地下空间与工程学报

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高永红, 任辉启, 王明洋, 黄旭, 王挥

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1051-1057.

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郑州市“720”特大洪水造成地下空间严重灾害。随着各类灾害的发展演变以及地下空间开发利用层次和规模的提高,灾害防御将越来越重要。吸取郑州特大暴雨灾害教训,总结分析地下工程灾害情况,深入讨论城市地下空间科学发展的防灾问题,切实保住地下空间安全底线,具有重要意义。本文重点从灾害防御统筹兼顾防治结合、灾害防御兼顾国防安全、防灾标准适度超前、地下空间修复重建与地面工程规划设计相结合、加强大灾害预警预防信息化和智能化建设等方面对城市地下空间重大灾害防御进行了深入探讨,建议试点先行探索城市地下空间重大灾害防御的体制机制、规划计划、技术标准、新理念、新技术、新工艺等,深入开展成灾致灾机理、地下感知探测、灾害情景、韧性地下空间等研究。

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日本轨交站域地下步行系统发展类型动因研究

顾宗超, 刘睿哲, 陆伟

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1058-1066.

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地下步行系统作为解决城市中心密度过大、交通拥挤的有效方法之一,在世界各地应用广泛。由于地下空间建设的不可逆性,对地下步行系统发展的空间类型和驱动因素的把握,对于地下空间开发利用和行人系统规划具有十分重要的现实意义。本文旨在探究地下步行系统发展动因,首先通过对日本地下步行系统案例探究和总结,将日本轨交站域地下步行系统的局部发展类型总结为:缝合型、吸引型、连接型、拓展型4种,并从所处位置、容积率、人流疏导形式、出入口形式、衔接方式5个方面对比归纳其空间组织规律,总结出气候、容积率、商业、交通4种区域影响因素。以期为国内地下步行系统的规划和设计提供参考。

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三心圆拱断面隧道围岩黏弹性位移解及应用

李德宏, 白迎正, 李维瑞, 黄小通

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1067-1076.

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基于弹性力学的复变函数方法和弹性-粘弹性对应原理,将物理平面(z平面)上三心圆拱断面隧道围岩区域映射到计算平面(ζ平面)上单位圆外域,并用2个应力函数表示围岩的应力、位移及其对应边界条件。考虑临近开挖面的空间影响效应,将其以应力释放率表示,运用幂级数解法、Laplace变换等手段给出了三心圆拱断面隧道围岩的粘弹性位移解析解,并与数值解对比验证了理论解的正确性。将该方法应用于杨林隧道,分析了围岩粘弹性变形规律,揭示了隧道开挖面推进速度、空间影响效应、侧压力系数对隧道围岩粘弹性位移的影响规律,对类似断面隧道围岩粘弹性变形分析具有普遍应用价值。

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结构性黄土的各向异性临界状态模型

侯乐乐, 翁效林, 周容名, 秦婧婧, 崔艺铖

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1077-1086.

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本文在结构性类修正剑桥模型的基础上综合考虑了天然黄土的结构性及其演化规律、初始各向异性特征,建立了适用于天然黄土的临界状态本构模型。从能反映土体结构性的类修正剑桥模型出发,通过在屈服面、硬化准则以及临界状态描述方面引入各向异性参数,以此来反映天然黄土的各向异性特征。进一步地采用非相关流动法则推导出了饱和天然黄土的临界状态本构模型。本文模型共有9个参数,与传统的修正剑桥模型相比,增加了3个反映结构性的参数和1个各向异性参数,其均可通过常规三轴试验确定。通过选取不同地区黄土试验结果对比,表明所建立的本构模型能够较好地描述饱和天然黄土的结构性和各向异性特征。

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基于GPU加速随机场的洞室变形破坏特征研究

孟庆祥, 崔志浩, 朱淳, 李小双, 谢良甫

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1087-1096.

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洞室围岩参数一般具有很强的空间变异性,本文研究了岩体参数随机空间分布对围岩稳定性的影响。提出了基于协方差矩阵分解和GPU加速的空间随机场生成方法,建立将随机场与高级应变软化模型参数的映射,对比不同条件下随机场的变化以及对后续模拟开挖的影响。结果表明:指数型相关函数生成的随机场较为稳定分散,其最大位移值变化范围较小;平方指数型相关函数生成的随机场更为紧凑,最大位移值波动范围较大,偶然出现较危险的位移;对比X,Y相关长度可以发现,最大位移点的分布是相似的,开挖过程中洞室两侧中部、底部和拱顶是危险区域,损伤位置主要集中在洞室侧墙、拱顶交接处和侧墙中部。

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考虑弹性模量劣化的洞室围岩弹塑性分析

赖勇, 蒲扬东, 贺任凯

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1097-1105.

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洞室开挖伴随岩体参数的劣化,描述参数的劣化对指导工程实践具有重要意义。为描述变形参数的劣化,基于霍克-布朗准则,利用损伤门槛值表征弹性模量劣化程度,通过泰勒级数简化求解含损伤门槛值的平衡方程得到塑性区半径解析解并给出损伤门槛值的取值方式,结合有限差分软件FLAC^3D对比验证了公式合理性。基于常弹性应变和变弹性应变2种假设,联合非关联流动准则获得了含损伤门槛值的塑性区位移表达式。最后,通过算例分析了不同参数下塑性区半径及洞壁位移变化规律。结果表明:劣化越严重,洞室越容易失稳;随着损伤门槛值增大,2种假设下的位移差值和塑性区半径逐渐增加,常弹性应变假设得到的位移偏小。为避免洞室失稳破坏,要重视支护的施作。

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卸荷破裂岩体非定常分数阶蠕变模型

王璐, 阚子威, 唐时美, 贺安, 成昊宇

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1106-1114.

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针对锦屏一级水电站地下厂房大理岩赋存环境地应力高的特点,通过室内试验将完整大理岩试件制备为卸荷作用下形成的含破裂面试件,并对卸荷破裂岩体试件进行了三轴蠕变试验,揭示了卸荷破裂岩体轴向和横向蠕变特征及围压效应。恒定荷载下,卸荷破裂岩体横向变形较轴向变形具有更显著的蠕变特征,且围压对横向蠕变发展的限制作用更明显。针对卸荷破裂岩体蠕变的非线性特征及横向蠕变特征,采用Koeller分数阶粘弹性体替换了广义开尔文体中的牛顿体,并考虑模型参数在应力与时间影响下的非定常特性,结合扩容比-时间关系方程,建立了能全面描述卸荷破裂岩体横向蠕变特征的非定常分数阶模型。试验结果对比模型结果表明该模型能够较好地描述卸荷破裂岩体轴向与横向蠕变的非线性特征,对于研究高应力、强卸荷作用下地下硐室围岩侧向长期变形具有一定参考意义。

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盾尾刷压缩弹塑性数值模拟及弹性性能评价

钟小春, 钟建玲, 竺维彬, 万建成, 朱能文

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1115-1124.

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盾尾刷于盾尾盾壳与拼装管片环间形成环形2—4道油脂腔密封系统,阻止盾尾空隙中的地下水、土砂、泥水和同步注浆浆液进入隧道内,保障隧道内环境整洁与盾构掘进安全,所以准确掌握盾尾刷的力学特性是确保盾尾密封和盾构掘进安全的前提。基于Midas GTS建立了盾尾刷弹塑性受力计算模型,模拟盾尾刷加载卸载过程中贴合力的变化,并与试验结果对比验证该计算模型的合理性,同时可得出盾尾刷贴合力、刚度系数、压紧板残余高度和残余角度等指标。研究结果表明:(1)数值模拟所得到的贴合力变化与实验数据基本一致,验证了建立的数值模型和材料参数选择的合理性;(2)在盾尾刷压缩过程中盾尾间隙逐渐减小,贴合力几乎线性增大而压紧板的残余高度和残余角度几乎线性减小,但塑性变形占比逐渐增大而弹性变形占比逐渐减少,最终趋向于各占约50%;(3)盾尾刷的弹性性能是盾尾刷密封性能评价的关键,其弹性性能可根据贴合力、刚度系数、压紧板的残余高度和残余角度进行评价;(4)根据现场盾尾刷失效情形总结出了3种失效模式都与盾尾油脂逃逸无法维持油脂腔内油脂压力的稳定有关,油脂逃逸则是由盾尾刷弹性性能决定的。本文建立的盾尾刷弹性性能评价指标可作为盾尾刷性能评价参考。

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不同吸力和应力路径下Q₃原状黄土的力学特性

张林, 李同录, 李纪恒, 梁伟, 陈存礼

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1125-1133.

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为了研究吸力和应力路径对兰州Q₃原状黄土应力-应变、临界状态和强度等力学特性的影响,用GDS非饱和三轴仪对不同吸力原状黄土试样进行了应力路径(等向压缩(IC),常规三轴剪切(CTC),等平均应力三轴剪切(TC),减围压三轴剪切(RTC))压缩试验,试验结果表明:(1)随着吸力的增加,试样的弹性指数变化不大,而结构屈服应力和塑性指数增加;(2)应力路径和吸力对原状黄土的初始模量、硬化程度、抗剪强度、剪缩剪胀有明显影响,随着吸力增大,RTC路径下的应力应变曲线出现软化和剪胀现象,不同剪切路径下试样破坏偏应力大小顺序为CTC>TC>RTC;(3)不同应力路径的q-p和v-lgp临界状态点皆收敛在一条直线上,不同吸力下的临界状态线近似平行,不同吸力和应力路径的q-p和v-lgp临界状态线可以进行归一,并提出了统一临界状态方程;(4)随着吸力的增加,原状黄土的内粘聚力增加,而内摩擦角几乎不变,应力路径对抗剪强度参数没有影响。

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温度影响膨润土-砂混合物的膨胀性能研究

项国圣, 葛磊, 胡志杰, 周殷康, 谢胜华

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1134-1141.

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高放废物深层地质处置库运行中,核废料衰变会释放较大热量,研究温度影响压实膨润土-砂混合物的膨胀特性对于评价处置库人工屏障系统的性能具有重要意义。本文对高庙子钠基膨润土及其含砂混合物在25、60、90 ℃下进行了膨胀实验。结果表明:渗透膨胀时,蒙脱石膨胀系数与温度之间(K-T_c)呈线性关系,最大膨胀应变随着温度升高而增大;相同温度下,高膨润土含量的混合物体积变形可以用e_m-σ_v分形关系表示,并且在去离子水内浸泡时,膨润土表面分维不受温度影响;低膨润土含量的混合物中存在砂骨架,上覆应力超过试样应力阈值时,e_m会偏离e_m-σ_v曲线。结合分形模型,提出了一种预测不同砂土比的膨润土-砂混合物在不同温度下的膨胀变形计算方法。

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钻齿破碎岩石过程红外特征研究

邓嵘, 叶柏良, 杨宏宇, 何香江, 黄安龙

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1142-1148.

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由于岩石内部破碎、开裂变形难以直接观测,室内试验很难有效地研究钻齿破岩过程,因此通过红外热像无损检测技术观测钻齿压入岩石时岩石破碎过程。根据岩石破碎红外特征定量确定了不同损伤区域半径的大小;并结合空腔膨胀模型(CEM)理论对不同岩石损伤区域的温升差异进行了解释,认为不同损伤区的温升差异是由不同热耦合机制导致的;岩石的损伤半径、温升大小表明,钻齿对岩石造成的损伤程度与钻齿几何形状有关;球形钻齿在岩石表面造成的损伤范围更大,锥形钻齿在岩石损伤区造成的温升更高;通过岩石破碎体积验证了红外特征划分岩石损伤半径这一方法的可靠性。研究成果为研究钻齿在破碎岩石过程中岩石的破碎和损伤机理提供了帮助。

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节理形貌对节理动态力学特性影响试验研究

戎立帆, 胡锦琳, 李伟, 洪胜男

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1149-1159.

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为全面评价不同节理形貌特征(吻合度和粗糙度)对节理动态法向力学特性的影响,本文根据新提出的节理形貌生成方法,基于全因子实验设计,生成了6种粗糙度和5种吻合度组合下的全部30个节理形貌,并结合3D打印技术和水泥胶砂浇筑方法制作出节理试样,采用SHPB装置开展冲击压缩测试,得到了不同形貌的节理的动态应力-闭合量曲线,开展吻合度和粗糙度与节理动态力学参数的关联分析。结果显示,吻合度和粗糙度越小则节理动态刚度越弱,且吻合度对节理动态力学特性的影响大于粗糙度;吻合度和粗糙度对节理初始刚度的共同影响属于叠加影响,但在对节理最大闭合量的共同影响中,二者并不独立,而是存在交互作用。

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考虑主应力方向的Q₂原状黄土定向剪切试验研究

王睢, 钟祖良, 赵鹏, 高志华, 刘超

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1160-1168.

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为了研究在定向剪切下主应力偏转角对Q₂原状黄土强度与变形特性的影响,探讨了在定向剪切荷载作用下Q₂原状黄土的变形与强度特性,对比分析了重塑黄土与原状黄土结构性对剪切特性和非共轴特性的影响。结果表明:由于原状黄土内部结构性差异,当主应力偏转角α在0°和15°时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐增加,非共轴性增强;当主应力偏转角α在30°~90°之间时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐减小,非共轴性减弱,整体上呈先增强后减弱的趋势。该原状黄土达到破坏时的总广义应变值较小,通常为2%左右达到峰值强度,然后迅速发生较大变形而破坏。

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盲天井掏槽爆破成腔试验研究

董越权, 徐万寿, 钱正乾, 王军, 张智宇

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1169-1176.

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为解决大红山铁矿使用液压凿岩机开凿盲天井作业中劳动强度大、工作效率低和安全性差等问题,拟采用盲天井深孔爆破一次成井技术。对试验盲天井进行掏槽爆破试验,基于夹制作用下爆破破岩作用机理和成腔理论,对待爆区域的补偿系数进行计算,并设计了掏槽孔布置方案。现场采用导爆管雷管进行起爆,利用三维激光扫描仪对爆后槽腔进行扫描,对其面积随深度的变化规律进行了研究。结果表明:方案设计合理,起爆后待爆岩石全部抛出槽腔,断面呈莲花形,井口部位平整,井壁清晰;爆后槽腔深度达9.64 m,在近孔口0~2.5 m时,槽腔断面面积在0.3 m²以上,在距孔口3 m~8.5 m之间时,槽腔断面面积在0.2 m²上下波动,槽腔底部断面面积为0.04 m²;槽腔面积变化规律总体表现为从近孔口部位到槽腔底部,随着槽腔深度的增加,面积先逐渐减小,然后趋于某一值上下波动,最后快速下降,直至槽腔底部。试验结果为后续盲天井一次成井爆破提供了参考依据。

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预制裂隙3D打印岩体能量演化和破裂机制

邢国华, 罗小宝, 秦拥军, 刘彬, 孙强

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1177-1187.

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以光敏树脂为原材料设计制作了不同裂隙倾角的3D打印岩体试样,开展了单轴压缩试验并结合数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术对试样破坏模式、力学特性、能量演化和破裂机制进行分析。结果表明:单轴压缩荷载下,试样在预制裂隙端部萌生剪切裂纹或张拉裂纹,预制裂隙角度对试样破坏模式影响显著;试样应力-应变曲线分为4段:压密、弹性变形、塑性变形和破坏段;试样峰值应力和弹性模量在裂隙倾角22.5°和90°时分别取得最小和最大值;试样能量演化曲线分为5段,即压密耗能、线性储能、能量跳跃积聚、弹性应变能释放和能量耗散段;加载初期试样存在不均匀应变区域,随着荷载增大,高应变带有规律地出现;试样上下翼起裂角相近且随预制裂隙倾角增加而有规律地减小;试样畸变能越大,承载能力越差。

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酸化反应对煤矿顶板硬砂岩断裂行为的影响

陈立超, 王生维, 张典坤

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1188-1195.

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煤矿顶板硬砂岩断裂力学特征及其裂化机理对于煤矿切顶具有重要指导意义。借鉴酸化压裂思想,对浓度5%、10%、20%盐酸溶液分别浸泡7 d、14 d的内蒙古准格尔矿区硬砂岩半圆弯曲SCB试样实施三点弯曲加载,获取了上述样品酸化反应后Ⅰ型断裂韧度、断裂压缩功及断口形貌前后变化特征,初步明晰了酸化反应对煤矿顶板硬砂岩断裂行为的影响机制。研究表明:加载位移-载荷关系曲线显示砂岩试样断裂后阶段斜率较大,表明试样砂岩脆性显著,酸液浓度及反应时间对砂岩脆性影响不大但对砂岩宏观断裂前的曲线形态具有影响;随着浸泡酸液浓度增大砂岩试样断裂韧度K_IC呈递减趋势,反应时间越长递减斜率越小,反应初期损伤效应最为显著;随着酸液浓度增加试样岩石韧度的弱化,断裂压缩功随之减小;随着酸化反应进行砂岩试样断裂形式由单一张裂过渡为张裂-剪切破裂混合形式,酸化后硬砂岩断裂破碎效率提升;结合反应前后岩石矿物组成及微观形貌分析认为,酸液通过腐蚀砂岩中微斜长石、高岭石矿物形成缺陷,破坏矿物质点间的结合强度;酸化能够显著降低硬砂岩断裂能耗与岩石破碎难度,有利于提升煤矿切顶效率。

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层状盐岩能源储库泥岩夹层蠕变特性研究

陈鹤, 陈结, 吴斐, 丁博文, 卢丹

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1196-1205.

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针对目前层状盐岩能源储库围岩中泥岩夹层的蠕变特性问题,结合声发射技术对泥岩夹层的多级阶梯蠕变力学行为进行了研究,并分析了各应力水平下从初始加载到稳定蠕变的损伤特征。结果表明:在低应力水平下,夹层的轴向变形大于横向变形,随着应力的增加,尤其在临近破坏阶段,横向变形现象更加显著,而对应的轴向与横向稳态蠕变率随加载应力的增加均呈现非线性加速;在各应力水平的初始加载阶段,泥岩夹层产生大量 AE 信号,待蠕变稳定后AE 声发射计数信号明显减小,在最后一级应力水平下产生大量的AE信号;利用改进后的分数阶黏弹塑性模型与西原体模型对理论与试验蠕变曲线结果进行拟合对比,拟合结果表明改进后的蠕变方程曲线与试验曲线的演化规律更吻合。

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内部侵蚀砂土漏水漏砂试验及离散元数值模拟

刘伟平, 王书涵, 崔运帷, 王靓妮, 叶新宇

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1206-1215.

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砂土内部矿物成分的溶解、降解或内部侵蚀会造成土壤颗粒的损失,改变砂土土壤的微观结构,从而影响砂土的稳定性以及土体的强度和刚度。因此,为了研究不同内部侵蚀程度对引发漏水漏砂灾害的影响,通过引入一定数量的可溶解颗粒(盐)来营造内部侵蚀的情况,在水的渗透作用下,模拟了砂土内部侵蚀后漏水漏砂灾害,并通过三维离散元软件对试验过程进行模拟分析。结果表明,随着内部侵蚀程度从0%增加至30%,砂土沉降最大值从3.6 cm上升至6.6 cm,成拱时间从220 s缩减至140 s,内部侵蚀程度越大,颗粒接触力链越稀疏,导致土层表面塌陷沉降区越陡、越宽,天然滤层通道更深、更宽,砂土损失量越多。研究结果可为内部侵蚀砂土漏水漏砂灾害发生机理提供重要依据。

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既有公路隧道改扩建技术研究动态及展望

宋战平, 张泽坤, 程昀, 霍润科, 张玉伟

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1216-1234.

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社会经济的飞速发展导致公路运输需求与通行能力不相匹配的矛盾日益明显,既有公路隧道改扩建成为改善未来公路交通运输环境的长期有效手段。通过对典型改扩建公路隧道文献检索及案例统计分析,明确了公路隧道改扩建的发展趋势及研究动态,指出了公路隧道改扩建方案研究的现状与不足,依据方案比选提出了改扩建建议方案;结合4种典型改扩建工法及隧道扩大系数,提出了既有公路隧道改扩建的建议施工工法;阐述了改扩建公路隧道围岩压力计算、围岩力学响应、爆破振动控制及支护参数的研究动态与不足;提出了BIM技术、人工智能技术、绿色建造及碳中和理念等在改扩建隧道中的应用前景;指出建设标准规范化、扩建方案智能化、施工方法创新化和理论研究系统化是未来重点研究方向。

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微型劈裂注浆桩复合地基桩土应力比算法研究

邢利军, 周茗如, 戴烺

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1235-1243.

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劈裂注浆技术是加固黄土地基的常用技术,在进行劈裂注浆桩复合地基沉降计算时,需要合理的桩土应力比公式作为理论支撑。根据黄土劈裂注浆原理将桩周土划分为注浆压密区和原地基土区,认为注浆压密区土体呈现水泥土特性。考虑到劈裂注浆桩与注浆压密区间相互作用受劈裂支脉的影响,在假设桩侧摩阻力线性分布的基础上,建立了劈裂注浆桩侧摩阻力计算方法,结合垫层-桩-土体在应力与位移协调下的相互作用,得到了桩土应力比计算公式。通过现场试验结果与计算结果对比发现,两者相对误差在10%左右,满足工程实用性。最后采用单一变量法分析发现,劈裂支脉长度的增加使得桩体所分担荷载增加,而注浆压密区压缩模量增加能够明显分担桩体应力。

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强夯饱和砂土地基的有效加固深度计算方法

董天文, 高建华, 刘伟, 何嘉峰, 林小庆

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1244-1249.

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近年来,沿海经济和吹填技术发展迅速,围填海区域已形成大面积、大厚度的吹填饱和砂土地基,往往表现出易液化、承载力低的性质,给工程建设带来较大困难。强夯法是一种安全、经济的软弱地基加固方法,但由于饱和砂土地基强夯加固机制复杂,经验公式、数值仿真等方法难以反映客观情况或不便于现场应用,导致有效加固深度的工程设计缺少实用的方法。基于饱和砂土地基的加固机制,建立了考虑夯坑深度、压密壳深度、压密壳影响区深度的有效加固深度计算方法,有效加固深度的估算值与现场试夯检测情况较为吻合,说明本文提出的有效加固深度计算方法能够较为客观地反映饱和砂土地基强夯加固特征,具有较好的工程适用性和可靠性。

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基于KL展开法的基桩竖向极限承载力可靠度

谭晓慧, 姚玉川, 林鑫, 董小乐

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1250-1258.

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为研究土体空间变异性对基桩承载特性和可靠度的影响,建立了空间变异土体中竖向基桩的数值计算模型,采用KL一阶可靠性方法进行了基桩在承载能力极限状态下的可靠度分析,验证了根据全局方差相对误差确定级数最优展开项数的合理性,分析了土体不排水抗剪强度S_u与弹性模量E的空间变异性对竖向基桩可靠指标的影响规律。结果表明:在数值模拟中应考虑桩土接触面黏聚力强度随着S_u随机场离散值的变化而变化;E的空间变异性影响基桩抗力与桩顶位移曲线的形状,但不影响基桩极限承载力及可靠指标的大小;可靠指标随着S_u的变异系数及竖直自相关距离的增加而减小;在相同的离散精度条件下,单指数型与平方指数型自相关函数对基桩可靠指标的影响很小,但后者的计算量明显小于前者。

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基于等效梁-铰模型的盾构隧道上方卸载影响分析

王庭博

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1259-1269.

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国内城市出现诸多在地铁隧道上方开挖基坑的工程案例。由于地铁隧道对变形控制极为严苛,需准确评估上方卸载影响及应对变形控制措施。对装配式盾构隧道展开数值仿真分析,考虑管片接头,将隧道管片等效为梁-铰接头模型;采用地层结构法,建立整体模型,土层采用HSS模型,分析基坑开挖对下卧盾构隧道的竖向隆起和径向收敛变形影响,并进一步分析采取隧道保护措施下的变形控制效果。结合工程实例分析表明:等效梁-铰接头模型可以模拟出盾构隧道的径向收敛变形,得出上方卸载影响下隧道的“竖鸭蛋”变形姿态;在采取隧道变形控制措施下可有效控制隧道隆起量在1.5‰倍挖深以内。研究成果可为运营盾构隧道的监护管控提供指导。

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深基坑桩锚支护中横梁及粘滞效应的影响分析

沙成满, 杨慧敏, 王星

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1270-1280.

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在深基坑排桩支护设计中常将土的粘滞效应忽略,但对粘土分布较为广泛地区这并不符合工程实际,对于锚索施工后出现的意外脱锚现象也并未有具体研究。基于Kelvin粘弹性地基模型,对具体的深基坑排桩支护过程进行有限元模拟,分析了考虑粘滞效应的情况下支护结构中脱锚效应对支护桩的变形时效影响,以及考虑横梁和不考虑时横梁锚索失效的影响范围。结果表明,粘滞效应能够在支护桩变形、内力变化、锚索力变化过程中起到一定的延缓作用;考虑横梁也可有效抑制结构在水平方向的变形发展,且可有效提高支护桩体的抗弯性能,当发生脱锚后对结构变形等具有明显保护作用。

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超深顶管工作井复合结构三维变形特性

杨璐, 任坤, 曾川峰, 邬彪彪, 曾昭贵

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1281-1288.

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以佛山市某超深埋电力隧道顶管工程为背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究顶管工作井复合支护结构在施工过程中的变形规律。结果表明:数值模拟结果与实际监测值基本吻合;随着开挖阶段内支撑和内衬墙的施做,复合结构共同作用有效抑制了墙体水平位移向井内增大,下部土体开挖对上部墙体位移影响逐渐减小;而在顶进阶段,顶进反力作用范围内墙体发生向井外的位移,墙体向井外竖向和横向水平变形均随顶进反力的增大而增大;通过分析工作井后背墙体竖向和横向水平变形规律,表明整体变形为向井外“凸”出的曲面;最后建议距离顶进反力作用中心越近的内支撑设置间隔应越小,且截面尺寸应越大,以提高工作井结构的支护效率和整体稳定性。

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黄土变刚度组合桩复合地基及其工作性能研究

吕擎峰, 韩启亮, 赵彦旭, 郭连星, 杲斐

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1289-1298.

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考虑到西北地区阶地黄土的特殊工程地质条件,为了更好地契合当地工况,满足高铁路基的沉降控制指标,本文提出了一种变刚度组合桩复合地基,并进行了现场载荷试验,研究了其承载特性、桩土应力比与桩周土挤密系数变化特征;通过数值模拟,深入研究了变刚度组合桩桩体与桩周土体地应力变形分布特征。结果表明:相比于水泥土挤密桩,变刚度组合桩复合地基能够更有效地控制沉降;地表处桩土应力比特征更接近柔性桩,具备柔性桩复合地基的变形协调能力;变刚度组合桩复合地基能够产生土拱效应,从而更好地发挥桩体的端承作用,降低复合地基下层桩间土所受的荷载,以契合阶地黄土区特殊的工程地质条件。

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反压土作用下超大圆形基坑灌注桩变形响应

单联君, 倪芃芃, 杨宇哲, 王锐松, 董宏源

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1299-1307.

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由于矩形和不规则多边形基坑开挖时容易产生坑角效应,通常采用具有明显空间拱效应的圆形支护形式进行超大基坑开挖。为了提升反压土计算方法在基坑支护体系的应用,本文提出了适用于深厚软土地区超大圆形基坑灌注桩变形分析的反压土简化理论,并采用数值分析及现场实测对理论分析进行了验证。结果表明:(1)推导得出的折减系数α在反压土平台及支护结构深度范围内均保持连续,仅为深度z的函数;(2)简化理论与土层结构法在计算结果上趋势一致,且在现场实测数据范围内,证明了简化理论具有实用性和可操作性;(3)在基坑反压土预留时,土体对称平衡布置更有利于控制基坑变形。简化理论促进了反压土在基坑工程中的应用,提高了基坑开挖的效率。

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基于地应力评价的煤系储层合层压裂参数优化

王小华, 张重远, 张丰收, 衡德

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1308-1319.

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在煤系地层多储层合层勘探开发中,准确评价多储层地应力状态以及明确合压裂缝扩展规律具有重要意义。为此,以煤层气井M井为例,结合地球物理测井和一维力学模型,计算了本溪组煤系地层地应力状态和岩石力学参数,基于格子方法建立了考虑煤层和砂岩层合层压裂数值模型,重点探究了射孔位置和排量对合压裂缝扩展规律的影响。研究表明:(1)本溪组煤层地应力类型为正断型地应力,由于水平差应力系数大于0.25且水平差应力较大,压裂时容易形成垂直裂缝;(2)射孔位置显著影响煤系地层合压裂缝形态,当射孔位置在煤层顶界面时,煤层和砂岩层的裂缝面积之和,以及有效裂缝面积比最大,为最优射孔位置;(3)同样注入液量条件下,当射孔位置在煤层中部时,低排量能够降低合压裂缝向下部泥岩层的扩展,显著提高有效裂缝面积比,但低排量不利于在中部煤层和上部砂岩层形成大面积的改造裂缝,需要结合实际条件综合优选排量。研究成果可为典型软硬岩体互层的煤系储层合层压裂施工参数优化提供理论指导。

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水工隧洞衬砌混凝土通水冷却控温最佳时机

樊启祥, 段亚辉, 王孝海, 康旭升, 苗婷

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1320-1328.

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大坝混凝土通水冷却时机控制的成功经验,不能很好适用于薄壁衬砌结构控温控裂。以水工隧洞为例,采用有限元法仿真计算,深入分析衬砌混凝土内部最高温度、最大内表温差、最大拉应力、最小抗裂安全系数及温降速率等温控特征值与通水时间的关系。结果表明:通水冷却控温最佳时机是混凝土覆盖冷却水管开始通水、最大内表温差出现后瞬间终止。在白鹤滩水电站1#泄洪洞上平段144~145单元进行现场试验,并结合有限元法仿真,验证了其控温控裂的科学性和经济有效性,可供实际工程采用。

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高地温隧道施工期冰块辅助降温效果研究

谢高英

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1329-1338.

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为了解决高地温隧道施工环境的热害难题,研究冰块辅助手段降温效果并确定其设计参数,以成昆铁路保安营隧道工程为依托,采用现场实测数据验证的数值模型就不同冰块形状和布置方式对高地温隧道中不同截面位置温度场分布影响问题进行了深入分析。研究表明:与纯机械通风对比,加以冰块辅助后各截面气温显著降低且各截面温度差距显著减小;立墙式冰块双侧布置降温速度最快,立墙形状比立方体形状快约20%,双侧布置比单侧布置快约15%;冰块用量相同条件下,通风30 min后隧道气温与其形状和布置方式关联性不大,冰块起到的作用主要为冷却被围岩加热后的新鲜风并维持其温度,隧道气温主要由通风温度决定。

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富水软土地层联络通道冻结温度场分布规律

夏才初, 方杭楠, 赵昊楠, 苑敏哲

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1339-1350.

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为探究富水软土地层联络通道在冻结施工期间的土体温度场变化情况,以杭州至绍兴城际铁路工程某联络通道为例,运用现场实测和数值模拟方法,对联络通道的温度场分布和冻结壁厚度进行研究。结果表明:受管片散热及冻结管倾斜布置作用,冻结壁厚度随深度增加将呈现先持续增大,再小幅减小,最后归于平缓的趋势,当深度为2.192 m时,冻结壁厚度最大,当深度大于6.640 m时,冻结壁厚度趋于稳定;联络通道冻结区域土体可划分为散热影响段、冻结管布置影响段和冻结稳定段;隔热材料优化敷设方式和优化管片结构形式有效提升了靠近隧道管片端土体的冻结效果,使喇叭口位置的冻结壁厚度增加约53.8%。

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重庆市浅层地温变化规律研究

刘贤燕, 彭清元, 曹聪, 谢亚巍, 王峰

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1351-1357.

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为了得到重庆地表浅层(0～100 m)的地温变化规律,开展了重庆主城都市区内多个地点浅层地温常年监测,对地温监测数据进行了整理分析,并分析了2个常用公式在地温预测中的误差及适用范围,对国内手册中的公式进行了优化。结果表明:0～100 m监测深度范围内,可大致分为变温带(0～20 m)、恒温带(20～40 m)和增温带(40～100 m);在变温带内,温度在一年中呈有规律的波动,随着深度的增加,温度具有滞后特性;国内外的2个常用公式均可对变温带内温度进行较好的预测,对于恒温带及增温带,在国内手册公式中引入当地地温梯度后,具有更好的准确性;恒温带平均温度比当地年平均气温高1.2 ℃～1.7 ℃,增温带地温梯度为1.4～2.1 ℃/100 m。

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金矿全尾砂浆动静态絮凝沉降规律研究

王贤情, 万文, 王刚, 高如高, 卢振兴

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1358-1366.

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为获得山东某金矿全尾砂浆静态浓密沉降特性规律,首先采用室内试验对该矿全尾砂进行物理化学特性分析,在此基础上,以控制变量法开展絮凝剂选型试验,然后,以全尾砂浆质量浓度和絮凝剂单耗作为输入因子,固体通量值为响应,采用响应面中心复合设计法(RSM-CCD),针对该矿全尾砂浆进行9组全尾砂浆静态浓密试验,根据试验结果建立响应曲面,对响应曲面参数进行可靠性分析。在静态浓密沉降试验基础上,对全尾砂浆进行浓密机动态絮凝沉降模拟试验。结果表明:以固体通量作为评价指标,全尾砂浆絮凝沉降过程,全尾砂浆质量浓度与絮凝剂单耗之间基本不存在交互作用,全尾砂浆质量浓度对固体通量值影响显著性水平高于絮凝剂单耗;当全尾砂浆质量浓度为14.7%和絮凝剂单耗为10.8 g/t时,响应曲面预测固体通量达到最大值为4.18(t/(h·m²)),与试验所测实际值误差小于3.5%;浓密机给料速度与底流浓度和屈服应力成负相关关系,与溢流水含固量成正相关关系。试验结果及动态沉降机理分析可为同类型矿山全尾砂浓密系统设计提供试验依据及理论指导。

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浅埋管幕施工及其受弯引起地表沉降预测方法

李茂文

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1367-1376.

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针对管幕箱涵暗挖工法在城市下穿工程中引起的地表沉降控制问题,本文依托南昌某地下通道建设工程,基于随机介质理论和弹性薄板模型纳维解,提出了一种预测浅埋管幕支护下箱涵顶进施工中地面沉降的计算方法,并结合现场监测数据和数值模型对该计算方法进行了验证,此计算方法可以使施工人员提前对下穿工程引起的地表沉降值做出预判。结果表明:(1)该方法对地表沉降最终值得预测结果较好,与现场实测数据误差不大于10%;(2)由土体损失引起的地表沉降值较小,最大值为0.52 mm,主要控制纵排管幕上方的地表沉降;(3)由管幕变形引起的地表沉降值较大,最大值为1.70 mm,主要控制通道上方的地表沉降。

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轨道类型对地铁隧道及环境振动的影响

胡静, 唐跃, 张家康, 边学成, 邓涛

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1377-1388.

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以宁波地铁隧道为研究对象,采用现场实测与2.5维有限元相结合的方法研究了整体式轨道和钢弹簧浮置板轨道在轨道振动和周边环境动力响应上的差异。结果表明:相较于整体式轨道,钢弹簧浮置板轨道能显著吸收10 Hz以上的轨道振动;当隧道埋深小于20 m时,列车速度越高,隧道埋深越浅,钢弹簧浮置板轨道对隧道及周边环境的减振效果越好;但采用单相弹性介质模拟隧道周围地层会明显低估隧道内的振动强度,并高估钢弹簧浮置板轨道的减振效果。隧道周围的超静孔压与列车速度和轨道类型有关,与隧道埋深无关;采用钢弹簧浮置板轨道不仅可以减振,还能有效减小隧道周围土体中的超静孔压,有利于控制隧道沉降。

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地下水位波动下填芯管桩纵向振动特性研究

杨冬英, 陈经纬, 李学东

地下空间与工程学报. 2023, 19(4): 1389-1400.

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根据地下水位波动,研究了填芯管桩与土体受纵向振动荷载下的耦合动力特性。将桩端土视为虚土桩,建立了地下水位波动影响下的土层与填芯管桩的振动方程,并结合边界条件对动力方程解耦求解,得出填芯管桩与土的动力耦合作用频域响应解析解及时域响应半解析解。将管桩退化为实芯桩后与现有实芯桩理论解进行对比,进而再与数值解进行对比。最后,分别分析了地下水位变动、填芯材料及填芯高度对填芯管桩纵向振动特性的影响。结果显示,干土相对于饱和土能更好耗散激振能量;填芯材料性质提高,反射信号幅值增大;填芯高度位置与曲线中反向反射信号位置相对应。

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