地下空间与工程学报

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王欣然, 殷子渊

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1751-1759.

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大量研究认为轨道系统与城市街道可达性的叠加效应能集聚城市空间要素,轨交站域地上与地下步行网络系统耦合效应对公共空间品质有重要影响。以深圳市前海城市设计为研究对象,基于地铁站域的可达性以及现有研究成果,对轨交站域地面步行街道、地下步行通路活力指标进行提取量化,采用空间句法、网络分析、衰减叠加等方式做出数据分析,并通过熵权法分别对地上、地下步行网络进行指标集成,从而对街道综合活力的分布差异进行可视化。基于GIS平台对地上地下步行网络活力模拟值进行耦合计算,识别出方案设计阶段步行网络中三种耦合状态,针对耦合较差的区域提出初步改进策略。

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地下空间疏散指示标志设置对寻路效率影响研究

安晓晓

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1760-1768.

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我国地下空间的开发与利用呈现深层化、规模化和复合化的趋势,对应急疏散安全带来严峻挑战。疏散指示标志对紧急情况下的人员的疏散寻路过程至关重要。本文描述了一种基于VR 技术的地下空间中疏散指示标志对人员应急疏散寻路行为影响的实验研究方法,探讨了地下空间中疏散指示标志位置和颜色对疏散寻路效率的影响。研究设计了2个对照实验组,通过5个虚拟场景分别测试了标志位于地面、墙角、顶部3个位置以及标志采用绿色、红色、蓝色3种配色方案下人员在疏散路径选择和疏散效率上的表现。实验结果表明:位于墙角的疏散标识在引导性和疏散效率上优于位于地面或顶部的标志;采用绿色标志在最短路径引导率和效率方面显著优于红色和蓝色。研究结果补充了地下空间人员应急疏散寻路行为的基础知识,可用于改善现有地下空间人员疏散模型和相关应急安全政策。

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单轴压缩下典型煤岩破坏的声发射特征研究

胡千庭, 刘荣辉, 李全贵, 钱亚楠, 凌发平

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1769-1781.

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矿山动力灾害的发生常伴随煤岩破裂失稳,研究煤岩破裂的演化特征将为矿山动力灾害监测预警提供理论基础。选取某矿煤系地层中常见的煤、泥岩、砂岩、页岩4种典型煤岩试样进行单轴压缩试验,研究其破坏过程的声发射特征。结果表明:振铃计数能够较好地反映煤和页岩试样各阶段的破坏规律,煤和页岩试样的累计振铃计数曲线增长拐点与其破坏过程中的塑性阶段起始点相对应,泥岩和砂岩的破坏过程的振铃计数较少,累计振铃计数曲线增长拐点出现在塑性阶段后期;煤、泥岩、砂岩、页岩试样拉伸破坏的占比平均值依次为64.97%、73.12%、84.45%、92.21%,均是以拉伸破坏为主的拉剪混合破坏;4种煤岩在破坏前各频段声发射信号的数量出现突增,煤和砂岩发生主破裂时的主导频段为Ⅲ(150~200 kHz)频段,泥岩为Ⅰ(50~100 kHz)、Ⅴ(280~330 kHz)频段,页岩主要集中在Ⅱ(100~150 kHz)、Ⅴ(280~330 kHz)频段;4种煤岩的声发射b值都大致呈现“上升-波动-下降”的变化特征,能有效反映4种煤岩的破裂过程,破坏前的下降趋势可以作为煤岩破裂失稳的重要前兆信息。

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基于多元回归模型与信息熵的岩土参数预测

杨鹏, 顾春生, 董教社, 胡洋, 陈洋

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1782-1790.

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在岩土工程中使用相关性分析与建立经验关系结合是一种常见的岩土参数预测方法,该方法可快速高效地通过一些方便获取的土工试验数据实现岩土参数的预测。以常州地区滆湖组下段黏性土的岩土参数为研究对象,选取了该地区102组土工试验数据,建立了基于多元回归模型与信息熵的岩土参数预测模型。首先确定了预测对象为直剪快剪试验的黏聚力和内摩擦角,影响因素为密度、含水率、孔隙比和液性指数;接着通过SPSS软件对其进行回归分析,确定了最优单因素拟合模型,运用信息熵的方法对影响因素的权重进行计算,得到了改进后的多元回归预测模型;最后采用标准的误差分析方法对预测结果进行分析。结果表明:密度分别与黏聚力、内摩擦角存在正相关性,其余因素分别与黏聚力、内摩擦角存在负相关性;黏聚力预测值的平均误差为-1.34 kPa,正规化方均根差为12.00 %;内摩擦角预测值的平均误差为-0.05°,正规化方均根差为18.30%。研究说明该预测模型具有较高可靠性,能够对该地区滆湖组下段黏性土的黏聚力和内摩擦角进行有效预测,该方法为岩土参数预测提供了一种思路。

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冻融损伤后砂岩微结构的多重分形特征

孟凡东, 翟越, 张韵生, 李宇白, 董琪

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1791-1799.

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为了研究冻融循环对寒冷地区岩石的损伤劣化机理,本文基于核磁共振技术(NMR)和扫描电镜技术(SEM)试验结果,讨论经过不同冻融作用后砂岩内部孔隙结构劣化规律、表面微结构的间隙度变化及多重分形特征,以探明冻融砂岩微结构的损伤机制。研究发现:冻融砂岩内部小孔隙占新增孔隙的99%;在冻融循环超过80次时,小孔隙的扩展率持续大于萌生率,向不均匀分布转变;冻融砂岩内部大孔隙的NMR分形维数整体表现为随着冻融循环次数的增加而减小;冻融使砂岩内部晶体表面变得粗糙,晶内裂纹增加,晶粒逐渐脱落;冻融20次后,砂岩局部结构平均间隙度持续增长,增长率在80~100次达到最大,为0.1%;冻融砂岩SEM图像表现出良好的多重分形特征,岩石越软弱,多重分形特征越明显。

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湿热循环作用下中风化花岗岩强度损伤特性研究

胡星宇, 高乾丰, 曾铃, 戚双星, 邹成

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1800-1808.

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为研究湿热环境下花岗岩强度损伤机制,对经历不同湿热循环作用预处理的中风化花岗岩试样进行单轴抗压强度试验和巴西劈裂试验,分析恒湿冷热循环、恒温干湿循环和热干-冷湿循环对花岗岩单轴抗压强度、弹性模量、劈裂强度及损伤因子的影响规律。结果表明:中风化花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量均与湿热循环次数呈指数衰减关系,在冷热循环、干湿循环、热干-冷湿循环30次后,单轴抗压强度相较于初始状态的降幅依次为13.63%、19.76%和21.54%,弹性模量的降幅依次为42.78%、50.34%和53.78%;劈裂强度与湿热循环次数呈近似线性衰减关系,在冷热循环、干湿循环、热干-冷湿循环30次后,劈裂强度相较于初始状态的降幅依次为38.59%、65.65%和71.53%;通过损伤分析,发现考虑温、湿度耦合变化的热干-冷湿循对中风化花岗岩强度的损伤效应最显著,干湿循环造成的损伤效应次之,且劈裂强度较单轴抗压强度更易受到长期湿热循环的损伤作用。

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不同围压和倾角砂泥岩互层岩样力学特性研究

王海洋, 冯晋昊, 周宴民, 李金浜, 郑仕跃

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1809-1817.

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为研究砂泥岩互层岩样的力学特性,首先通过室内试验获取砂岩和泥岩的力学参数,然后采用PFC^2d软件对砂岩和泥岩的微观参数进行标定,进而开展了不同围压和倾角条件下砂泥岩互层试件的三轴压缩数值试验,分析了围压、倾角对砂泥岩互层岩样力学性质和破坏特征的影响规律。结果表明:(1)相同围压下,随着岩层倾角的增加,抗压强度、弹性模量和黏聚力均为先减小后增大的变化趋势,在岩层倾角60°时为最小值,随着围压的增大,轴向应变也相应增大;(2)在试样加载过程中裂纹数量的突变点与应力应变曲线弹性、塑性和破坏特征点相对应,并且拉伸裂纹数量占总裂纹数的比例大于剪切裂纹的占比;(3)在岩层倾角和围压的影响下砂泥岩互层岩样的破坏模式可分为3种,即张剪破坏、顺层理面滑动的剪切滑移破坏、滑移破坏和张剪破坏同时存在的复合破坏。研究结论可为砂泥岩互层岩体相关工程的变形稳定分析提供参考。

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不同初始损伤高强混凝土动态劈拉特性试验

吴瑾, 陈徐东, 孙阳阳, 宁英杰, 毕振帅

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1818-1827.

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为进一步探明既有损伤高强混凝土结构在冲击荷载下的动态劈拉特性,采用分离式霍普金森压杆装置研究了不同初始损伤的两种高强混凝土在冲击载荷下的动态劈拉性能。同时,基于数字图像处理技术对试件进行了裂缝演化监测。结果表明:初始损伤程度相同时,高应变率下C60混凝土的应变率敏感性显著高于C80混凝土;随着应变率的增加,损伤程度较低的试件的应变率敏感度较高,高损伤程度的C80混凝土的应变率敏感程度有所降低;初始损伤程度增大,混凝土内部产生的微裂纹增多,新裂纹形成所消耗的能量明显大于初始损伤造成的试件既有裂纹扩展所消耗的能量;基于DIC技术发现,随着初始损伤程度的增大,C80混凝土的微应变阈值及裂缝开口位移均呈现下降趋势。

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PDC齿静载压入砾岩的细观损伤模拟

邓嵘, 杨宏宇, 刘建平, 叶柏良, 何香江

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1828-1840.

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由于砾岩一般具有孔隙结构复杂、非均匀性严重等特点,聚晶金刚石复合全钻头(PDC)钻进砾岩地层时破岩效率普遍较低,室内试验很难有效地研究PDC齿破岩过程。采用离散单元法(DEM)建立了PDC齿压入砾岩的数值模型,并通过室内试验验证了数值模型的准确性;研究了不同压入位移、前倾角和砾岩非均质度情况下,砾岩的破碎形式和过程。研究表明:一定范围内增加压入位移、非均质度,砾岩内部总裂纹数增加;压入砾石时以拉伸裂纹为主,压入基质时以剪切裂纹为主;增加砾岩非均质度,无论压入砾石还是基质,最大压力值都会提高且砾岩力场分布范围更广,砾石在砾岩中的支撑作用增强。

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高温损伤岩石高压CO₂射流-PDC齿联合破岩研究

陈浩, 蒲治成, 蔡灿, 张沛, 谭政博

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1841-1850.

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欠平衡气体相比传统钻井液钻井技术,可提高机械钻速、减少和避免井漏和压差卡钻事故的发生。欠平衡钻井的井筒多相流及控压钻井工艺研究较为完善,但是围绕油气井欠平衡钻井中的CO₂气体射流-PDC齿联合破碎高温岩石问题尚不明确。通过单轴压缩与巴西劈裂试验测试高温损伤后岩石力学特性,然后在高压CO₂射流-PDC齿切削破岩试验破岩系统上进行联合破碎高温损伤后岩石试验,研究其破岩规律与切削力变化。力学特性测试试验结果表明,随加热温度的增大,砂岩加热后抗拉强度先减小后陡增,抗压强度先减小再增大。切削力与岩石力学参数相关性分析显示,岩石弹性模量与切削力关联度较强。联合破碎岩石的试验结果表明,高压CO₂射流能对岩石进行预打击,且射流强化齿前岩屑运移和齿后岩屑的排出,显著降低切削齿阻力,降低破碎岩石所需的切削力。进一步研究岩石加热温度、射流压力和喷嘴直径等工况参数的影响,当流体压力、喷嘴直径、射流温度分别为20 MPa、2 mm、45 ℃时,射流对砂岩的打击、携岩效果良好,切削力小,有利于破岩。本研究对指导高温井气体钻井技术和配套钻头研发具有重要指导意义。

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荷载-溶液作用下膨润土压缩渗透性能研究

胡志杰, 项国圣, 付文青, 王浩, 李华健

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1851-1858.

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对NaCl、KCl、CaCl₂盐溶液饱和的钠质膨润土进行压缩固结试验,研究盐-荷载耦合作用对膨润土固结性能及饱和渗透性能的影响。结果表明:压实膨润土体积变形随固结应力的增大而下降,荷载等级跳跃对高浓度NaCl溶液浸泡下的膨润土体变性能的影响较为显著;NaCl、CaCl₂溶液作用下,随竖向固结应力的增大,压实膨润土试样由弹性状态转化为塑性状态,压缩系数先升高后降低,而KCl溶液作用下压缩系数一直降低;太沙基一维固结理论间接计算的膨润土饱和渗透系数为4.006×10^-13 m/s ~ 1.975×10^-11 m/s,随溶液浓度增大,蒙脱石层间结合水含量降低,自由水流通路径拓宽,渗透系数相应增大;引入盐溶液下的修正有效应力,发现膨润土饱和渗透系数与有效应力之间可以用方程y=x^-1×(Alnx+B)统一表征,相关参数的确定有待进一步研究。

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三轴条件下土石混合料电阻率特性分析

陈松林, 赵明阶, 汪魁

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1859-1869.

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为深入探究土石混合料的电阻率特性,采用改装的三轴仪对土石混合料进行三轴固结排水剪试验,同步测量电阻率的变化,获得土石混合料固结与剪切全过程中电阻率的变化规律及剪切强度特性对电阻率的影响,分析土石混合料的应力-应变曲线,建立电阻率与体应变之间的理论关系。结果表明:土石混合料的电阻率在固结及剪切全过程都呈递减趋势,降低速率都表现为先快后慢;不同于传统岩石,土石混合料的应力-应变曲线具有其独特性;土石混合料电阻率与其剪切强度、黏聚力和内摩擦角呈负相关性;试验围压对电阻率有影响;在三轴剪切过程中,电阻率随着轴向应变的增加呈先快速降低后缓慢减小的变化规律;理论分析可知体应变的变化会导致土石混合料电阻率的改变。微观结构的改变是引起电阻率变化的根本原因本文研究成果,有助于从细观层面加强对电阻率特性的理解。

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循环荷载下粉质黏土的变形与耗能特性

袁亮, 杨正玉, 吴祖云, 高洪梅, 申志福

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1870-1877.

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循环荷载下土的累计变形与耗能特性是岩土工程设计的重要依据。对粉质黏土原位样和重塑试样开展了不排水循环三轴试验,研究了结构性对粉质黏土动力变形与滞回耗能特性的影响规律。结果表明:粉质黏土动力变形规律由循环应力比控制,原位样的临界循环应力比相比重塑样更高;双幅应变随振次的增长模式可以分为稳定型、过渡型和破坏型;累积能量耗散随双幅应变的增长模式也表现出相似的3种类型;相同双幅应变下,重塑样的滞回耗能能力比原位样的更强;相同条件下,原位样需要耗散更多的能量和更多振次才能达到与重塑样相同的双幅应变;结构性对粉质黏土动力荷载下的变形与耗能特性有明显影响。

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层理方位对页岩断裂性能与裂缝延展模式的影响

陈立超, 张典坤, 吕帅锋

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1878-1886.

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对层理与试样底面夹角θ为0°、30°、45°、60°、90°的四川盆地海相页岩SCB试样实施三点弯加载,获取试样在三点弯加载条件下载荷-位移关系和临界断裂荷载,并计算页岩断裂韧度K_IC和断裂功,结合页岩储层压裂实践,探讨了层理方位对压裂裂缝曲折度的影响模式。研究表明:(1)随θ增大,页岩试样断裂韧度呈递减趋势,K_IC均值由1.88降至0.43 MPa·m^0.5,层理方位对页岩断裂性能具有显著控制;(2)三点弯加载下页岩试样载荷-位移曲线包括加载初期缺陷压缩、弹性压缩变形及破裂卸载阶段。载荷增大到临界断裂荷载后页岩试样瞬时破坏,反映研究区页岩脆性显著;(3)按断裂力学机制,本次试验页岩断裂形式包括张性断裂和剪切断裂2种,按裂缝曲折度分为平直裂缝与曲折裂缝,当θ＜45°时,页岩裂缝延展受加载方向和层理综合影响,易形成复杂曲折裂缝网络,反之θ≥45°时,则形成沿层理方向的单一平直裂缝;(4)页岩断裂功与页岩断裂韧度间具有较好的线性相关性,表明页岩断裂性能能够影响裂缝的延展路径选择;(5)选择大角度相交层理方向实施射孔或预切缝,使压裂裂缝沿该方向开裂扩展,能够最大程度营造压裂裂缝网络,提升页岩储层压裂改造效率。

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煤表面粗糙度对煤岩超低摩擦效应影响试验研究

李利萍, 孙媛涛, 吴金鹏, 潘一山

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1887-1895.

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超低摩擦型冲击地压本质是煤岩界面发生超低摩擦效应诱发的一种新型煤矿动力灾害,以沈阳红阳三矿顶板-煤层-底板为研究对象,利用自主研发的试验装置进行了轴压、垂直扰动和水平冲击共同作用下砂岩-煤-砂岩叠加块体超低摩擦效应模拟试验,以煤块为工作块体,分析了煤表面粗糙度对工作块体水平位移幅值、水平位移突变时间、水平加速度幅值、水平加速度突变时间的影响,得到了煤表面粗糙度对超低摩擦效应影响规律。结果表明:(1)砂岩表面粗糙度系数一定时,随煤表面粗糙度系数增大,工作块体水平位移和水平加速度时间历程曲线存在三阶段特征,即孕育阶段、激发阶段、稳定阶段;(2)煤表面粗糙度系数存在拐点为3.98,当煤表面粗糙度小于拐点3.98时,随煤表面粗糙度增大,激发阶段水平位移大于稳定阶段水平位移,位移差线性减小,超低摩擦效应减弱;(3)当煤表面粗糙度大于拐点3.98时,随煤表面粗糙度增加,激发阶段水平位移小于稳定阶段水平位移,此时工作块体水平位移出现二次增加,随位移差绝对值不断增大,超低摩擦效应越显著;(4)水平位移幅值和水平加速度幅值随煤表面粗糙度增大,呈先线性递减后线性递增规律;(5)水平位移突变时间和水平加速度突变时间随煤表面粗糙度增加,呈先线性增加后线性递减规律。

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岩体结构面对应力波传播及动态破坏影响研究

郎颖娴, 梁正召, 钱希坤, 董卓, 武娜

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1896-1906.

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岩体内不连续结构面对爆炸应力波的传播具有重要影响,目前关于结构面充填物力学性质对爆炸应力波传播与动态裂缝扩展演化的影响机制尚不明确。通过构建包含不同类型结构面的岩体数值模型,研究了在地应力和爆炸动荷载共同作用下结构面充填物力学性质对爆炸应力波传播及动态破坏模式的影响,同时进行了含多组结构面煤岩爆破数值模拟。通过对爆炸损伤及各监测点应力分析表明,爆炸应力波在结构面处的反射作用随着结构面充填物力学性质的减弱而逐渐增强,而透射作用则随着结构面充填物力学性质的减弱而逐渐减弱。反射作用将导致结构面迎波面形成典型的“反射拉伸裂缝”“层裂裂缝”“末端转向裂缝”,进而加剧该区域岩体的破坏程度;透射作用会导致结构面自身破坏及在背波面处形成宏观径向爆炸裂缝。模型2~5(含结构面)中区域Ⅱ内(含结构面一侧)形成的“主裂缝”数量比区域Ⅰ(不含结构面一侧)增长60%~75%左右,模型3中爆炸裂缝扩展总长度最大。煤岩爆炸数值模拟结果表明,随着结构面数量的增加,其对爆炸裂缝扩展形态及爆炸效果起控制作用。研究结果可为工程爆破施工设计、冲击地压防治和岩爆灾害等提供一定技术支撑依据。

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考虑温度和初始孔压非均布的竖井地基固结解

张玉国, 王闯, 赵亚敏, 杨文兵

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1907-1915.

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针对目前竖井地基热固结理论的不足,建立了基于轴对称下竖井地基固结计算模型,采用解析解法推导了考虑温度和初始孔压非均布影响的竖井地基固结一般解;给出了初始孔压呈梯形分布、矩形分布、正三角形分布和倒三角形分布下的超静孔压和固结度的计算表达式。根据所得解析解,编制计算程序,通过参数敏感性分析对竖井地基的固结特性进行研究。结果表明:在温度不变时,初始孔压的分布形式对固结特性有较大影响;初始孔压呈矩形和正三角形分布时,温度越高,超静孔压的消散速率越快;竖井地基底部的孔压值在固结过程中总是最大的,当初始孔压呈倒三角和梯形分布时,随着温度的升高,地基底部孔压值呈现由小变大的特点。

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改进EWT和Gath-Geva聚类的微震初至拾取算法

孟娟, 张家声, 李亚南

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1916-1925.

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准确可靠的初至拾取是微震监测的关键环节之一。为解决低信噪比条件下微震初至拾取难的问题,基于含噪地震信号的S谱计算各频点能量得到能量曲线,以曲线极大值点频率重新确定频谱分割边界进行改进经验小波变换,将信号自适应分解为若干依频率和能量分布的本征模函数,剔除主频在阈值外的本征模函数得到降噪信号。提取降噪信号均值、功率、赤池信息准则值3个特征,将信号分为有效信号簇和噪声簇,利用Gath-Geva聚类分类,将信号簇的首次时间确认为初至时间。以人工拾取结果为参考,偏差20 ms内为正确拾取,仿真实验表明算法能有效降噪,在信噪比-10 dB时正确率71%,5 dB时达98.8%,比模糊C均值聚类算法准确度提高2.5%。实际微震拾取表明算法识别准确率达98%,具有较好的应用价值。

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富水砂卵石地层动水注浆模型试验

周瑶, 谢志清, 刘长友, 潘海洋

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1926-1937.

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在富水砂卵石地层注浆治理中,由于浆液扩散规律不明导致突涌水及坍塌事故频发。注浆模型试验是研究浆液扩散规律的有效手段。以北京地区富水砂卵石地层为研究对象,自主设计了动水注浆模型试验,基于均匀设计法研究了水泥浆在注浆压力、水流速度、水灰比和地层渗透系数共同影响下的浆液空间分布形态及扩散规律。结果表明:浆液在富水砂卵石地层中呈椭球状、球状或柱状形态渗透扩散;多元线性回归分析发现,注浆压力、地层渗透系数、水流速度、水灰比与浆液扩散距离是幂指数函数关系;单因素分析发现,地下水阻碍了浆液逆水流向和垂直水流向的扩散距离。在此基础上,提出了注浆孔布置的建议。

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下穿隧道近接施工引发上覆隧道锚沉降规律研究

梁宁慧, 韩亚峰, 肖宇, 刘新荣, 周小涵

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1938-1947.

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为研究下穿隧道近接施工对上覆悬索桥隧道锚锚塞体沉降的影响规律,以玉楚高速白石岩Ⅰ号隧道下穿绿汁江大桥楚雄岸隧道锚为例,采用模型试验和数值分析方法,分析近接施工过程中围岩变形演化特征,研究锚-隧间距及隧道埋深等对锚塞体沉降影响规律,结果表明:锚塞体沉降主要发生在下穿隧道先行洞掘进时期;锚塞体与隧道拱顶沉降、施工扰动区均随锚-隧间距的减小及埋深的增加而增大,其中隧道拱顶沉降量和锚塞体底部沉降对隧道埋深的变化最为敏感,对锚-隧间距不敏感;锚-隧间距的变化对隧道拱顶沉降的影响较小,而对锚塞体沉降影响较大。研究结果可为隧道锚与下穿隧道的近接施工设计与稳定性控制提供重要参考。

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一种隧道衬砌结构缺陷GPR图像样本生成方法

孟帅旗, 赵亮, 刘世鹏, 宋战平

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1948-1957.

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针对隧道衬砌结构缺陷GPR(探地雷达)图像数据短缺问题,提出一种隧道衬砌结构缺陷特征GPR图像样本生成算法(Tunnel Lining Generative Adversarial Networks, TLGAN)。首先,在生成模型中构建双阶段训练网络结构,并提出一种基于ConvNext的双向特征提取方法,利用原始图像和生成图像进行特征双向融合。然后,在判别模型中引入密集连接结构,缓解因为判别模型收敛速度过快导致生成模型训练崩溃的问题。最后,通过在实测的GPR图像数据集上设计实验,验证本文算法的有效性、可行性。实验结果表明,本文算法生成的隧道衬砌结构缺陷特征GPR图像在SSIM和PSNR两种评价指标上,与其他当前主流算法相比具有一定优势,能够生成细节多样、特征明显的隧道衬砌结构缺陷GPR图像。

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协同夹持式结构面循环剪切装置的研制与应用

张茂础, 盛谦, 崔臻, 梅贤丞

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1958-1967.

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在调研已有循环剪切设备的基础上,为开展循环作用下结构面的力学性质研究,提出了协同夹持式循环剪切构型,详细介绍了所研制的岩体结构面循环剪切装置的主要功能、设备组成和技术指标,并开展了一系列岩体结构面的测试试验。该循环剪切装置主要包括试验装置、动力系统、控制和采集系统三部分,设备最大法向压缩应力为60 MPa,最大循环剪切应力为100 MPa,最大试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm;设备更多地考虑了结构面循环剪切测试的研究需要,可以对岩体结构面试样开展多项力学试验,包括结构面法向压缩试验、结构面法向循环加卸载试验、多种控制模式下的结构面单调剪切试验,变路径循环剪切试验等,试验数据采集平稳、曲线光滑,证明了研制设备的有效性和准确性。利用该装置对岩体结构面进行了多因素变量下的循环剪切试验,结果表明:结构面的循环剪切力学性质与法向应力、结构面粗糙度、剪切速率和循环次数密切相关,结合三维扫描仪,进行试样试验前和试验后的三维纹理扫描,建立三维数字地形,研究了结构面在循环剪切中的破坏过程和破坏模式。相关研究成果将为岩体结构面在循环荷载作用下的力学破坏机制与本构模型研究提供技术支撑。

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软土地层45 m超深基坑工程设计与实践

王卫东, 翁其平, 孙建军, 张佶

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1968-1979.

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某科学装置项目5号井基坑最大深度达45.45 m,是目前上海地区最深的非圆形基坑。该项目实施遇到并克服了诸多挑战和新技术难题,取得一些技术创新:为控制软土超深基坑渗漏引发安全风险而采用了深墙浅帷幕相结合的双帷幕设计方案;首次在基坑中成功应用当时国内及国际最深、入土深度69 m的TRD隔水帷幕;首次开展并完成入土深度达86 m及厚度1.10 m的TRD隔水帷幕的非原位现场试成墙试验。本文结合已成功实施完成的5号井超深基坑,介绍上海软土地区45 m级超深基坑的设计与实践,重点介绍了超深基坑面临的技术问题及总体设计方案、超深地下连续墙设计、超深TRD隔水帷幕设计及非原位试成墙试验、多层承压水的降水设计与地下水控制效果,以及工程实施效果。本次设计实施可为类似工程设计与施工提供借鉴。

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马蹄形预制初期支护力学性能及设计方案研究

赵修旺, 毕程程, 朱毅, 陈景煦

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1980-1991.

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为了解决传统喷射混凝土初期支护洞内施工环境差、施工质量难控制、混凝土回弹浪费严重、强度提升慢等问题,提出一种新型预制装配式初期支护结构,结合马蹄形预制初期支护足尺试验,对预制初期支护的力学性能、变形规律进行研究,并根据试验结果和理论计算,对该新型初期支护进行设计方案研究。主要结论如下:(1)预制初期支护的极限承载能力为设计荷载的2.8倍,最大变形达115.6 mm,在满足施工安全的同时,具有良好的变形能力;(2)马蹄形预制初期支护采用奇偶环实现错缝拼装,拱脚处曲率较大,拼装难度大,凹凸榫会导致拼装时管片易发生破损,因此管片不宜设置凹凸榫;(3)预制初期支护拱脚处为受力最不利位置,需对拱脚处进行加强;(4)预制初期支护宜采用“先管后锚”方案;(5)预制初期支护拼装完成后,即以设计强度参与围岩受力,避免了喷射混凝土在强度提升阶段就承受围岩压力的情况,极大的改善了结构受力,减小裂缝发展,具有更优的力学性能。

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深基坑内支撑拆除时地下连续墙水平位移计算方法

李涛, 王彦龙, 杨依伟, 周予启, 刘波

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 1992-2003.

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深基坑地下连续墙最大水平位移一般出现在内支撑拆除阶段。基于弹性变形的叠加原理,考虑拆撑过程中地下连续墙产生的水平位移增量为由自由变形量和补偿变形量的叠加,将地下结构底板与地下连续墙的接触处考虑为固定端,然后利用极限平衡法获得了墙体水平位移变化规律。最后以北京地铁12号线三元桥车站“地下连续墙+钢支撑”深基坑工程和北京朝阳区霞光里“地下连续墙+钢筋混凝土内支撑”深基坑工程为背景,计算分析了不同拆撑阶段地下连续墙的水平位移增量。结果表明:通过所建立的计算方法获得的拆撑后地下连续墙水平位移曲线与实测曲线较为符合;拆撑后地下连续墙上部水平位移增量比下部大,为下部的2~5倍;拆撑过程中地下连续墙水平位移最大值位置发生上移,上移量约0.15H~0.2H;计算结果可为类似工程提供重要理论参考。

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基于土层厚度变化的地基沉降概率分析

杨婷婷, 谢永利, 张宏光, 岳夏冰, 郑维程

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2004-2010.

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为解决厚度离散性较大的多土层地基沉降计算问题,首先采用概率分析的方法,通过推导不均匀厚度土层的沉降均值、方差和水平自相关距离, 给出了计算不均匀厚度多土层地基沉降的概率模型,然后对采用数值模拟所得沉降数据进行统计分析, 根据K-S检验得出地基沉降的最优分布模型,最后对数值模拟结果与理论推导结果进行对比。结果表明:为计算简便, 水平相关距离值的求取应选用改进递推空间法, 该值可为钻探点的间隔距离选取提供理论依据; 通过直接概率分析法建立了沉降计算的概率模型, 同时经K-S检验, 沉降数据分布模型更符合对数正态分布; 运用该沉降分布模型预测所得沉降值与数值模拟所得结果的统计值十分相近, 证明了该模型的可靠性。

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深基坑开挖影响下深厚软土路基变形规律研究

王虎, 李栋, 唐昌意, 李东洋, 汪旭

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2011-2019.

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深厚软土区域地下空间开发形成的深基坑环境影响与控制一直是业界关注重点。为研究排桩支护深基坑开挖卸荷下深厚软土路基变形的影响因素与规律,以横琴深度合作区近邻某软土路基的深基坑工程为例,利用HS模型确定真空联合堆载预压处理后软土参数,建立考虑路侧原状软土的数值模型,并与现场实测结果相互验证,得到如下结论:(1)受路侧原状软土影响,浅层开挖阶段软土路基远基坑侧的深层水平位移大于近基坑侧;(2)随开挖深度增加,最大深层水平位移慢慢发展至开挖面附近且达到了40.5 mm,最终水平位移整体形态在远基坑侧表现为倾斜,近基坑侧为开挖面附近的“鼓出”;(3)路基沉降同时受路基顶面荷载和基坑开挖卸荷影响,其中路基顶面荷载引起的沉降占到了累计值的64.4%;(4)基坑开挖第一阶段和第二阶段数值计算和实测结果吻合度高,而受软土流变影响,深层水平位移持续发展,开挖第三阶段实测值显著大于数值计算。研究成果可为深厚软土区域基坑环境影响的变形预测与控制提供科学依据。

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大直径竖井掘进机锥面刀盘破岩仿真研究

苏翠侠

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2020-2027.

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为了探究大直径先导式竖井掘进机锥面刀盘滚刀破岩规律,采用离散元方法建立了锥面刀盘滚刀破岩仿真模型,研究了近临空面和远临空面两种区域滚刀破岩特性,分析了锥面角、临空距、刀间距等参数对锥面刀盘滚刀破岩状态、岩石裂纹扩展及破岩比能耗的影响规律,并开展滚刀锥面破岩试验验证了仿真模型的正确性。结果表明:竖井掘进机刀盘锥角、临空距、刀间距对滚刀破岩影响显著;近临空面滚刀的最优临空距和远临空面滚刀的最优刀间距均随锥角增大而减小;近临空面滚刀破岩效率高于远临空面滚刀。研究结果可为竖井掘进机锥面刀盘设计和刀具布置提供参考。

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预制沟道缆线管廊接头受力性能研究

付伟庆, 聂长强, 李茂, 王嘉伟, 王建

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2028-2038.

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预制沟道缆线管廊具有断面小、埋深浅和铺设条件复杂等特点,其接头刚度和承载力对管廊正常使用影响很大。对三组预应力钢棒连接管廊足尺构件进行了接头抗弯剪性能试验,并采用验证后的管廊有限元模型进行接头受力性能参数分析。确定了预应力钢棒数量、预紧力大小、腋角长度和边长等设计参数对接头受力性能的影响。结果表明:4根钢棒相较2根钢棒连接抗剪承载力提高59.4%,抗剪刚度提高102.1%;钢棒预紧力每提高30 kN,抗弯剪刚度分别提高1.5×10⁵ kN·m/rad、160 kN/mm;腋角边长每提高25 mm,抗弯剪承载力分别提高50 kN、20 kN;管廊薄弱点腋角处使用UHPC超高性能混凝土材料加强后,其抗弯剪承载力分别提升约80%和105%,抗弯剪刚度分别提升约50%和95%。研究成果可对预制沟道缆线管廊设计和工程应用提供参考。

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盾构掘进中地层特征的实时识别方法

乔国华

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2039-2044.

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为了解决盾构施工过程刀盘前方地质情况不明确的难题,本文通过盾构施工参数与地质特征之间关联性,建立了基于机器学习算法的地层类别预测模型。盾构施工参数是盾构掘进过程地质特征变化的动态响应,使用变换后的盾构施工参数比推力和比扭矩来反映地层变化情况。应用CART决策树和随机森林算法建立了盾构施工参数与地层类别的关系,用于盾构掘进过程中地层类别的分类预测。以广佛环城际铁路琶洲支线盾构隧道工程为依托,将盾构施工参数作为输入数据,用于训练和测试机器学习地层分类预测模型。结果显示,CART决策树预测模型的准确率达到81%,随机森林预测模型的准确率为85%,在局部相邻类别边界上存在较小的误差,满足实际工程需求,能够为同类工程施工提供参考。

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干冰聚能破岩技术在隧洞开挖中的应用研究

李敬伟

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2045-2054.

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为了解决复杂敏感环境下隧洞和基坑开挖的难题,本文结合某抽水蓄能电站项目隧洞开挖工程测试实例,阐述了干冰聚能破岩技术作用机理,提出了与干冰聚能破岩相匹配的最佳封孔方式,探讨了不同地应力条件下干冰聚能破岩技术的破岩效果,重点分析了不同岩体条件下该技术的可行性。工程应用表明:干冰聚能破岩技术对复杂敏感环境下,埋深较浅、应力限制不高的岩体破除需求具有很强的适用性,在炸药受限、机械施工不便的工程条件下,是一种行之有效的破岩手段。

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预制装配式技术在地下工程的应用与研究进展

曹轲, 万雨晨, 周小涵

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2055-2071.

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在国家大力推动建筑工业化背景下,预制装配式建造技术得到了广泛关注与发展。相较于在地上建筑的大量研究与应用,预制装配式建造技术在地下空间的应用发展还有很大潜力。首先应用Citespace软件对2000年到2022年的地下装配式相关文献进行可视化分析,然后以地下综合管廊、地铁车站、隧道三类典型地下工程为例,总结了预制装配式建造技术在我国地下工程的应用现状,提出了当前地下工程预制装配式建造的5个重点研究方向,包括装配式衬砌拼装技术、装配式结构受力性能、预制构件连接接头、装配式结构抗震性能以及装配式结构防水性能。最后,总结了地下空间装配式结构的5个研究趋势,为预制装配式技术在地下工程中的推广应用提供参考。

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高速公路隧道火灾应急疏散模拟与策略

赵丹, 郭志国, 刘超时, 周令剑, 谭清岚

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2072-2080.

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近年来高速公路隧道火灾事故时有发生,因其封闭性和狭长性,一旦发生火灾,更易造成群死群伤。为探索公路隧道疏散安全性及提升其疏散效率的策略,选取南京富贵山双线公路隧道为研究对象,采用Pyrosim建立仿真模型,利用FDS进行典型工况(火源功率分别为3 MW、15 MW、20 MW和30 MW)火灾数值模拟,对隧道内的温度、CO浓度、能见度进行分析,确定可用安全疏散时间;通过Pathfinder进行疏散模拟,得出人员所需安全疏散时间,再根据安全疏散准则进行判断和疏散策略优化验证。结果表明:火源功率越大,达到危险状态的时间越短,15 MW及以上火灾工况无法满足安全疏散要求,说明发生较大火灾时均不满足安全疏散要求;而增大纵向风速、加设排烟装置和优化疏散路线后能保证人员安全疏散。研究结果可为公路隧道火灾应急疏散提供参考依据。

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长距离连续隧道群运营安全与行车舒适性评价方法

于丽, 王松, 罗翔, 张晨妍, 段儒禹

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2081-2089.

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为提高长距离连续隧道群路段的行车安全性及舒适性,基于层次分析-熵权法及云-物元理论建立了长距离连续隧道群运营安全及舒适性分析方法。通过对长距离连续隧道群交通事故的统计调研,得到了长距离连续隧道群运营安全及舒适性的影响因素,利用层次分析法构造长距离连续隧道群运营安全影响因素体系,依据专家打分构造判断矩阵,通过熵权法计算得到权重指标。采用云-物元理论给定了不同影响因素的状态等级及判别等级的关联度,根据关联度最大的原则,确定长距离连续隧道群的安全性及舒适性等级。最后,依托宜攀高速庙子湾-唐家湾隧道群进行分析,确定该长距离连续隧道群安全性等级为IV级,舒适性等级为IV级,应采取相应措施。

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基于深度学习理论的煤层底板突水危险性预测

赵晨德, 王心义, 任君豪, 郝建卿, 孟建勇

地下空间与工程学报. 2023, 19(6): 2090-2100.

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煤层底板突水是下伏承压含水层与隔水层岩体相互作用的结果,其危险程度受到含水层特征、隔水层特征、结构面发育特征等因素的复合影响。选择含水层水压、单位涌水量、隔水层厚度、隔水层岩体质量、层理面数量、泥岩占比、构造复杂程度量化值7个指标因子构建综合评价体系,结合模糊可变集理论及实际涌水情况表征已采区域实际突水危险性等级;以已采区域评价结果构建数据集,对卷积神经网络(CNN)模型进行训练,并与BP神经网络模型进行对比,验证CNN模型的可靠性与准确性;最终利用CNN模型对未采区域煤层底板突水危险性进行精细化预测。结果表明:CNN模型较BP模型具有更高的准确度,未采区域内安全区、低威胁区、中威胁区及高威胁区面积占比分别为21.48%、45.78%、24.11%、8.63%。

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