地下空间与工程学报

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邵继中, 张雨, 李坤洋, 郭文娟, 李晓雯

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1051-1061. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.01

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科学合理的规划设计是地下空间开发利用的前提,梳理地下空间规划设计的研究脉络、预测其发展趋势,可为地下空间的可持续利用和高质量发展提供借鉴。通过文献计量学可视化分析方法,对中国知网和Web of Science数据库的地下空间规划设计期刊文献进行分析,统计发文量,梳理学科门类、主要研究力量和关键词聚类等,结果表明:地下空间规划设计的研究发文量呈上升趋势;学科类型呈现多元化交叉学科发展趋势;主要研究国家/地区为中国,主要研究机构为上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司和同济大学等。根据关键词突现分析可知,未来地下空间规划设计的研究将倾向于4个方面:地下空间舒适性和品质的提高;可持续发展目标下绿色、安全的地下空间设计;立体集约的地下空间综合规划布局;数字技术辅助地下空间规划设计。

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客货“共线不共车”模式下地铁货运站点选择

王晓平, 张子宣

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1062-1072. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.02

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电子商务的蓬勃发展极大增加了城市物流配送和环境保护方面的压力,让地铁承担部分货运功能成为当前解决这一难题的全新思路。本文基于城市地铁运行特征及未来发展趋势,研究客货列车“共线不共车”模式下的地铁货运,并结合地铁系统的运营情况和内部结构,通过建立E-TOPSIS流量筛选模型、集合覆盖模型、混合整数规划的组合模型,对地铁站点进行分析,从而选择合适的站点作为货运站,最终实现地铁客货列车“共线不共车”模式下的货运方案。最后,以北京市通州区为例进行模拟仿真,找出通州区可开展货运的地铁站点,对地铁货运站点选择的方法进行了验证。

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地下商业空间活力影响因素探究

商谦, 孟繁迪

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1073-1085. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.03

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我国城市地下商业空间因建造年代、所在区位、空间类型的不同而呈现出多种使用状态,其空间活力也各不相同。作为城市公共空间的重要组成部分,商业空间承载着城市生活的经济活动和社会交往活动,其经济活力和社会活力也对城市活力产生着影响。影响地下商业空间活力的因素众多,本文以北京为例,从地下商业空间的经济活力和社会活力两个角度,着眼于区位、连接性、建筑地上部分功能、公共空间节点等方面,通过现场调研、行为统计等方法,研究了地下商业空间活力的影响因素及其影响机制。本研究将为提高各类既有商业建筑空间活力提供改造改建方向,并为地下商业空间的综合统筹规划提供理论依据。

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地下环路交织区合理长度计算方法

曹煜, 王永岗

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1086-1096. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.04

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为优化地下环路设计,本文从通行能力着手,结合交通仿真分析,对地下环路交织区长度进行研究。首先,基于多个影响因素构建了计算方法,并对各参数进行了标定;接着,通过Vissim仿真软件和间接安全评价模型(SSAM)对所建方法进行了检验;最后给出了一般情况下地下环路交织区长度的建议值。结果表明:仿真与计算方法所得结果误差小于4.2%,证明了所建方法的有效性;对比原项目和所建方法所得设计,后者交通冲突率降低73.2%,证明所建方法得到的交织区长度更为合理;建设地下环路后,车辆行程时间最高缩短了39.6%,延误情况缩短至2 s内,排队长度最大缩短了88.1 m,表明运用所建方法建设地下环路具有较高可行性。依据所建方法进行交织区长度设计能够提高地下环路交通安全水平,缓解城市核心区的拥堵情况。

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基于数据融合的隧道结构安全性能感知体系框架

罗彦斌, 陈建勋, 陈辉, 王传武

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1097-1107. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.05

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随着交通基础设施建设持续扩大,大量隧道进入养护维修高峰期,结构安全风险呈滚动式周期性爆发趋势。目前隧道结构健康监测信息化和智能化程度较低,安全性能感知困难,严重影响了隧道的正常运维。本文立足于隧道结构健康监测和决策需求,提出了一种基于数物交互和数据融合的隧道结构安全性能感知体系框架。首先对隧道结构受力状态感知技术及其误差传播规律进行分析,并采用数物空间交互试验对支护结构各构件相互力学关系进行研究,并基于此建立多源数据各监测量之间的数学模型,对隧道整体结构和各构件的安全性能进行评估。结构安全感知体系可为隧道安全防灾和运维管理提供决策依据,对提高隧道工程现代化、信息化、智慧化管理水平具有重要意义。

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红黏土动剪切模量比与阻尼比概率分布特征研究

刘娟, 蒙云龙, 许国栋, 兰景岩

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1108-1116. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.06

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为探讨红黏土的动力学参数特征,揭示动剪切模量比与阻尼比在典型剪应变条件下的概率分布规律,本文以广西红黏土为研究对象,通过收集整理321组动力特性试验基础数据,给出了广西红黏土在典型剪应变条件下动剪切模量比与阻尼比随剪应变的试验推荐关系曲线,分析了不同概率水准条件下动剪切模量比和阻尼比的不确定性分布形态,并利用Boltzmann曲线给出了不同概率水准下动剪切模量比与阻尼比的上下限值及拟合公式。通过与前人给出的常规土类研究结果进行对比,初步揭示了红黏土动力特性与深度和剪应变的关系规律。研究表明:红黏土动剪切模量比、阻尼比在八组典型剪应变条件的上下限值随超越概率的变化呈现一定的规律,在数学形式上均满足Boltzmann方程。当剪应变在1×10^-4~1×10^-3时,动剪切模量比与阻尼比离散程度均达到最大。在同一剪应变条件下,随着超越概率的增大,红黏土动剪切模量比与阻尼比上下限之间的差距显著增大。

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超高应力区脆性硬岩洞室围岩分类修正研究

马行东, 李鹏, 袁国庆, 贾翔, 邢云腾

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1117-1123. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.07

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技施阶段高–超高地应力区地下洞室围岩分类对定性和定量分析评价围岩稳定性、指导现场设计、施工及支护至关重要。本文以 HC 法为基础岩体质量基本判据,以新生裂隙、爆破预裂一周后开挖面的残孔率、岩爆破坏深度、岩爆特征等现场可直接获取的定性或定量资料作为修正判据,提出了超高地应力条件下,脆性硬质岩的围岩分类地应力影响修正因素评分表(双江口修正表)、考虑地应力修正的围岩分类判定表(双江口法)和围岩分类步骤。实践证明,双江口法能够提高(超)高应力区脆性硬质岩的围岩分类判定的准确性,可以为支护设计提供更加准确的依据,对其他类似工程有一定的借鉴意义。

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土体抗拉强度试验研究方法的综述

孙一清, 沈振中, 徐力群, 张宏伟, 甘磊

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1124-1144. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.08

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土体抗拉强度比抗压和抗剪强度数值更小,因此时常被忽略,造成理论及试验的落后。文中系统归纳了土体抗拉强度的间接和直接方法,对比分析了现有试验方法的优缺点,结果表明:(1)土体抗拉强度的单轴拉伸方法按照力的加载方向可以分为垂直法和水平法,而垂直法中土样破坏前上半部分的重量会影响试验的准确性;(2)常用的土样固定方式有粘结、锚固、摩擦力和夹持,它们各有优势,但夹持较前三者更便捷和可操作。最后,提出水平单轴拉伸试验的后续仍需优化的问题。如制样脱模中土样的损耗、土样受拉段应力分布差,无法适用于大骨料砾质土、土样固定方式繁琐、土样与平台间的摩擦力难以消除等。

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真三轴下砂岩水力压裂物理模拟与声发射特征

姜永东, 谢成龙, 宋晓, 刘正杰

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1145-1151. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.09

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为揭示水力压裂破岩机理,采用真三轴加载系统、声发射仪、高压柱塞泵建立了一套室内岩石水力压裂物理模拟系统,该系统可以研究水力压裂破岩机理。基于格里菲斯强度准则建立了岩石起裂的临界水压力和起裂位置,结果表明:当水压力远低于临界压力时,在水压上升期砂岩声发射特征较明显,在水压保持期砂岩声发射特征平静,产生的信号为砂岩原生闭合的微裂隙被压开;当水压力接近临界压力时,在水压上升期和保持期砂岩声发射撞击数、振幅、能量均聚增,产生的信号为砂岩破裂产生的新生裂隙扩展和贯通;裂缝起裂、扩展方向与最小主应力方向垂直,原生裂缝控制了砂岩的裂缝起裂和扩展方向。本研究成果可为煤矿细砂岩厚老顶强矿压水力压裂治理提供参考。

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单轴压缩垃圾液污染黄土电阻率特征试验研究

刘华, 冯洪峰, 王宝, 孟令俭, 胡文乐

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1152-1159. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.10

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为研究不同含水率、垃圾渗滤液浓度的原状污染黄土电阻率与压缩特征之间的关联,人工配置垃圾渗滤液对黄土进行预污染,制备了不同含水率、不同污染液浓度侵扰的黄土试样,并基于Fukue提出的固结仪–电阻率试验原理进行室内试验,分析了不同含水率和渗滤液浓度对电阻率的影响,进一步探讨了各含水率下不同污染试样压缩系数与电阻率特征值之间的定量关系。结果表明:污染液侵入后会导致土体电阻率急剧降低,不同污染浓度试样间电阻率的差值较小;低含水率时电阻率对水分的响应度更高,随含水率升高,响应度开始降低;在0~100 kPa应力下,电阻率出现骤降,当应力增加至100 kPa后,电阻率逐渐稳定;以垃圾渗滤液含水状态为中间变量,进一步拟合了压缩系数与电阻率特征值之间的关系,其呈现出指数递减趋势;最后提出不同孔隙水化学溶液下的利用电阻率特征值评价黄土受垃圾渗滤液污染程度影响的工程分级评价建议。

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水平非均匀场地中油气管道地震响应分析及试验

代建波, 朱江, 王赵诚, 马静, 赵泽文

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1160-1168. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.11

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针对水平非均匀场地中埋地油气管道的地震响应,开展了埋地油气管道振动台试验和有限元模拟分析,研究了不同强度地震激励下埋地油气管道的应变和加速度响应,以及场地管周土体的加速度和位移响应规律。结果表明:研发的土箱能够满足试验的要求,试验方案合理可行;由于非均匀场地土体特性的不同,在地震激励下不同土体的动力响应不一致,进而会对管道不同区段形成不同的动力作用,加剧管道整体的动力响应;随着加载等级的提高,土体在振动过程中先是被压实,然后逐渐破坏,土体的非线性特征越来越明显,管道振动现象更为明显;相比于均匀场地条件,相同工况非均匀场地条件下的管道应变峰值和加速度峰值响应明显增大,表明非均匀场地条件下管道周围的土体破坏更为严重,管道的运动更加剧烈。建议在埋地管道抗震设计中要考虑非均匀场地条件和管周土体特性不一致对管道地震响应的增大影响。

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黏性地层盾构刀盘泥饼固结硬化试验研究

王宇博, 周凯歌, 方勇, 刘四进, 马浴阳

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1169-1179. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.12

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盾构在黏性地层中掘进时刀盘容易出现结泥饼问题,严重时堵塞刀盘降低盾构掘进效率,影响施工安全。渣土粘附在刀盘的过程中伴随着泥饼的固结硬化,为探明盾构刀盘泥饼固结硬化的影响因素,通过自制的刀盘掘进模拟装置开展了室内试验,研究了土体性质、温度、刀盘土压力与泥饼固结硬化特征之间的关系,进行了渣土改良实验,探究了不同改良剂对泥饼固结硬化程度的影响。结果表明:泥饼的含水率与锥入深度可以表征泥饼的固结硬化特征;土体的性质对掘进后刀盘形成泥饼的固结硬化程度影响最大,温度次之,刀盘土压力对泥饼的固结硬化程度存在地层差异性;泡沫剂对纯黏土与含砂黏土泥饼的固结硬化作用改善效果明显,分散剂则仅在纯黏土中存在明显作用。

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深部巷道围岩分区破裂带理论及试验对比研究

黎林梅, 涂一郎, 曾宪任, 谢洪阳

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1180-1190. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.13

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深部岩体巷道围岩分区破裂化现象形成机制一直存在较大争议。本文从应力波传播的角度对此问题进行了理论探索。以半圆型巷道围岩为对象,建立了巷道围岩应力波传播物理模型。对围岩区域波动方程进行了求解,得到巷道围岩区域应力波幅值分布呈波动衰减变化特征,创新性地提出了巷道围岩分区破裂带宽度及理论深度。以丁集矿井为对象,对其围岩分区中心半径进行理论计算并与实测结果进行对比研究,大部分分区半径吻合度较好。本文的研究成果对巷道围岩分区破裂化理论有一定的推进作用。

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石灰岩微波致裂规律研究

古傲林, 马占国, 文佳豪, 李阳, 陈达

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1191-1209. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.14

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为探求微波激励对坚硬石灰岩力学特性与致裂效果的影响,选取徐州地区典型石灰岩进行微波处理和单轴压缩试验,并建立二相岩模型开展数值试验,分析石灰岩的损伤程度随微波激励功率、时间的变化规律。结果表明:微波激励对石灰岩力学性质的改变包括在两成分的交界面由温度应力引起细小裂缝,此外,微波功率恒定时,两成分交界面的温度增长梯度、应力增长梯度均与处理时间呈负相关;压缩破岩的最佳微波激励功率和时间为3.0 kW/m³的微波处理岩石10 min;随着载荷作用点距中轴线的距离增加,各激励功率下的断裂应力曲线不断收缩,不同激励功率的效率趋于一致;3.0 kW/m³作为岩石受微波激励的裂缝增长关键功率节点,对岩样不同区域裂缝增长梯度影响显著。研究结果可为坚硬石灰岩致裂工作提供参考。

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冲击地压巷道围岩改性研究

刘业献, 王洪涛, 翟勃, 张寅, 李哲

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1210-1222. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.15

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针对巷道围岩改性的研究,主要采用理论解析及室内试验相结合的方法,先分析改性前影响围岩塑性区范围的因素,再利用试验研究改性后不同时间段内试件的力学特性及声发射特征,通过抗压、抗拉、抗剪、声发射实验手段研究围岩改性体破裂力学显现过程。结果表明:改性前围岩塑性区范围受支护阻力、侧压力系数、软化系数、扩容梯度及残余强度等参数的影响;其他条件一定时,提高围岩破碎区的残余强度可减小围岩塑性区的范围;改性体7 d、14 d、28d的抗压强度逐渐增加,最终达到原煤样强度的48.95％,28天的抗拉强度达到原煤样强度,黏聚力与完整煤样相比提高了2.05倍,对围岩塑性圈的改良均有很好的效果;声发射研究得到:7 d、14 d改性体试件的声发射信号变化较强烈,且在各个阶段都有大量的声发射信号产生,在受力情况下试件内部情况复杂,而28 d改性体的声发射信号变化较稳定,主要集中在破坏前后,在时间的作用下改性体的破坏形式逐渐由延性破坏转变为脆性破坏,证明28 d后改性体的强度达到饱和值,在围岩改性强度稳定后才能发现再次进行施工。根据实际情况制定围岩注浆改性方案,并监测围岩顶底板及两帮的移近量,改性后的围岩稳定性增加,变形量减小。

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冻融循环下低液限盐渍化粉土力学特性研究

包卫星, 秦川, 李伟, 刘亚伦, 陈锐

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1223-1235. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.16

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为了研究冻融作用对低液限盐渍化粉土强度的影响,对不同初始含水率低液限盐渍化粉土进行冻融循环试验后,开展不固结不排水(UU)剪切和扫描电镜(SEM)试验,从宏微观角度揭示低液限盐渍化粉土强度的劣化机理。结果表明:未冻融时,含水率的改变不会引起低液限盐渍化粉土应力–应变曲线形态发生变化,均表现为软化型;在冻融作用下,含水率小于14%时试件的曲线形态不会发生改变,呈现软化型,高含水率的试件其应力–应变曲线形态会向着硬化性转变;通过分析冻融和含水率与破坏强度的关系,发现低液限盐渍化粉土破坏强度随含水率的提高呈现线性衰减,破坏强度随冻融循环次数的增加呈现指数型衰减,前3次冻融过程中破坏强度的衰减速率和幅度最大,随后趋于稳定;随着围压的增大,试件的应力–应变曲线会由软化型向硬化型过渡;在微观结构方面,冻融作用会改变土颗粒之间的接触形式,造成孔隙和裂隙的发育,冻融过程中微观结构的变异规律和宏观力学指标的劣化具有一致性。结合土体损伤力学,构建了冻融作用下的低液限盐渍化粉土黏聚力损伤劣化模型,冻融过程中的劣化度符合双曲线关系,最终劣化度A_c与含水率呈指数型关系,劣化速率B_c与含水率呈线性关系。

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近海黏性土中桩土界面剪切特性与含水率效应

王永洪, 王鑫, 张明义, 李长河, 王东雷

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1236-1246. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.17

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为了研究粉质黏土–混凝土截面的抗剪强度在不同物理条件下的影响特征,本文针对粗糙度、含水率对其的影响展开研究,根据前人经验总结自制出了型直剪试验仪,研究了混凝土在不同粗糙度以及不同含水率的条件下,粉质黏土–混凝土界面的剪切特性受到的物理影响。结果表明:混凝土表明粗糙度对试验结果产生直接影响,并且随着粗糙度的增大,界面抗剪强度、界面摩擦角、剪切刚度系数以及界面残余剪切应力均相应增大,最大增幅可达37.0;而界面附着力随粗糙度的增大呈先减小后增大的趋势,增大幅度达23.7%。随着黏性土含水率的增大,界面抗剪强度、剪切刚度系数和界面残余剪切应力均呈先增大后减小趋势,含水率在20%~28%之间存在一个最优含水率使得界面抗剪特性最优;粉质黏土–混凝土界面的抗剪强度受粗糙度和含水率的影响较大。试验结果可为静压桩的工程实践提供借鉴与参考。

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聚丙烯纤维再生混凝土主破裂前兆特征研究

杨欣, 唐宇, 梁宁慧

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1247-1256. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.18

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为研究聚丙烯纤维再生混凝土的破裂尺度和主破裂前兆特征,设计制作了20组粗骨料替代率为25%和50%的试件,通过开展单轴压缩声发射试验,提取聚丙烯纤维再生混凝土破裂过程声发射能量和主频。以能量为媒介,探讨破裂尺度和声发射信号特征之间的对应关系。采用K-means聚类方法将大尺度破裂和小尺度破裂进行二维聚类分析,然后运用支持向量机得到大尺度破裂和小尺度破裂两类聚类的分界线。分析了聚丙烯纤维再生混凝土破裂过程声发射信号演化规律,发现存在声发射事件率减少,大尺度破裂信号增加,低能量小尺度破裂信号消失等特征。引入前兆响应系数概念,计算结果表明低能量小尺度破裂信号消失特征的前兆响应系数最大,前兆响应时间最早。

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地下盐岩溶腔储库单井水平溶解建造流体运移研究

李超, 梁卫国, 张胜利, 肖宁, 李静

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1257-1265. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.19

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为提高水平盐穴储库单井后退式溶腔建腔速率,通过相似模型试验与数值计算开展建腔期注水方向对腔内流体运移规律影响研究。数值模拟结果表明:注入淡水接触腔内卤水后浓度会迅速升高,当浓度达到23%左右变为缓慢升高;上下同时入射有利于快速溶腔,垂直向下入射有利于建造更大腔体。相似模型试验流体运移规律与数值模拟基本一致,证明了数值模型的正确性。试验发现:腔内流体主要分为羽流区、边界溶解区、对流扩散区和底部饱和区4个区域;改变注水方向使羽流区流体浓度和流速改变,进而影响边界溶解区高度,与水平入射相比,垂直向上入射、上下型入射、四周型入射和垂直向下入射高度增加了22.2%、26.9%、51.1%、135.6%;改变注水方向使淡水初始向下流速改变,进而改变底部饱和区高度,与水平入射相比,垂上、四周、上下、垂下入射高度降低0%、12.9%、29.9%、70.1%。

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溶洞上方桩基极限承载力计算

张红卫

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1266-1274. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.20

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为计算岩溶区桩基的极限承载力,提出一个符合工程实际情况的简化分析模型,充分考虑了桩与溶洞之间距离对桩基承载力的影响。基于极限分析上限法,提出了相应的假定破坏模式,并采用三角形刚性块体对破坏模式进行离散,计算得到外力功率和内能耗散率。以桩端极限承载力作为目标函数,将该问题转化为数学优化模型,并利用MATLAB对数学优化模型求解。将本文计算结果与有限元极限分析法所得结果进行对比,验证了本文方法的正确性。最后,分析了材料参数和几何参数对桩基极限承载力的影响,参数分析表明:随着桩与溶洞距离不断增大,溶洞对桩端承载力的影响越来越小,当桩与溶洞距离超过某一定值时,桩端极限承载力将不受溶洞的影响。

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软岩地基斜锚–短桩复合基础水平承载性能研究

向城名, 田雷, 侯中伟, 乾增珍

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1275-1285. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.21

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针对山区输电线路岩石地基斜锚–短桩复合基础这一新型基础型式,采用有限元方法构建并验证计算模型,并进一步以短桩的桩径及其嵌岩深度、斜锚长度、斜锚连接节点距地表深度为参数,开展嵌岩短桩及斜锚–短桩复合基础抗水平承载性能对比研究。基于斜锚–短桩复合基础水平荷载–位移曲线初始弹性段、弹塑性过渡段和直线破坏段的三阶段变化特征,确定了各基础相应阶段的水平承载力。研究岩体及桩身截面混凝土应力分布特征、斜锚与短桩连接节点位置对斜锚–短桩复合基础抗水平承载性能的影响规律,结果表明:斜锚与岩体间的黏结锚固作用可将基顶水平力转化为斜锚拉力,使水平荷载传递至斜锚周围及短桩桩端以下的岩体,进而有效提高斜锚–短桩复合基础水平承载性能。通过优化斜锚连接节点距地表深度,可减小桩径及其嵌岩深度同时满足相应基础抗水平承载力设计要求,从而有效降低基础施工难度,提高基础安全性。

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基于离散裂隙网络的围岩注浆加固规律研究

钟杰, 李博, 宋振宇, 邹良超

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1286-1297. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.22

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基于输水隧洞裂隙围岩特征建立了二维离散裂隙网络模型,将宾汉姆流体在单一饱和裂隙中的两相流本构扩展到裂隙网络,模拟浆液在裂隙岩体中的流动扩散过程,得到不同注浆时间下注浆圈的形成范围;将注浆圈导入三维裂隙网络模型,基于水力耦合计算研究了在衬砌和注浆加固下,隧洞围岩的应力、变形与水压分布特性。结果表明:围岩注浆圈几何形态受裂隙分布特征的影响,呈各向异性分布;衬砌可有效控制围岩变形,相比无衬砌的工况隧道最大位移量减少了约50%,而注浆圈的形成可有效降低作用在衬砌上的围岩应力,缓解由外水压力引起的应力集中。本文成果可为富水岩体中隧道和地下洞室等深地工程的加固设计提供技术支撑。

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基坑群开挖引起邻近隧道附加应力研究

刘子涵, 王宏谦, 张凯, 邓稀肥, 朱建波

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1298-1308. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.23

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基坑开挖卸载会导致邻近地铁隧道产生附加应力,附加应力过大时会造成隧道失稳,进而影响地铁运营安全。为了研究基坑群开挖引起邻近隧道附加应力变化规律,首先利用Mindlin理论解推导所得的隧道附加应力计算公式,然后依托杭州某邻近地铁隧道的基坑群开挖工程对所推导的公式进行验证。在此基础上分析了隧道埋深、隧道–基坑水平距离、隧道–基坑夹角3个因素对附加应力分布规律的影响。根据不同埋深、不同隧道–基坑水平距离下计算结果,结合规范对群坑开挖产生的危险区域进行了划分。结果表明:(1)随着隧道埋深增加,其竖向附加应力会逐渐增大,水平附加应力会逐渐减小,竖向、水平附加应力均会随隧道–基坑水平距离增加而减小;(2)基坑群开挖时,随着隧道–基坑水平距离增加,埋深对于竖向附加应力影响系数逐渐减小,对于水平附加应力影响系数会出现先减小后增加的趋势;(3)竖向、水平附加应力随着隧道–基坑夹角增加而增大,隧道所受附加应力主要由与其距离最近的基坑开挖产生;(4)随着隧道–基坑距离增加,群坑开挖时竖向附加应力减小率比单个基坑开挖时小,水平附加应力减小率与单个基坑开挖相比会有所增加。

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冲–切混合钻头工作动态分析与破岩效率研究

谢荣斌, 崔国杰, 刘伟, 杨迎新, 徐光达

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1309-1316. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.24

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针对现有钻头在深部复杂难钻地层的破岩效率低的问题,本文提出冲击–刮切分离式混合钻头,冲击齿与PDC齿相互独立工作。通过有限元分析得出冲击齿先对岩石预损伤,弱化岩石性质,再依靠PDC刮切岩石,钻头通过冲击–刮切的方式切削地层,仿真结果表明,冲切方式的破岩的最大轴向力和最大切削力都有所减小,平均轴向力减小34.93 N,降低12.1%,平均切向力减小26.09 N,降低9.1%,降低PDC齿破碎比功,从而提高混合钻头的破岩效率。根据混合钻头切削齿运动特点,运用复合坐标系统分析切削齿与钻头的几何关系,进而建立切削齿的速度、加速度以及动力学方程,通过MATLAB软件来模拟混合钻头的切削齿破碎岩石的动态过程,并得到混合钻头的井底形貌以及切削齿的切削截面、切削体积、切削力等参数,为新型混合钻头的研发提供了理论基础。

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超长倾斜联络通道冻结施工全过程有限元分析

徐亚峰, 童俊, 陈玮, 马宏宇, 涂福彬

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1317-1326. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.25

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在滨海软土地区开挖地铁联络通道时常采用地层冻结技术来提高土体的强度和稳定性,冻胀、管片及衬砌的应力集中、融沉等问题是冻结法施工过程中面临的巨大挑战。本文以天津地铁7号线某超长倾斜联络通道的冻结法施工为背景,使用ABAQUS软件建立三维热力耦合有限元模型,依照施工顺序对积极冻结期、维护冻结期和自然解冻期进行全过程数值模拟。结果表明:对于倾斜联络通道,地表的冻胀、融沉竖向位移均存在单向对称性,且隧道管片、倾斜联络通道衬砌应力分布非对称,在开挖支护过程中管片开口侧边中部及倾斜联络通道衬砌的尖角部分存在较大的应力集中,土体解冻后,倾斜联络通道的尖角部分和直墙拐角处应力集中值因冻胀压力释放而减小。

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基于光纤感测的急倾斜煤层采动围岩变形特征研究

王毅, 杜文刚, 张丁丁, 袁强

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1327-1333. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.26

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将分布式光纤传感技术应用于急倾斜煤层采场围岩变形及应力分布特征物理相似模型试验,通过在模型中沿煤层倾向布置传感光纤与沿煤层底板铺设压力传感器,实时监测模型内部变形场与应力场,并结合数值模拟分析了急倾斜煤层顶板应变分布及演化特征。结果表明:工作面上部区域应力值小于下部和中部区域,中部区域应力值最大;随工作面推进,采空区底板应力逐渐释放,应力值不断降低,采空区两侧边界煤柱下方煤层底板应力逐渐升高,且中、下部采空区底板应力恢复程度显著高于上部底板;沿煤层倾向布置的光纤应变曲线呈三段分布,具有前后2处应变波峰区及采空区对应的中部波谷区,前波峰远高于后波峰;工作面中上部顶板变形程度大于下部顶板;数值模拟与光纤检测结果一致,均表现出中上部顶板变形显著大于下部。研究弥补了物理相似模型试验监测手段短板。

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基于探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别

张军, 姜文涛, 余秋琴, 李有鑫, 罗婷倚

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1334-1344. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.27

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脱空病害在水泥路面中不可避免,危害路面结构安全性,迫切需要建立脱空病害区域的准确定位方法。采用探地雷达(GPR)为无损检测工具,通过GPR信号时频特征的提取和正反演实验构建了脱空病害的特征数据集,将特征集进行PCA降维,以PCA主元为输入、正常和脱空为输出分别建立SVM和ANN脱空识别模型;在获得脱空的GPR信号上提出窗口能量法判断脱空区域的深度,在实际路面上对脱空识别进行验证。结果表明:时频特征可表征脱空病害,包含病害的部分数据集更适合用于建模识别;ANN的识别准确度优于SVM,窗口能量法可有效定位脱空区域的深度,并对噪声具有一定的鲁棒性,在室内模型中定位精度平均误差1.51%。研究结果可为路面精准养护提供科学依据。

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基于水文地质综合勘察的隧道导水特性研究

程小勇

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1345-1356. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.28

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深埋特长隧道是高速公路建设中的关键控制性工程,查明水文地质条件和准确预测涌水量是保证施工安全的重要前提。本文以拟建的深圳外环高速公路三期工程田头山隧道为例,采用水文地质测绘、物探、钻探、水文地质试验和室内试验相结合的水文地质综合勘察方法,对隧道围岩分段分级、富水段落划分、涌水量预测等方面进行了分析研究。隧道经过向斜轴部地段,为良好的储水构造,富水段落集中在K84+680~K84+840,预测在施工时将产生大涌水,将此范围洞身段划为Ⅴ级围岩,判定为主要导水岩体;隧道受断裂构造影响,富水段落中的断层带及宽张裂隙将会成为重要导水通道。进一步,在获取隧址区典型深度段岩体的渗透系数后,分别采用降水入渗系数法、裘布依理论式及古德曼经验式对隧道涌水量展开预测,表明水文地质综合勘察方法可以很好地评估隧道导水特性及估算涌水量。

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带井电法在城市障碍区间探测中的应用研究

杨亮, 周聪, 王轲, 姚振岸, 谢尚平

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1357-1366. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.29

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城市地下空间探测是当前浅部地球物理勘探的研究热点,城市中复杂的障碍区间给地下空间探测施工带来了极大的困难。针对城市岩土工程勘察中常见的障碍区间探测问题,本文基于带井直流电阻率法,采用数值模拟与应用试验,通过设置不同的观测数据密度,对比分析不同障碍区间宽度条件下的反演效果,开展了方法的可行性研究,分析了方法的适用范围。结果表明:带井电法的探测精度与障碍区间的跨度范围、目标深度及钻井深度等均相关,跨度越大、目标深度越大,提高探测精度所需的钻井深度越大。当障碍区间跨度超过工程钻探相关规范要求的间距时,采用带井电法可为地下空间勘察提供依据。

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隧道洞外减光棚光学参数优化分析研究

万利, 饶炎, 马非

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1367-1374. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.30

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近年来越来越多的城市隧道和高速公路隧道在入洞口设置了减光棚装置,用来降低“黑洞效应”及低角度阳光眩光效应,从而提高隧道入口段的行车安全。现有的减光棚存在着路面均匀度差、明暗条纹、路面亮度不均匀等不良情况,给行车带来了一定的负面影响。在综合考虑隧道减光棚安全性和舒适性的基础上,基于光扩散板的多光源效应,提出了降低减光棚负面影响技术,构建了减光棚日光直射数值分析模型,在减光棚顶部布设光扩散板,将日光充分扩散后照射到棚下路面,从而避免太阳直射路面导致的不良现象,通过室内试验和数值分析方法进行光学分析研究。结果表明:在光扩散板的作用下路面亮度均匀度在0.7~0.95,满足设计规范要求,能避免出现明暗条纹等不良现象,保证了隧道洞口处的行车安全和舒适性;由于采用自然光线提供光通量,可以通过光扩散板的布设面积控制棚下路面的亮度等级,降低了隧道照明系统的碳排放,实现了安全、舒适与低碳环保的统一。

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深埋隧道微震事件规律及岩爆前兆微震信息研究

熊炎林, 陈冠甫, 刘晓丽

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1375-1381. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.31

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以西藏多雄拉隧道作为研究对象,在隧道施工过程中构建微震监测系统,对TBM(Tunnel boring machine)掘进过程中微震信号的规律以及岩爆发生前微震信号的演化过程进行研究。结果表明:(1)微震事件总体上随着掘进进尺速率的增加而增加;(2)TBM开挖过程中围岩应力调整危险区域主要在掌子面前方1D和掌子面后方3D范围内,这与岩爆发生的区域一致;(3)矩震级大于零的微震事件可以作为岩爆预警的信号,同时注意强岩爆发生后次生灾害的防护;(4)能量指数的下降和累计视体积的上升可以作为岩爆发生前的预警信号。

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考虑裂隙影响的桩端岩溶顶板破坏形态与安全厚度

郭建民, 杨春山, 黄钺, 张松涛, 曾炯坤

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1382-1388. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.32

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为了研究桩端岩溶顶板破坏形态和安全厚度受岩体质量的影响,借助离散元软件,建立含节理裂隙的岩溶顶板承载计算模型,揭示顶板损伤断裂破坏细观机制,明确含裂隙顶板破坏形态,以此为基础提出考虑裂隙影响的顶板安全厚度修正计算法。研究表明:完整岩体岩溶顶板表征出典型的脆性破坏,破坏临界位移仅为较破碎岩体的60%,对应的破坏荷载则大了67.5%,岩体裂隙会明显影响桩基安全冗余度的判断,实际工程应充分考虑;桩基荷载作用下含裂隙岩溶顶板发生渐进破坏,主要经历局部压缩、微裂隙闭合→新裂隙萌生、旧裂隙扩展→形成宏观裂纹并张开→生成贯通破坏面与断口,岩体割裂成块→破坏面发展,岩体割裂加剧→形成滑动带,顶板整体破坏;岩溶顶板因错综复杂分布的节理裂隙,其空间破坏形态并非遵循规则的椎台,也非以特定曲线为母线的旋转体,而是源于裂隙的空间不规则破坏体;提出了考虑岩体节理裂隙和桩基荷载作用的岩溶顶板安全厚度修正分析方法,与模型试验结果对比表明,修正计算具备合理性。

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金川二矿区上盘贫矿采矿方法优选及采动效应分析

盛佳, 万文, 张海云, 王玉丁, 李向东

地下空间与工程学报. 2024, 20(4): 1389-1400. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.04.33

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金川镍矿为我国最大的镍矿资源生产基地,随着二矿区富矿资源逐渐减少,为稳定矿区生产能力,亟需开采上盘贫矿资源。富矿开采过程破坏了原岩应力环境,造成上盘贫矿和围岩体变形破坏,严重影响贫矿资源开采的整体稳定性。针对上盘贫矿开采技术难题,研发了下向进路充填与分段中深孔嗣后充填联合采矿法等3种开采方法,采用未确知测度理论方法确定最优开采方案。通过构建二矿区整体数值模型及其可靠性验证,开展贫矿资源开采采动效应数值模拟分析,表明机械化盘区下向分层大进路胶结充填采矿法应力集中程度最小、总位移量相对最小,更有利于盘区的整体稳定。基于矿山生产实际,开展了机械化盘区下向分层大进路胶结充填采矿法现场试验,建立了矿区全数字型微震监测系统及多参数权重预警模型,实时预警并采取对策措施。采场开采损失率为7.0%,贫化率为6.5%。研究成果可为贫矿资源或二次资源高效安全开采提供技术支撑。

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