统安全评价。最后,以某轨道工程选线为案例,利用评估成果开展了示范应用。

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结构性黄土深埋盾构隧道围岩力学特性研究

王斌, 叶飞, 郭华伟, 吉艳雷, 雷平

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 751-758.

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盾构施工会破坏黄土结构性,为探求黄土结构性变化对盾构隧道围岩力学特性的影响,引入应力比结构性参数对摩尔-库伦强度准则和芬纳公式进行修正,通过建立黄土围岩和管片之间力和位移的连续条件,对围岩塑性区半径进行了求解,并对解析解进行了对比验证,最后分析了关键参数对围岩力学性态的影响。结果表明:(1)太沙基土压力公式计算结果介于解析解上限值与下限值之间;(2)随着应力比结构性参数的增大,对应的塑性区半径和围岩压力值在不断减小;(3)随着覆跨比的增加,塑性区半径不断减小,围岩压力值不断增大,当黄土结构性比较强时,隧道覆土厚度达到一定值之后围岩压力解析公式才适用;(4)围岩压力和塑性区半径与开挖半径近似呈线性正相关关系。

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各向异性岩体中不同接触衬砌隧洞的解析分析

王少杰, 王东洋, 吕爱钟

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 759-768.

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通过复变函数方法建立分析了非圆形水工衬砌隧洞,在衬砌与围岩处于完全和光滑接触条件下的解析解,考虑了衬砌的支护滞后效应和洞内水压作用。研究了正交各向异性岩体中的马蹄形衬砌隧洞,在不同接触条件和洞内压力工况下,接触边界和衬砌自由边界上的应力和位移解。接触条件对衬砌接触边界的切向应力分布影响最显著,完全接触条件下两底脚的切向压应力最大,光滑接触条件下最小。岩体各向异性和倾斜结构面对衬砌中力学分量的非对称性影响在完全接触条件下明显。完全接触条件可高效发挥衬砌的支撑作用,光滑接触条件使岩体的自承能力充分体现。衬砌在两种接触条件下均承担了大部分由水压引起的张拉效应。

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混凝土火灾损伤本构模型研究

龚哲, 杨卫星, 张戎

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 769-778.

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混凝土材料在高温作用下的力学性能研究对混凝土结构防火设计和火灾损伤评估具有重要意义。构建了混凝土火灾损伤本构模型,引入热损伤反映温度对混凝土弹性模量、抗拉强度、抗压强度等力学参数的影响,考虑到混凝土受拉和受压状态下的不同的损伤特性,将混凝土材料的损伤分为受压损伤、受拉损伤和热损伤三种。建立了损伤演化、塑性流动以及内变量演化方程,通过塑性-损伤耦合,描述了不同温度和应力状态下混凝土的应力-应变特性,证明了模型严格符合热力学定律。利用所建立的本构模型对不同温度下的混凝土单轴拉伸、压缩试验进行了模拟计算,计算结果与试验结果能较好地吻合,证明了模型的合理性。

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高原湖相泥炭质土蠕变特性及本构模型研究

阮永芬, 朱尚万, 朱强, 吴龙, 丁海涛

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 779-787.

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高原湖相沉积泥炭质土的蠕变严重影响建构筑物的长期稳定和安全,有必要对其蠕变特性进行研究。对原状泥炭质土进行固结蠕变试验,采用分别加载方式获得其在不同荷载作用下应力应变随时间的变化曲线。研究结果表明:蠕变试验的等时及双对数曲线显示泥炭质土在各级荷载下具有明显的非线性特性;将泥炭质土的应变简化为线粘弹性ε₁与非线性粘塑性ε_n,通过线性Kelvin蠕变模型与经验模型,建立了半经验半理论固结蠕变模型,可分析其蠕变性状。对蠕变试样进行电镜扫描,分析在荷载作用下其微观结构变化机理,即泥炭质土低压时的变形主要来自于有机质和胶体的压缩及自由水排出,高压时的变形主要是土体颗粒间的错动。通过以上分析,可为预防和控制工后沉降提供参考。

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能源群桩与单桩热-力学响应特性对比分析

陈树森, 赵蕾

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 788-800.

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针对热-力耦合作用下能源群桩和单桩连续72 h放热工况以及间歇运行工况的传热和力学响应过程进行了三维动态数值模拟,对比分析了二者连续运行工况下的桩身温度、桩身应力、附加温度荷载、桩身截面位移、桩侧阻力以及间歇运行工况下的出口水温、桩心温度和桩顶位移。结果表明:虽埋管出口水温相近,但群桩与单桩的桩身温度差异较大,进而会引起桩身截面位移以及桩身应力等一系列能源桩力学响应不同;对能源桩施加结构荷载和温度荷载后,单桩的桩身应力大于群桩中各桩的桩身应力,并在桩身中下部达到峰值,附加温度应力在桩身主体段几乎相等;桩基出现整体沉降,但随着加热的进行出现了桩顶向上移动、桩底向下伸长的趋势;侧摩阻力沿桩深方向不断增大,在桩底处达到最大值;间歇运行工况下,能源桩出口水温、桩心温度以及桩顶位移出现明显的波动,呈现出累加效应。

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基于统一强度理论的临坡地基极限承载力解答

赵均海, 晏青, 张常光

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 801-809.

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基于统一强度理论,综合考虑中间主应力、基底至坡肩水平距离和坡角的影响,推导了条形基础下临坡地基的极限承载力解答,给出其适用条件和计算步骤,讨论与水平地基极限承载力公式的差异,分析所得解答的可比性,并对比文献模型试验结果和上限法解答进行验证,最后探讨各参数的影响特性。研究表明:本文极限承载力解答可退化为Mohr-Coulomb强度准则解答并得到一系列新强度准则解答,具有很好的可比性;与文献模型试验结果和上限法解答吻合良好,验证了所得解答的正确性;中间主应力对临坡地基极限承载力的增强作用显著,未考虑中间主应力效应的结果偏于保守;临坡地基极限承载力随基底至坡肩水平距离的增加逐渐增大,当达到临界距离时与水平地基的极限承载力一致;坡角的增加导致临坡地基极限承载力大幅减小,且中间主应力效应较大时承载力降低的更加明显。本文解答可为临坡地基优化设计提供一定的理论参考。

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超长大直径变截面钢管复合桩竖向承载力算法

魏纲, 王新, 崔允亮, 刁红国

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 810-817.

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变截面钢管复合桩的受力性能较好,在工程中应用较多,但是其理论研究却较为滞后。对该桩型竖向承载力计算方法进行研究,分析了其荷载传递规律,选取桩基受力极限状态,考虑钢管作用与变截面处承载力,利用桩土位移协调关系推导了超长大直径变截面钢管复合桩竖向极限承载力计算公式,并用该方法和现行规范计算方法对鱼山大桥37号桩基进行竖向承载力计算,与试桩自平衡试验实测值进行对比。研究结果表明:试桩自平衡试验曲线平缓无陡降,单桩竖向极限承载力试验值为120 056 kN,利用现行规范公式计算值与实测值相比偏差过大,而本文推导方法计算结果与实测值较为接近,验证了本文方法的可靠性。

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基于土体参数估算土体振动衰减系数的方法研究

张允士 , 陈骝, 陈璠

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 818-823.

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根据现有规范中的振动衰减公式,建立α₀与地基土动力参数之间的公式化联系,通过地基土本身的参数来唯一确定α₀。采用理论推导,现场试验以及和已有文献比对的方法,验证了本文所提方法的有效性和准确性,研究结果表明:(1)衰减公式中的几何衰减系数ζ₀只会影响振动响应的幅值,但是对于传递路径上两点之间的振动传递比影响不大;(2)基于地基土的动力特性参数表征土体衰减系数具有较高的可靠性;(3)振动信号从低频到高频中,每一频率下参与土体振动的有效深度不一致,低频几乎影响各层土体,高频振动信号主要影响范围在表面。

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不同锚固角加锚无摩擦节理面剪切试验研究

刘曙光, 黄泽信, 张洪

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 824-831.

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为进一步阐明锚固角对锚固节理抗剪作用的影响,开展了无摩擦锚固节理双面剪切试验。对比不同锚固角情况下锚固节理的抗剪强度,分析锚固角对锚固节理抗剪性能的影响。试验采用应变片测量节理岩体中锚杆在节理面位置处的轴力,研究锚固节理在剪切荷载作用下锚杆的轴力变化规律以及变形特性。试验结果表明,锚固角增大,锚固节理极限荷载、屈服荷载以及抗剪刚度先逐渐增大后逐渐减小,在锚固角为60°时达到最大值;不同锚固角锚杆最终破坏模式不同,锚固角较小时,锚杆发生拉剪破坏;锚固角较大时,锚杆发生拉弯破坏;试验也发现,剪切位移较小时,锚杆的抗剪作用就已经充分发挥。

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工程岩体Ⅲ级围岩相似材料配比试验研究

雷中岱, 闫治国

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 832-839.

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目前超大跨扁平地下洞室模型试验的围岩相似材料缺少合适的配制方法,以工程岩体中Ⅲ级围岩的物理力学参数作为相似材料配比目标,采用重晶石粉和石英砂作为骨料,高强石膏粉和水作为胶结剂,洗衣液作为调节剂,基于正交理论设计了3因素5水平的正交试验方案,制作了25组不同的配比,通过大量的直剪试验和单轴压缩试验分别测得试样的黏聚力c和内摩擦角φ以及试样的抗压强度σ_c和弹性模量E,并采用极差分析法进行了敏感因素分析。试验结果表明:所配制的相似材料物理力学参数变化范围广,能满足大部分岩质岩体模型试验的强度要求;材料含量的变化对物理力学参数的影响规律明显,可为配比不同模型试验的相似材料提供指导。

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钙芒硝盐岩水力压裂裂纹端面特征试验研究

邵震, 徐素国, 冀辉杰

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 840-848.

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为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、9/4 MPa三种应力条件下的水力压裂实验,并采用3D形貌扫描仪对破坏断面的裂纹形态进行扫描,结合裂纹粗糙度表征公式对试验数据进行计算分析。研究发现:钙芒硝水力压裂是应力和溶解的共同作用,压裂过程大致可以分为水压升高阶段、裂纹扩展阶段、水压下降阶段3个阶段;3个阶段的划分与前人研究成果相同,但裂纹扩展阶段的压力波动剧烈,与其他岩石(例如,煤,页岩)水力压裂试验结果相差较大,其为钙芒硝溶解现象影响所致;不同应力下,钙芒硝水压致裂后裂纹形态不同;当垂向应力差异系数(k)≤0.75时,钙芒硝盐岩产生横向裂纹,k≥1.25时,钙芒硝盐岩将产生纵向裂纹;同一应力状态下钙芒硝清水致裂后裂纹端面粗糙度大于饱和盐水致裂后的粗糙度,不同应力状态下,水压致裂后粗糙度随轴压的增大而增大。研究成果对钙芒硝矿层的原位溶浸流体化开采具有重要的工程价值。

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碱激发矿渣固化土压平衡盾构渣土的试验研究

许福, 蒋川梓, 张书经, 阳栋, 李水生

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 849-859.

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利用碱激发高炉矿渣对土压平衡盾构渣土进行固化,考察了矿渣掺量、液固比、碱激发剂、成型压力、养护温度等因素对固化土力学性能的影响,分析了固化反应的主要产物及固化土的微观结构,研究了固化土的抗酸抗盐侵蚀能力。结果表明:碱激发高炉矿渣对土压平衡盾构渣土具有较好的固化能力,在配比范围内,随着高炉矿渣掺量的增加,固化渣土抗压强度和表观密度增大;固化渣土强度的主要来源是碱激发高炉矿渣生成的C-S-H和C-A-S-H;氢氧化钠和水玻璃的复合激发相对于单一激发固化效果更好,液固比、成型压力和养护温度对于固化渣土的抗压强度有一定影响;硫酸钠对所制备的固化渣土的侵蚀作用较小,而硫酸和盐酸的侵蚀作用相对较大。

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竖向受荷螺杆桩工作性状试验研究

陈亚东, 于艳, 董云, 孙华圣, 龚成中

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 860-867.

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螺杆桩工作性状受众多因素影响,其中叶片间距和螺纹段长度是两个关键影响因素。为了研究竖向受压螺杆桩承载力及桩周土体变形渐进发展规律,进行了基于数字图像相关变形测量技术的模型试验,并利用现场实测结果初步检验了模型试验的可靠性。研究揭示了叶片间距和螺纹段长度对螺杆桩极限承载力的影响规律,建立了归一化的叶片距径比因素和螺纹段长度比因素经验表达形式,给出了本次试验条件下合理的叶片距径比和螺纹段长度比取值。研究总结了不同沉降阶段直杆段、螺纹段和桩端截面周围土体位移场分布规律,提出了不同桩型参数螺杆桩桩周土体破坏模式。研究结果为螺杆桩设计参数优化和承载力计算理论建立提供了试验依据。

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单次升温条件下硫酸盐渍土的融沉试验研究

张卫兵, 任亚军, 周瑞璞

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 868-874.

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硫酸盐渍土具有明显的随季节温度变化而发生土体结构改变的特性,给工程造成较大危害。为研究单次升温条件下硫酸盐渍土的融沉特性,在室内配置压实度分别为90%、95%和98%,含盐量分别为0%、2%、5%、8%和10%的硫酸盐渍土试样,采用高低温试验箱进行单次升温试验。结果表明:单次升温条件下,硫酸盐渍土的融沉过程可大致分为4个阶段,温度于-15 ℃~-10 ℃(±5)区间为“结构融沉”阶段,-10 ℃~0 ℃区间为“融沉调整”阶段,0 ℃~15 ℃区间为“冰消融沉”阶段,15 ℃~25 ℃区间为“结晶融沉”阶段。0%含盐量时,其融沉率随压实度增大而减小,不同含盐量条件下的融沉率均大于0%含盐量时的融沉率,且当压实度在90%~95%范围内变化时,融沉率与压实度呈反比例变化趋势;98%压实度土体的融沉率在2%~8%含盐量时总体呈减小趋势,10%时又骤然增大;压实度为95%和98%时,在15 ℃~20 ℃区间融沉率增量最大,并在20 ℃达到最大值;而压实度为90%时,达到该状态时的温度为25 ℃;综合分析认为处理硫酸盐渍土地基的压实度以95%为宜。该研究可为硫酸盐渍土地区工程建设提供借鉴和参考。

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陆相页岩CO₂压裂裂缝起裂和扩展特征试验研究

王迎港, 穆景福, 孙晓, 吴金桥, 张成朋

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 875-882.

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富含黏土矿物的陆相页岩气储层在传统水基压裂过程中易出现基质黏土吸水膨胀现象,降低页岩双重孔隙介质渗透特性,使得页岩气开采遇到一定的阻碍。因此,针对高水敏性页岩气储层,采用CO₂等无水压裂技术的特性研究显得愈发重要。采用延长陆相页岩和致密砂岩试样开展CO₂与清水室内压裂对比试验,揭示了CO₂压裂起裂及扩展特征。实验结果表明:CO₂压裂起裂压力远低于清水压裂,平均值仅为后者的60%;页岩丰富软弱层理面削弱最大主应力对主裂缝扩展的影响,导致沿层理面产生剪切裂缝;低黏度CO₂的高渗滤导致孔隙压力升高,并降低基质缺陷及弱面处的有效应力,有利于裂缝尖端沿着试样内部缺陷薄弱区域扩展,从而形成粗糙裂隙表面。可见,CO₂无水压裂技术适用于超低渗透性页岩气储层改造,研究结果可为水敏性陆相页岩气的现场压裂施工与参数优化提供支撑。

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沉井顶板钢混梁板组合结构抗弯性能试验研究

杜惺倩, 夏才初, 陈孝湘, 金天垚

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 883-890.

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依据沉井工程实际,设计并制作了两种地下沉井顶板钢混梁板组合结构的模型试件,根据钢骨架与混凝土板之间是否设置抗剪连接件,将两个模型试件分为梁板点焊连接的无抗剪模型以及梁板整体浇筑的有抗剪模型。通过对两个试件进行三点弯单轴静力加载试验,得到组合结构的抗弯承载力,并绘制出其跨中荷载-挠度曲线和荷载-应变曲线,分析二者破坏特征。通过对比试验可知:设置抗剪连接件可有效提高结构的整体性以及抗弯承载能力,并推迟混凝土板裂缝的开裂时间,减缓裂缝发展趋势;通过降低截面高度能提高组合结构的整体稳定性,并增加工作空间利用率。

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富有机质页岩水化特征的试验研究

王跃鹏, 刘向君, 熊健, 梁利喜

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 891-900.

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为揭示富有机质页岩水化损伤机理,以长宁地区龙马溪组页岩为研究对象,借助于XRD衍射、自吸、浸泡、水化应力、水化应变等一系列物理试验,对其水化特征进行了研究。实验结果表明:富有机质页岩以黏土矿物和石英为主,黏土矿物中伊利石和伊蒙混层为主要成分,无蒙脱石;自吸水过程中会发生水化作用,且黏土矿物含量越高,自吸水量越大,水化反应越易发生;水化作用前期较剧烈,后期逐渐趋于稳定;水化过程中可观察到裂纹的萌生、扩展和汇合现象,进一步演化为宏观贯穿裂纹。黏土矿物中伊利石的线性水化应力稍小于蒙脱石,但水化应变却远小于蒙脱石。不同黏土矿物、混层矿物的水化不均匀导致富有机质页岩发生水化损伤现象。

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阳离子型化合物改良膨胀土试验研究

周盛全, 史敏劼, 李剑伟, 李栋伟

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 901-909.

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为探究不同阳离子化合物改良膨胀土工程特性的实际效果,并确定最佳复合配比,分别选用硅酸钠(Na₂SiO₃)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)作为改良剂,对改良土样进行一系列物理力学性能研究。结果表明:随着两种改良剂的掺入,膨胀土的液塑限、胀缩率、强度均有明显改善与提高;界限含水率指标上,两种改良剂改善效果相差不大;CPAM更有效降低土的膨胀性;Na₂SiO₃在降低土的收缩性和提高抗剪强度方面效果更明显。选用0.6% CPAM与Na₂SiO₃进行复掺,随着Na₂SiO₃掺量的增加,改良土的无侧限抗压强度呈现先增长后降低的趋势,4% Na₂SiO₃和0.6% CPAM复掺效果最佳且水稳性更优,扫描电镜(SEM)显示复掺改良后膨胀土由弯曲起皱片状结构转为块状结构,提高了土体的密实性和强度。

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奥陶系灰岩顶部超前区域注浆浆液选配分析

柳昭星, 董书宁, 王皓

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 910-924.

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煤矿底板注浆加固或改造广泛采用水泥基浆液,而由于注浆材料和浆液性能的差异,在注浆实践中缺少对注浆材料的合理选配及浆液类型和配比的有效调控,致使超前注浆效果难以达到预期目标。针对上述问题,以邯邢矿区奥灰顶部注浆改造为背景,通过分析奥灰顶部宏、细观发育特征,结合当地注浆所用水泥、黏土和粉煤灰等注浆材料的粒径分布特征,对注浆材料进行了合理选配;考虑水灰比、水玻璃掺量、奥灰水化学类型、固相比等因素,对水泥基浆液的物理力学性质进行了正交试验,得到了水泥基浆液物理力学性质及其主控因素。研究结果:奥陶系灰岩顶部峰峰组七段岩层富水性和渗透性大于其上部峰峰组八段,细观空隙中数量占比以闭合裂隙和微张裂隙为主,均值分别为120 μm和420 μm,宽张裂隙和中张裂隙在裂隙面积中占主要比例,具有较好延展性;奥灰顶部注浆改造过程中可采用水泥-粉煤灰或水泥黏土浆液进行“垫底式”充填注浆,而后采用水泥浆液对微小裂缝和闭合裂隙进行升压注浆或劈裂注浆;水泥浆液、水泥-粉煤灰浆液、水泥-黏土浆液的凝结时间主控因素均为水玻璃掺量,水泥浆液黏度的主控因素为水玻璃掺量,水泥-粉煤灰浆液和水泥-黏土浆液黏度主控因素均为水灰比,水泥浆液和水泥-粉煤灰浆液结石率主控因素均为水灰比,水泥-黏土浆液结实率主控因素为水玻璃掺量,三种浆液抗压强度和抗折强度主控因素均为水灰比;综合注浆工艺、承压含水层静水压力、受注地层特征等因素,得到了满足静水压力10 MPa的奥灰顶部适用性的配比浆液和调控工艺,可为奥灰顶部超前区域改造注浆材料选配和浆液调控提供借鉴和参考。

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露天矿山岩体力学参数估算法的应用研究

徐雷, 杜时贵, 朱益军

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 925-934.

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露天矿山边坡稳定性分析中岩体力学参数的取值至关重要,Hoek-Brown强度准则可以充分反映岩石的非线性破坏的特点,广泛应用于工程实践;结构面作为岩体的一部分,其对岩体的影响不可忽略;结构面的稳定性由抗剪强度决定,对结构面力学参数的估计同样是评价岩体强度的重要组成部分。利用轮廓曲线法和回弹法量取结构面粗糙度和壁岩强度量化地质强度指标GSI,并对潜在滑移结构面抗剪强度精准取值。结合广义Hoek-Brown强度准则估算和兴矿山II-B边坡岩体力学参数,通过极限平衡法分析其整体稳定性系数;利用Barton-Bandis模型线性拟合,计算结构面抗剪强度,对滑体落岩的稳定性进行分析。计算结果表明,整体边坡安全系数F_s=1.285,稳定性较好;含有潜在滑移结构面的岩体安全系数F_s=0.911,局部存在单平面滑移可能。计算结果符合现场实际情况,经反算法验证后,证明通过该方法估算得到的岩体强度参数及结构面抗剪强度是合理的。

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固化剂加固温州淤泥的物理力学性质研究

邵吉成, 袁波, 骆嘉成, 卢立海, 傅正园

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 935-944.

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为了提高温州淤泥的强度,对淤泥进行资源化利用,采用固化剂对淤泥进行室内固化试验,探究在各掺量固化剂作用下,淤泥的各项物性指标的变化;同时,在现场对淤泥展开固化试验研究,以静力触探试验和平板荷载试验评价固化淤泥的承载力,探究在实际工程中固化剂对淤泥的固化效果。室内试验结果表明:当固化剂掺量超过4%后,淤泥的压缩系数明显降低,土体的工程性质得到有效改良;当固化剂掺量为8%时,养护28 d后,固化淤泥的黏聚力和内摩擦角分别为216.25 kPa和28.6°。现场静力触探试验表明:固化剂掺量在4%~8%时,固化淤泥的承载力特征值为121.52 kPa~146 kPa;平板荷载试验对土体的承载力检测结果在整体上要高于静力触探试验检测结果。在对温州淤泥进行资源化利用的实际工程中,4%~8%固化剂掺量可以作为一个有效的参考。

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地铁盾构隧道装配式外置捷装挂架承载性能研究

黄少强, 蔡燕燕, 彭健, 刘荣标, 俞缙

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 945-954.

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装配式外置捷装挂架系统是一种适用于地铁盾构隧道内固定机电设备和管线的新型支架结构,具有工艺简单、绿色环保、对隧道管片无损伤等优点。以福州地铁5号线工程实例为背景,通过现场静力试验和有限元软件模拟等手段,研究装配式外置捷装挂架系统的承载性能。研究表明:(1)地铁盾构隧道装配式外置捷装挂架系统在静载作用下考虑3倍安全系数能满足结构的安全性能;(2)在荷载作用处、长螺栓与槽道、混凝土管片手孔处、槽道与挂耳交接处都出现局部应力集中现象,应力最大点位于长螺栓的顶部,但最大应力均小于材料容许应力;(3)当荷载作用在接触网横梁上,长螺栓变形影响最大,对混凝土管片、挂耳、纵向连接螺栓变形影响很小。

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护盾式TBM施工隧洞豆砾石吹填过程模拟研究

胡超, 黄秋香, 汪雪英

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 964-972.

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豆砾石吹填是TBM施工中非常重要的一道工序,研究吹填过程对分析填充层质量和优化吹填工艺具有一定的工程应用价值。借助PFC在离散体研究方面的优势对豆砾石吹入过程进行多方案模拟,并进行豆砾石的受力运动分析,探究填充层内豆砾石的分布特征及其影响因素。结果表明:依次吹填管片环中部80°、上部160°、顶部180°(补吹)吹填孔,填充层呈4段分布,其中0°~45°和75°~135°区间,粒径不同的颗粒分层分布严重,大颗粒分别靠近管片侧和围岩侧,45°~75°区间存在局部颗粒分层分布现象,135°~180°区间存在吹填不密实的问题;分层分布现象受吹入豆砾石颗粒的粒径组合、表面摩擦系数、所受压力大小等因素的影响;通过改变吹填孔位置和新增吹填孔,控制各孔的填充范围,进而降低颗粒在该范围填充完成前受到的压力,再采用阶梯吹填法吹填,能显著缩小分层分布区且使颗粒分布更为规整。吹填孔的填充范围应控制在45°内,但顶部吹填孔易发生堵塞,不宜用做大量颗粒吹填,因此具体部位吹填孔的填充范围需进一步研究。此研究成果可为工程吹填方案设计提供一定的参考。

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黏质黄土地层高铁隧道变形控制基准研究

王圣涛, 冯冀蒙

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 973-981.

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黄土隧道具有埋深浅、开挖时变形量大、稳定性差的问题,下穿既有建构筑物时,给地表建构筑物的安全带来巨大的影响,需保证开挖过程中变形在规范规定的范围内。针对黏质黄土地层高铁隧道开挖过程中的拱顶及地表变形规律进行分析,结合现场实测数据的分析,得出黏质黄土地层中隧道的沉降量与埋深及开挖方法有直接关系,相同的埋深下地表沉降与拱顶沉降有着显著的线性关系,其比值与施工方法的相关性不大。进一步得出了基于地表沉降控制要求的黏质黄土地层高铁隧道施工变形控制基准:S_v=[δ]/i_H,可供类似工程进行变形控制提供依据。

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旋喷桩连续施工引起的地表变形现场试验研究

敖江忠, 郑新江, 李东, 鲜谊, 徐宇冉

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 982-988.

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旋喷法作为一种有效的地基加固方法,被应用到基坑、隧道、路基施工等多种工程领域。旋喷桩施工时,高达数十兆帕的注浆压力以及不断注入的水泥浆会对周围土体产生扰动,引起土体变形,危害周边既有结构物的安全。在宁波软土地基上进行了连续旋喷施工试验,研究了连续旋喷施工引起的周围土体的地表变形。采用了全自动全站仪对施工过程中的周边土体进行实时监测。监测结果表明,地表最大水平位移为180.31 mm,地表隆起为179.54 mm。累计地表最大垂直位移与水平位移均随与相邻旋喷桩的距离的增加而减小。在相同距离下,越靠近施工区域中心线,位移越大。基于监测结果,提出了一些减小旋喷桩施工对周边土体影响的方法。

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预应力鱼腹式基坑钢支撑抗倒塌分析

孙巍巍, 冯君, 谷丽娜

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 989-996.

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为了有效评估预应力鱼腹式基坑钢支撑抗倒塌能力,利用“拆除构件法”,开展了该预应力支撑体系的冗余度研究。基于验证后的三维预应力鱼腹式钢支撑体系有限元模型,实现了深基坑施工全过程模拟,获得了不同开挖阶段预应力筋轴力和桩体位移等参数的变化规律。研究表明:在施工过程中应更关注钢绞线和支撑轴力的监测,通过及时对钢绞线进行补张拉和调整支撑的预加轴力控制基坑的变形;二层支撑的各杆件冗余度比一层支撑更小即更为关键;在各构件的横向比较中,对撑的冗余度<角撑的冗余度<钢绞线的冗余度,即对撑失效对结构连续性倒塌的抵御能力最差。

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复杂地质病害隧道衬砌拆除塌方机理及处治措施

于占强, 毛金旺, 梁宁慧, 周侃, 周小涵

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 997-1005.

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为研究病害整治隧道二衬拆除塌方机理及处治措施,以重庆某隧道二衬拆除过程中拱顶塌方为例,分析塌方段地质条件、病害状况及塌方过程等,探究塌方发生机理及其处治措施。结果表明:隧道衬砌腐蚀、开裂、渗漏水等病害以及塌方段围岩松散破碎,具有腐蚀性的地下水使得围岩呈现“结构性弱化”,是产生塌方的主要内因;施工扰动下,块碎石堆积荷载超过初支的极限承载力,导致初支开裂,暴雨天气又使得上覆岩层重量增加是导致塌方的主要外因。采用分台阶开挖塌方体,空腔处泵送砼回填,配合使用超前小导管、锁脚锚杆、钢拱架等支护措施,清除塌方堆积体并重新浇筑衬砌结构,可为类似工程塌方处理提供借鉴。

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西安洪庆地铁车站地基湿陷性研究

王立新, 邵帅, 邵生俊, 邓国华, 王志壮

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 1006-1014.

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以西安地铁洪庆站为研究对象,针对现行“湿陷性黄土地区建筑规范”评价方法所得结果误差较大的问题,开展了现场原位试坑浸水试验,表明了该车站位于自重湿陷性黄土场地。通过数值分析方法,模拟车站施工过程,分析了不同埋深条件下车站基底分布实际竖向应力,揭示了地铁车站修建过程中地层内的卸荷特征,建立了不同埋深车站基底及围护结构基底竖向压缩应力分布函数。应用Flamant弹性解,建立了基底黄土实际竖向压缩应力随埋深变化的计算公式。通过结构压缩屈服应力与综合物理特征量的关系、压缩孔隙比与初始孔隙比比值与压缩应力与结构压缩屈服应力比值的关系,建立了计算浸水饱和黄土湿陷系数的“浸水结构破坏湿陷性”评价方法,并与现场试坑浸水试验结果进行比较,验证了评价方法的可靠性。对黄土地区城市轨道交通工程设计中湿陷变形量预测和地基处理深度的合理确定具有一定的参考借鉴意义。

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深厚淤泥土深长基坑开挖对邻近建筑的影响

杨忠平, 刘浩宇, 周小涵, 张益铭, 常嘉卓

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 1015-1024.

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沿海区域存在大量淤泥土层,其通常表现出高压缩性、流变性及触变性等不良工程地质性质。因此,深厚淤泥土深长基坑开挖面临着极高施工风险,对周边环境的影响显著。为进一步阐明深厚淤泥土深长基坑开挖施工力学效应,依托某深基坑工程,通过有限元三维数值模拟,揭示了淤泥土深长基坑开挖对邻近建筑的影响规律。结果表明:深厚淤泥土层的存在使基坑开挖影响区的水平影响区域明显增大,竖向影响区域所受影响较小,在水平距离150 m、深度85 m范围内土体皆受基坑开挖影响;基坑以及建筑轮廓凹凸部出现应力集中,在淤泥土层,地连墙以及既有隧道墙板应力集中处的水平位移存在明显突变;既有隧道水平位移和沉降曲线呈“中间大,两头小”的特征;大桥变形随开挖深度增加而变大,桥桩在淤泥土层的水平位移明显增大,最大水平位移达5.33 mm,最大沉降达9.92 mm。

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复杂环境公路隧道裂缝快速识别与分割算法研究

谢雄耀, 王皓正, 周彪, 蔡杰龙, 彭飞

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 1025-1033.

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随着我国公路隧道由建设为主朝建养并重转化,在运营里程快速增长与既有隧道劣化加剧的双重作用下,移动检测及结构安全快速诊断已成为目前公路隧道运营维养领域的研究热点之一。我国已研发了多种类型的隧道检测车,为裂缝、渗漏水等表观病害的快速检测提供了手段,然而公路隧道衬砌图像背景复杂、干扰因素多、裂缝占比小的特点,给检测数据的快速分析带来巨大挑战,已成为制约技术推广的主要瓶颈。基于深度学习算法,本文提出了一种将目标识别与语义分割进行组合的裂缝快速提取方法,首先采用Faster R-CNN网络对原始衬砌图像进行目标识别,判定所采集图片是否存在裂缝并智能框选出裂缝区域;随后对框选出的裂缝区域自动裁切,由此过滤不含裂缝的图片并去除含裂缝图片中的干扰背景,再利用U-Net语义分割网络对裂缝进行像素级分割。通过实际工程验证发现,单幅图像裂缝整体分割时间小于0.15 s,在常见各类干扰因素下,目标识别F1值可达到92%,语义分割像素准确度可达到98%以上。与阈值分割和同类智能分割算法相比,本方法显著提高了识别速度与精度,为从隧道检测车海量数据中进行快速准确的裂缝提取提供了良好手段。

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交叠车站下穿段MJS+水平冻结冻胀位移场研究

佘才高, 黎庆, 周子朋, 张玉武

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 1034-1043.

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交叠车站下穿段隧道进行开挖前首先要进行加固处理,以南京新建地铁7号线下穿既有10号线中胜站工程项目为背景,为控制施工引起既有运营车站的变形,采用MJS+水平冻结法联合加固方案。为掌握MJS+水平冻结联合加固的冻胀变形、冻胀位移场发展规律及其影响因素,进行冻胀位移场数值模拟。研究结果表明:在积极冻结过程中,“山”字形水泥土加固区内部及其左右两侧产生向上的变形,底部则产生向下的变形;水泥土加固区变形相比内外侧砂土变形较小,水泥土对抑制冻胀作用效果明显;地层初始温度越低,冻胀变形影响范围越广,变形值越大,在冻结40 d、地层初始温度为18 ℃时,既有车站底板在距中轴线水平距离12 m处产生最大冻胀变形,为6.97 mm,小于允许冻胀变形10 mm;在相同地层初始温度下,盐水温度越低,隧道埋深越浅,冻土帷幕越厚,冻胀产生的变形越大,实际工程中可通过优化盐水降温计划抑制冻胀变形以减小对周边环境的影响。研究结果可为相似工程提供设计参考理论依据。

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穿越软硬突变地层隧道纵向不均匀沉降分析

兰庆男, 彭鹏, 李长俊, 张志强, 林迪睿

地下空间与工程学报. 2022, 18(3): 1044-1050.

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纵向穿越软硬突变地层的盾构隧道在外部施工因素影响下极易产生不均匀沉降,从而诱发管片环间错台、螺栓剪断和接缝渗漏水等病害。为进一步研究外部因素对其竖向位移的影响,基于Winkler弹性地基梁理论推导任意荷载作用下隧道竖向位移公式,结合Boussinesq解采用两段分析法分析地面堆载大小、尺寸以及隧道埋深对盾构隧道竖向位移规律的影响。以厦门地铁2号线某区间为工程实例,验证理论公式的合理性。研究结果表明:在地面堆载作用下,隧道竖向位移曲线多数服从正态曲线分布,且软土区盾构隧道竖向位移普遍大于硬土区;堆载长度对最大竖向位移的影响有限,当堆载长度超过一定界限时,最大竖向位移不再增大,但其范围会随之扩大;当堆载宽度超过一定限度时,竖向位移曲线基本不再发生变化;当埋深较浅时,软硬土交界处盾构隧道两侧竖向位移差异不大,随着埋深的增大,隧道最大竖向位移逐渐向软土区偏移。研究结果可为纵向穿越软硬突变土层地铁盾构隧道的设计提供参考依据。

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