地下空间与工程学报

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2024年, 第20卷, 第3期
刊出日期：2024-06-20

地下空间开发利用
理论与试验研究
设计、施工、监测
防灾与环境

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地下空间开发利用

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基于应用场景的城市深部地下空间规划模式研究

安晓晓, 李云燕

2024, 20(3): 701-709. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.01

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地下空间开发利用是解决当前我国土地资源紧张、人口稠密、交通堵塞等诸多城市问题的一种重要途径,但当前浅层地下空间开发利用方式难以直接指导我国复杂的深地开发场景,探寻深地空间开发组织模式是我国新时期城市化发展的必然需求。通过梳理国内外深部地下空间应用场景,通过分析深地矿井、深地交通、深地储存、深地实验室等各类场景下相应空间特征以及使用需求等,总结提出了点状、线状、面状和立体网络式4种典型的深部地下空间网络组织模式,并分析4种典型发展模式的适用特征与可能的应用场景,以期为我国深地空间开发建设和场景设计提供参考借鉴。
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面向实施的地下空间详规编制方法与管控路径

王敏, 张梦霞, 赫磊

2024, 20(3): 710-720. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.02

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当前我国城市地下空间快速发展,地下空间详细规划的实施成为规划管理的重要内容。但由于地下空间规划实施主体责任不明、规划编制技术支撑不足以及建设管控效力薄弱等问题,导致规划难以顺利实施。为此,提出了“明确主体、夯实技术、细化管控”三位一体的地下空间详规可实施性提升框架和方法。在明确主体方面,应区分项目属性,确定实施主体,建立协调机制。在夯实技术方面,应强调前期技术论证,增加经济效益分析。在细化管控方面,应合理安排实施时序,细分刚性与弹性要素,增强规划在土地供应中的约束力度。最后,以深圳前海深港现代服务业合作区为例,说明了该方法的适用性。本研究提出的地下空间规划可实施性提升方法,可为我国地下空间规划的编制提供科学依据,有助于优化规划内容,提高规划的执行性和实效性。
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轨道交通换乘站厅携物老人行为-空间适配研究

褚冬竹, 宋登高

2024, 20(3): 721-736. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.03

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老年人群作为轨道交通客流中的生理性弱势人群,其携物出行具有差异化的特征与需求,面临环境客观存在的行为障碍。从行为与空间的适配关系切入,调研分析不同携物状态下,轨道交通老年人群的行为分异特征及需求范畴,聚焦精细化空间矛盾点。在此基础上,从空间、设备、标识系统、公共家具等类别的前沿技术的可行应用方面,讨论应对携物老人这类特殊群体行为需求的轨道交通地下换乘站厅空间适配优化设计对策,并通过人因工程仿真软件JACK进行微观模拟,以验证对策的有效性。研究成果可为微观层面空间与行为仿真模拟,以及地下交通建筑公共空间精细化设计提供参考。
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基于日照时数分析的地下交通枢纽顶部开口研究

王东, 赵雪秀, 韦家俊, 刘鹏, 何江

2024, 20(3): 737-747. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.04

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发展地下交通系统成为解决城市化进程中交通拥挤、土地紧张等问题的重要应对措施。地下交通枢纽空间的顶部开口可以缓解地下空间的采光与通风需求,但因此会使地下空间接受较多的太阳辐射量,导致夏季热不适。分析不同顶部开口设计对地下空间的热环境状况影响可以辅助设计人员优化方案,减少建筑能耗。本研究提出一种基于日照时数的热环境评价方法。该方法借助日照模拟分析软件定性与定量分析研究空间的太阳照射时数分布情况,同时基于权重分析法考虑了不同时刻太阳辐射强度变化的影响。在此基础上采取控制变量法讨论开口率、开口数量、开口深度和日照时数之间的关系,确定使地下空间热环境良好的开口设计形态。此外,选取广州市某综合交通枢纽设计项目作为案例研究,详细展示了如何利用所提出的方法评价分析不同顶部开口设计方案的太阳照射时数分布情况。将所总结的方法应用于设计实践中,使其在方案设计阶段确定有利于地下空间热环境效应的开口设计,为后续阶段的热环境优化奠定良好的基础。

理论与试验研究

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考虑黏聚力及不完全拱效应的太沙基松动土压力

董顺, 张翰, 高潮, 淦方茂, 谭尧升

2024, 20(3): 748-756. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.05

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考虑滑移面上主应力旋转和埋深对侧向土压力系数的影响,基于摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)破坏准则推导黏聚力存在时滑移面上的侧向土压力系数,进而采用微分土条极限平衡方法推导滑移面上的竖向应力。在此基础上,假设小主应力轨迹为圆弧,进而推导不完全拱效应作用下滑移面间的竖向应力分布及平均竖向应力。结果表明:与传统太沙基(Terzaghi)松动土压力公式及其现有修正公式相比,本文推导的滑移面上的竖向应力受黏聚力和内摩擦角的影响更加显著,且滑移面上的主应力旋转会放大二者对滑移面上竖向应力的影响;黏聚力对滑移面间竖向应力及侧向土压力系数的横向分布具有相同的影响规律,即黏聚力越大,二者的非线性分布特征越显著;以小主应力轨迹为圆弧所得出的滑移面间竖向应力分布规律与杨明辉等的原位测试结果基本吻合,且活门上的平均竖向应力与Chevalier等的试验结果较为吻合。
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考虑注浆层剪切变形的全长粘结锚杆应力分析

舒晓云, 朱珍德, 李安润, 田云

2024, 20(3): 757-766. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.06

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锚杆锚固力与锚固界面的剪切特性密切相关,基于锚杆-注浆层-围岩以及粘结界面之间的应力应变关系,考虑锚固界面与注浆层的剪切特性,分析了全长粘结锚杆的应力分布特征,得到了锚杆轴力和锚固界面剪应力的分布规律。结果表明:考虑注浆层剪切变形的界面剪应力分布范围相比不考虑时显著增加,峰值显著减小,二者的误差随着围岩弹性模量的增加而降低,其中硬岩条件下二者的差值约为30%;在围岩弹性模量较低时,剪应力集中程度较低,且沿锚杆分布范围较大,故软岩工程中应适当增加锚杆长度;随着围岩弹性模量的增加,界面剪应力分布范围减小,峰值增大,且逐渐向锚杆端部集中,故硬岩工程可适当缩短锚杆长度,并提升界面抗剪强度。
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圆形深基坑环梁径向等效刚度系数研究

杨淼, 张丙吉, 郭昊, 王颖

2024, 20(3): 767-775. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.07

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弹性支点法是我国现行规范推荐的深基坑支护结构计算方法。在弹性支点法基础上,针对圆形深基坑环梁作为支护桩弹性支点的刚度系数提出明确算法,达到更合理地计算支护结构内力和位移的目的。通过弹塑性力学厚壁圆筒理论,得到环梁径向位移公式,进而推导出环梁径向等效刚度系数和环梁换算截面的等效材料抗力计算公式。将径向等效刚度系数和等效材料抗力作为弹性支点的参数,计算支护结构内力和位移。采用此方法计算沈阳某圆形深基坑支护结构的内力和位移。结果表明:采用等效刚度系数的二维弹性支点法计算得到的支护结构的内力与位移,与现场监测数据比较吻合,比三维有限元计算结果更安全,比常规刚度系数计算结果更经济合理。
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静水压作用下砂岩渗透特性及渗透率模型改进

林键, 杨溢, 曹广勇, 刘洋, 邵晚行

2024, 20(3): 776-787. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.08

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为探究应力状态对西部弱胶结砂岩渗透率的影响规律,明晰开采过程中岩层的渗流、力学特性,分别开展静水压状态下的岩石渗流试验和核磁共振试验,在此基础上进行岩石渗透率的反演,分析渗透过程中岩石内部孔隙结构的变化规律,进而对核磁渗透率模型进行修正。结果表明:(1)围压对岩石渗透率影响显著,促使岩石内部孔隙结构发生改变,渗透压差的增大会造成岩石内部孔隙的扩张,渗流通道增多,渗透率增大;(2)围压增大导致的微、细孔隙的闭合存在一个极限值,微、细孔隙达到闭合极限所需的围压明显低于大孔隙,微、细孔隙对岩石渗透率的影响随围压的增大而逐渐降低,大孔隙闭合对岩石渗透率的下降贡献值最大;(3)围压的增大会导致岩石内部大孔转为微、细孔,T₂截止值呈增加趋势,围压增大引起的孔隙结构的变化会导致岩石内部自由孔隙转化为束缚孔隙,从而造成渗透率的变化;(4)在考虑围压对孔隙结构变化的影响后,对核磁渗透率模型进行修正,修正后的渗透率模型能够较好地反演出岩石的渗透率,为该类岩石进行核磁试验渗透率反演提供了有效依据。
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加载速率效应下恒温花岗岩损伤破坏规律研究

鲍先凯, 姜斌, 于超云, 时睦涵, 张武

2024, 20(3): 788-799. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.09

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为研究恒温花岗岩的加载速率效应,以60 ℃恒温花岗岩试样为实验对象,开展不同加载速率下花岗岩单轴压缩试验并采用声发射技术实时监测并进行数值模拟计算,分析试样的力学特性和破坏演化规律。结果表明:随加载速率增加,花岗岩弹性模量先减小后增大,泊松比先增大后减小;0.005 mm/s加载速率下试件声发射信号曲线平滑、增长缓慢,0.01 mm/s、0.015 mm/s加载速率下声发射信号曲线曲率急剧增加,而0.02 mm/s加载速率下声发射信号断崖式上升;不同加载速率下的张拉裂纹散点分布靠近AF轴,剪切裂纹散点分布均远离AF轴,张拉裂纹散点远多于剪切裂纹;声发射RA-AF演化特征分析和数值模拟分析都很好地印证了花岗岩低加载速率下的破坏形式是以张拉为主的张拉-剪切混合破坏,高加载速率下的破坏形式主要为张拉破坏,这与试验结果高度吻合。
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喷射秸秆加筋黄土的强度特性研究

王铁行, 赵翊豪, 金鑫

2024, 20(3): 800-811. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.10

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纤维加筋能够改善土体的强度特性,但多适用于便于击实工况,在难于击实复杂工况方面的应用受限。本研究利用高压空气喷射制备秸秆加筋黄土试样,依托直剪试验探究纤维掺量及含水率的变化对加筋黄土强度的影响,获得加筋土在所需工况下的最优工作性能,并利用试验数据建立不同工况下加筋土体的强度预测模型。结果表明:(1)土体抗剪强度随纤维掺量的增加呈现“先升后降”趋势,纤维的加入能够改善土体的破坏模式,增强土体的残余强度及变形能力;(2)含水率变化对加筋土体黏聚力的影响显著,对高纤维掺量加筋土体内摩擦角的影响较大,但在高含水率下加筋土体仍能保持较好的抗剪强度:(3)含水率降低利于发挥纤维对黏聚力及内摩擦角的增强作用,纤维对土体强度的提升率随含水率降低呈现“先降后缓”的趋势;(4)纤维掺量及含水率为抗剪强度重要影响因素,强度预测时应优先考虑含水率的影响。本研究成果对于优化加筋黄土性能、克服纤维加筋土在工程中的应用盲区具有指导意义。
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卸荷条件下结构性软黏土三维力学特性研究

杨爱武, 黄俊枭, 李建华

2024, 20(3): 812-826. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.11

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软黏土一般具有结构性,结构性是土体变形特性的重要影响因素。以天津滨海软黏土为原料土,通过掺入少量不同含量的水泥人工制备出土质近似均匀、结构性有所不同的结构性软黏土,采用GCTS真三轴试验仪探讨基坑开挖条件下结构性土体的三维力学特性。结果表明:侧向卸荷条件下土体应变与卸荷速率、土体本身结构性、固结围压皆有关系;当土体结构性与卸荷速率相同时,围压越小的试样应变增长的速率越快,破坏时应变量越大;在土体结构性与围压相同时,随着卸荷速率的增大,破坏应变以及破坏时的应力大小都增大;当大主应变ε₁小于破坏应变,土样的结构性未发生破坏时,ε₁－ε₃关系曲线斜率增长速率较慢,当大主应变ε₁达到破坏峰值后,小主应变ε₃方向膨胀速率加快,直至试样破坏;在同一围压下,土体初始卸荷切线模量随卸荷速率的增大而减小,土体卸荷破坏强度随卸荷速率的增大而增大。在此基础上,对应力-应变关系进行分析,建立并验证了考虑卸荷速率和土样结构强度影响的卸荷破坏强度预测公式。
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正态分布矸石侧限压缩特征与声发射特征研究

何淑欣, 杨科, 何祥, 文志强

2024, 20(3): 827-837. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.12

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为研究矸石集料的承载力学特征及声发射特征规律,通过采用岩石力学伺服加载系统和声发射系统对矸石集料进行侧限压缩试验和声发射信息采集,考虑采空区破碎矸石粒径分布特征和受力状态,以平均级配矸石集料为对比,研究正态分布矸石集料在不同轴向应力加载过程中的应力应变关系、声发射能量、粒径级配和分形维数的变化。结果表明:矸石集料应力应变曲线呈指数函数关系,正态分布矸石集料在承载过程中产生的应变更大;较平均级配,正态分布矸石集料先发生大范围破碎现象,且频率更高,分布更均匀,但其最高声发射能量小于平均级配;分形维数与加载应力呈对数函数关系,正态分布矸石集料分形维数增长率高于平均级配,具有更大的跨度区间。
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粉煤灰改良红层泥岩填料静三轴试验研究

余云燕, 丁小刚, 黄志勤

2024, 20(3): 838-847. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.13

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红层泥岩的吸水软化和体积膨胀特性易造成路基翻浆冒泥现象及路基不均匀沉降等病害,在作为公路路基填料时应对其进行改良。本文选用粉煤灰作为改良剂,通过室内X射线衍射试验、化学成分测试和易溶盐等试验,分析红层泥岩和粉煤灰的成分组成及离子含量;通过无侧限抗压强度试验、室内变水头渗透试验和固结等试验分析了试样改良前后物理力学特性;通过常规三轴UU试验,研究了不同粉煤灰掺量对改良试样剪切应力-应变及抗剪强度的影响;分析了粉煤灰掺量为10%时,养护龄期对改良试验抗剪强度参数的影响。结果表明:该地区红层泥岩属低液限黏土,其易溶盐溶液中的SO₄^2-离子含量最高,pH值呈碱性;三轴剪切试验中,改良和未改良试样均呈塑性破坏,试样粉煤灰掺量和龄期均对试样抗剪强度提高具有促进作用,且黏聚力增长幅度远大于内摩擦角;粉煤灰掺量为10%龄期28 d时,试样黏聚力较未改良未养护试样和10%掺量未养护试样分别提升37.9%和6.9%,内摩擦角分别增大了1.2°和0.7°。试样的静力学试验均验证了粉煤灰改良的可靠性。
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固化渣土材料力学性能试验与微观机理研究

杨涛, 李幸孺, 刘帅磊, 赵浩, 闫美美

2024, 20(3): 848-856. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.14

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城市地下空间的营造与开发会产生大量的盾构渣土,传统的渣土处理方式对生态环境和资源保护带来重大挑战,将胶凝材料和盾构渣土结合后制备的再生固化充填材料(RSS-ER)可有效地解决这一难题。在确定水固比为0.35前提下,选择矿粉、粉煤灰和硅粉进行不同的正交组合,并开展不同配合比RSS-ER的流动性试验、无侧限抗压强度试验及微观结构试验。研究表明:RSS的流动性可满足一般回填工程中对于充填材料的要求;RSS-ER的无侧限抗压强度与养护时间呈正向关系,且室内常温养护的试件强度高于水下养护的试件;渣土骨架间的孔隙被水化产物C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶充填,是RSS-ER整体性及强度得以提高的原因。
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基于量纲分析的深埋硬岩相似材料研究

臧万军, 常银会, 王峥峥

2024, 20(3): 857-867. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.15

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为获得具有岩爆倾向性的深埋灰岩相似模型,基于量纲分析方法引入岩爆能量原理建立岩爆相似准则,参考原岩相关参数结合岩爆相似准则推算相似模型对应的原岩目标相关参数。引入岩爆倾向性指数、弹性能和耗散能,以石英粉含量、重晶石粉含量、石膏水泥质量比、水含量为影响因素采用4因素5水平的正交试验方案,进行单轴抗压试验得到各项参数。对试验结果进行敏感性分析并将优选试件进行二次优化试验完善配比,将试件与目标相似模型参数误差降低在10%以内,结果表明,二次优化后的模型试件与目标相似模型误差为5%。对优化后的试件设置不同的冲击速度进行动态冲击力学试验,其峰值应力规律符合灰岩动态破坏时规律,为灰岩室内静力学与动力学相关研究提供参考。
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分级侧向膨胀型锚杆结构力学性能及锚固机理

袁维, 王立言, 裴子豪, 孙瑞峰, 王伟

2024, 20(3): 868-876. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.16

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为了更好地应对传统锚杆在边坡、隧道灾害防治领域锚固性能的不足,研发了一种具有分级侧向膨胀性能的锚杆结构。首先,基于弹性力学理论与物理圆环模型,得到了分级侧向膨胀锚杆径向承载变形的本构关系与极限抗拉拔力公式;然后,通过静态拉拔试验,揭示了锚杆的承载力传递规律与承载变形机理;最后,通过对分级侧向膨胀锚杆与NPR锚杆的结构特性进行对比,发现分级侧向膨胀锚杆不仅在抗剪切、扭转和吸能等方面具有更优异的性能,且相比较NPR锚杆的单次膨胀特性,其分级膨胀与可控变形的特性在提高围岩整体稳定性,释放围岩变形能方面更具优势。结果表明,分级侧向膨胀锚杆的特性更加适合稳定性较差的地质环境,为灾害防治工程提供了新的解决方案。
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隧道施工防突岩盘破坏三维力学特征试验研究

苟晓军, 张海超

2024, 20(3): 877-887. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.17

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隧道施工开挖遇前方存在突水突泥致灾构造时,如隔水/隔泥岩土盘厚度小于最小安全岩土盘厚度时,隔水/隔泥岩土盘在致灾构造中地下水/黏土压力的作用下失稳破坏,致灾构造中地下水或致灾构造中黏土突出形成突水/淤泥灾害。本文采用隧道中最为常见的砂岩和灰岩制作长宽一定、厚度不同的完整和预设裂隙试件,进行集中荷载作用下的破坏试验,探索砂岩和灰岩防突岩盘三维力学特征及最小安全岩盘厚度和水头的联系。结果表明:砂岩岩盘破坏形成的裂纹呈“X”型,灰岩岩盘呈“树枝”型;砂岩岩盘裂纹沿尺寸较大的方向产生,存在原生裂隙时裂纹尖端向大尺寸方向扩展;灰岩岩盘裂纹沿着长对角线产生主裂纹,在裂隙较深处出现次生裂纹,裂纹主要沿一端进行扩展;随着长度的增加,完整砂岩岩盘最大横向应力呈现“驼峰”型曲线,裂隙砂岩盘最大横向应力呈现“山峰”型曲线,完整和裂隙灰岩岩盘最大横向应力呈现“单峰”型曲线,横向应力在某一长度时最大横向应力出现极值;随着厚度的增加,曲线最终呈现“单峰”型曲线,在某一厚度下,抗破坏力最强,砂岩和灰岩板破坏时的水头与厚度均呈幂指数的关系。
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过海区间隧道多风机组合排烟性能试验研究

陈方兴, 郝小礼, 陈世强, 陈永平, 朱祝龙

2024, 20(3): 888-896. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.18

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为实现多通风机组合的隧道通风系统高效排烟,建立1∶10缩尺试验模型,其工程原型为下穿青岛胶州湾的地铁1号线瓦贵区间隧道。基于试验模型,测定通风机功耗、行车道风速及静压,量化4种通风机组合及其运行参数对隧道内流场参数的影响,呈现出排烟口周边区域的气流滞止现象。气流滞止是惯性力与压差力平衡的表象。为了度量气流滞止效应,应用无量纲准则,推导出Eu数(Euler number)表达式。应用该表达式,比较了4种风机组合的排烟性能而得出,四通风机组合工况2排烟性能最高,三通风机组合工况4、工况3次之,而两通风机组合工况1排烟性能最低,这表明,开启抽出式通风机能显著提升系统通风排烟能力。
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落石冲击砂土-珍珠棉复合垫层棚洞力学响应研究

王星, 霰建平, 王永东, 叶飞, 肖贯中

2024, 20(3): 897-907. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.19

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为了寻求更为有效的耗能减振棚洞结构,本研究采用模型试验、LS-DYNA数值计算方法,探究了落球冲击作用下纯砂土垫层、砂土-EPE复合垫层棚洞结构力学响应机制,结果表明:纯砂土垫层下顶板腹部中心位置峰值应变为48.78×10^-6,峰值应力为1.46 MPa,接近其极限抗拉强度1.78 MPa;添加6 cm厚珍珠棉(EPE)垫层后该处峰值应变可降低83.42%,等效应力降至0.24 MPa,安全系数可达7.42;当EPE垫层设置厚度由0 cm增至4 cm,Z1、Z2特征位置应变降幅依次可达57.14%、65.22%,当由4 cm增至6 cm时Z1、Z2位置应变降幅为19.05%、18.75%,EPE垫层设置厚度为4 cm时减振效果达到拐点;构建与模型试验尺寸呈1∶1的数值计算模型,增设2、4、6 cm厚EPE垫层后,顶板腹部中心应力由1.16 MPa依次降至0.699、0.418、0.313 MPa,降幅为39.74%、63.96%、73.02%,建议实际防护结构宜设置40~60 cm厚EPE垫层;构建现场实际棚洞计算模型,添加40 cm厚EPE垫层后,中心单元峰值应力由5.71 MPa降至1.72 MPa,降幅为69.88%,落球加速度峰值由546 m/s²降至432 m/s²,降幅为20.88%,验证了砂土-EPE复合垫层可对棚洞结构起到明显防护作用。
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模块化建筑刚性桩复合地基共同作用试验分析

张季超, 杨勇

2024, 20(3): 908-916. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.20

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本文依据某模块化示范楼,制作了简化后的1∶10的模块化建筑刚性桩复合地基的室外缩尺模型,考虑了上部模块结构与地基基础共同作用。通过模型试验分析了上部模块刚度变化对上部模块钢柱、筏板基础和刚性桩复合地基各受力体的影响。结果表明:模块化建筑中部柱轴力>边部柱轴力>角部柱轴力;随上部模块刚度的增加,中部柱轴力逐渐减小,边部柱和角部柱轴力逐渐增大;筏板基础中部沉降最大,边部沉降最小,整体沉降随上部模块楼层的增加逐渐增大;角部桩身轴力>边部桩身轴力>中部桩身轴力,桩身轴力沿着桩深度方向先增大后减小;桩身上部一定范围内产生负摩阻力。分析结果能够为模块化建筑单元构件设计及刚性桩复合地基基础优化设计提供参考。
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承压含水层深基坑降水引起地表沉降试验研究

杨清源, 王子珺

2024, 20(3): 917-928. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.21

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由于受到经济或技术因素影响,当基坑所在承压水层埋深范围较大时,承压水层未被地连墙完全隔离,基坑内外水流在地连墙底部流动。为研究在基坑内外承压水层未完全隔离条件下基坑内不完整井降水引起坑外地表沉降变化,以深圳某地铁车站基坑工程为例,采用模型试验及理论分析研究手段,揭示了典型承压水层绕渗引起水位变化规律,提出了承压水层不完整井降水有效影响深度确定方法、坑外水位变化曲线公式及绕渗区范围确定方法。基于上述理论研究,提出考虑绕渗影响坑外地表沉降计算方法,通过与试验对比,可较准确反映绕渗作用下坑外地表沉降变化。上述成果为类似区域基坑降水引起坑外地表沉降的研究提供了理论基础。
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泥水盾构施工循环掘进泥浆制备试验研究

刘晋余, 丁建文, 刘慧刚, 孙帅, 张赛

2024, 20(3): 929-938. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.22

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为实现盾构废弃泥浆循环利用,将废弃泥浆应用于掘进泥浆制备,依托南京长江新济洲过江供水廊道项目进行室内试验,对比了废弃泥浆和膨润土所制备掘进泥浆的性能差异,分析了废弃泥浆制备掘进泥浆的可行性;研究了废弃泥浆黏粒含量及配比对掘进泥浆性能影响的规律;建立了掘进泥浆性能指标的拟合公式,并基于拟合公式进行了废弃泥浆制备掘进泥浆的配比优化分析。研究结果有效证明了废弃泥浆制备掘进泥浆的可行性,且通过配比优化,确定了依托工程利用废弃泥浆制备掘进泥浆的参考配比:固水比0.22,膨黏比0.28,羧甲基纤维素钠(CMC)掺量0.32%。经配比优化后的掘进泥浆能够满足性能要求,可为工程中利用废弃泥浆循环制备掘进泥浆的配比确定提供参考。

设计、施工、监测

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盾构法联络通道中提高切削效率的管片弱化研究

耿佳, 程雪松, 张天奇, 逯建栋, 宋彦杰

2024, 20(3): 939-948. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.23

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盾构法联络通道施工中因洞口处临时管片难以切削,施工中存在掘进周期长、盾机姿态难控制、涌水涌砂风险高等问题,但是关于此问题解决方案的研究目前还很缺乏。因此,本文以天津某地铁盾构法联络通道项目为背景,在保证结构施工及使用期间安全性的基础上,从弱化临时管片的角度出发,提出了3种弱化方式,分别为降低待切管片砼强度等级、减少玻璃纤维筋布筋量以及管片打孔,并利用有限元数值模拟对弱化的可能性及影响进行了研究。结果表明:(1)在3种弱化方式下,特殊衬砌环内力变化规律均为切削区内力减小,钢管片区内力增大,普通衬砌环的内力小幅度提高;(2)临时管片砼强度由C40降到C20后对衬砌环内力影响在15%以内,其中钢管片区内力增加量在5%以内;(3)主筋量减少70%以内对管片内力影响在2 %以内;(4)管片内侧打孔使切削区弯矩降低30%左右,孔径与孔深尺寸相同变化量情况下,孔径对于内力影响大于孔深;(5)不同弱化方式弱化后的结构内力均在极限承载范围之内,3种弱化方式均可采用,从施工便利性和安全性角度来看,临时管片砼强度降低方案为最优方案。
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基于贯入度指数的TBM围岩可掘性分级研究

张玉伟, 赵祎睿, 宋战平, 何十美

2024, 20(3): 949-958. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.24

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隧道掘进机(TBM)前期投入巨大,合理划分TBM可掘性分级并给出施工参数建议值对预测施工工期、控制成本等有重要意义。以深圳地铁6号线6101标段大浪站-石岩站区间羊台山隧道TBM施工项目为背景,首先以贯入度指数FPI为掘进性能评价指标,通过Spearman相关性分析FPI作为评价指标的合理性;在此基础上以FPI为输入参数分别建立掘进贯入度、刀盘推力和掘进速度预测公式,并基于羊台山隧道右线掘进数据进行可靠性验证;基于k-均值聚类方法,以FPI为聚类指标,划分出可掘性等级,并根据掘进参数预测公式,给出了对应可掘性等级的掘进参数建议值。结果表明:(1)FPI能够在一定程度合理反映TBM施工中的岩-机关系,可作为掘进性能评价指标;(2)建立的TBM掘进参数预测公式,相关性系数R²分别为0.75、0.98和0.97,相关性良好,能够准确为TBM掘进提供预测参数;(3)根据建立的TBM可掘性分级方法将围岩划分为5级,确定了不同等级下掘进参数值。
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大直径盾构隧道纵向刚度增强措施研究

叶飞, 李思翰, 刘畅, 温小宝, 韩兴博

2024, 20(3): 959-968. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.25

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为研究不同环缝接头结构对盾构隧道纵向刚度的增强效果,采用等效连续化模型计算得到断面直径对隧道纵向拉压、纵向抗剪和纵向抗弯刚度的影响规律,将隧道纵向刚度增强措施与管片环缝接头结构相联系,采用数值模拟深入探究了9种环缝接头结构的力学性能,对比得到增强隧道纵向刚度效果最优的环缝接头结构。结果表明:直径对纵向拉压和纵向抗弯刚度影响较小,对纵向抗剪刚度影响较大;环缝接头刚度增强措施能够显著减小管片位移,提高隧道纵向刚度,提升效果为:斜螺栓>弯螺栓,定位榫＞剪力销＞凹凸榫;螺栓型式和纵向刚度增强措施均对螺栓最大剪切应力有较大影响,竖向荷载下受螺栓型式影响较大,水平向荷载下受管片环缝接头刚度增强措施影响较大;结合经济性和有效性,当接头螺栓为弯螺栓时,设置定位榫是一种相对较优的选择。
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密集建筑区超深基坑施工全过程环境变形实测分析

陶燕丽, 陈康, 朱剑锋, 龚晓南, 于泽一

2024, 20(3): 969-977. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.26

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在城市密集建筑区进行超深基坑施工时,基坑施工全过程环境变形的精细分析和控制至关重要。以杭州某超深基坑施工全过程为例,对支护结构施工阶段、基坑开挖阶段和支撑拆除阶段地表沉降、地连墙侧移、邻近建筑物沉降、管道沉降进行了精细化实测统计分析。结果表明:墙体最大侧移位置在基坑底板浇筑完成后基本维持不变,位于0.8倍开挖深度处,而最大侧移量在支撑拆除阶段还存在持续小幅增加,增加量可达累计侧移量的10%;地表沉降、邻近建筑物沉降和管道沉降在基坑施工完成后仍呈现持续发展趋势;对于墙体侧移、地表沉降、邻近建筑物沉降和管道沉降,各施工阶段所占比例大小顺序一般为基坑开挖阶段>支撑拆除阶段>围护施工阶段,墙体侧移和地表沉降主要在基坑开挖阶段产生,基坑开挖阶段所占比例均达到60%以上,最高达到91.95%;邻近建筑物变形和管道沉降主要在基坑开挖和围护施工阶段产生,基坑开挖阶段所占比例多在60%左右,且支撑拆除阶段的比例也可达到30%以上。

防灾与环境

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考虑拱效应的复合地层盾构隧道开挖失稳分析

孙阳, 车宇飞, 徐振扬, 杨攀, 张薇

2024, 20(3): 978-986. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.27

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根据盾构隧道开挖面的特点,考虑不同地层、不同隧道埋深条件下土体成拱效应,基于Paik圆弧拱理论建立失稳土体三维极限平衡理论分析模型。将经典三维楔形体模型改进为垂直面水平面均考虑拱效应的失稳土体三维模型,模拟盾构隧道开挖时前方土体的影响范围和影响大小,将上覆土压力计算方法扩展为三维形式,并采用土体条分法给出失稳土体极限平衡公式。最后利用MATLAB编程将模型计算结果与离心试验及其他理论模型进行了对比验证。结果表明:本文力学模型结果与离心试验结论更接近,可更准确地应用于开挖面最小支护压力参数的确定。
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基于热源量化的高温隧道动态综合降温措施研究

祁占锋

2024, 20(3): 987-996. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.28

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为了实现高温隧道降温措施动态化、精准化设计,基于理论分析和现场实测,依托某高岩(水)温铁路隧道,对隧道内的高温热水、围岩、施工机械、水泥水化、爆破、施工人员散热量及不同降温措施冷量进行了理论分析研究,并根据风流温度和能量平衡原理得到了不同工况下高温隧道的冷量缺口。结果表明:高温围岩和超高温热水是隧道内的主要热源,其中高温热水散热量比例达到总散热量的50%以上;洞内放置冰块产生的冷量较小,通风带来的冷量较大,但其冷量会随着通风距离的增加而减小,其衰减规律可用二次曲线近似表示;200 m³/h高温热水理论计算得到的换热风流温度31.8 ℃与现场实测温度31.0 ℃基本吻合。本文采用的分析方法获得的冷量缺口可作为选择机械制冷和降温措施动态化设计的理论依据,也可为类似的高温隧道降温设计提供参考。
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地下立交互通匝道集中排烟效果研究

曾艳华, 杨桂畅, 陶亮亮, 赵东旭, 张逸敏

2024, 20(3): 997-1005. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.29

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针对两端连接主隧道的互通匝道火灾烟气控制问题,依托南京建宁西路曲线A匝道工程,借助数值模拟软件FDS,研究HRR为30 MW下纵向诱导风速、排烟口尺寸及火源位置对顶部集中排烟效果的影响。结果表明:火源位于匝道中部,诱导风速为1.0 m/s时恰好保证烟气不发生“跨区蔓延”,诱导风速为1.5 m/s、排烟量为150 m³/s时,控烟效果更好;匝道内烟气蔓延范围随排烟口尺寸增大而减小,当排烟口长宽比为4、面积为6 m²时,匝道内烟气控制效果较好,系统整体排烟效率大于98%;排烟口长宽比不变时,拱顶最高温度随排烟口面积增大而降低;排烟口面积不变时,拱顶最高温度随排烟口长宽比增大而升高。火源位于匝道上游或下游时,排烟风量至少需增大至210 m³/s,诱导风速需作针对性优化。
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波纹钢综合管廊火灾下结构力学特性研究

龚哲, 王发玲, 张妮娜, 姜学鹏

2024, 20(3): 1006-1015. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.30

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为了给波纹钢综合管廊的防火设计提供参考数据,研究了火灾下波纹钢综合管廊的损伤、变形的规律。基于FDS软件,建立了圆形波纹钢综合管廊电力舱的火灾动力学模型,模拟得到了在灭火系统失效的情况下圆形波纹钢综合管廊火灾时舱室内温度演化规律。结果表明:电缆发生火灾时火灾迅速向上蔓延,最高温度可达1 000 ℃以上,火灾可持续20~25 min。在此基础上,利用通用有限元软件ABAQUS建立了波纹钢综合管廊的温度-应力耦合模型,输入FDS模拟得到的温度边界,并且综合考虑了温度对波纹钢的各种材料特性的影响,模拟得到了波纹钢综合管廊火灾下结构力学特性。结果表明:波纹钢在火灾下温度会迅速升高,弹性模量和强度随之降低;在火灾持续燃烧4~5 min时,综合管廊电力舱的地面和中隔墙处的角部首先出现屈服;在7 min左右,波纹钢的承载力开始显著降低,随后钢结构变形快速发展直至完全破坏,尤其是舱室的腰部产生的水平位移较大;伴随着衬砌结构的屈服破坏,管廊上方的路面也出现了较大的沉降位移。
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基于故障树和贝叶斯网络的管廊运维风险评估

陈雍君, 李晓健, 吴光晔, 田诗雨

2024, 20(3): 1016-1025. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.31

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城市地下综合管廊在运维过程中事故时有发生,为了量化管廊运维风险并分析关键风险因素,提出一种基于故障树和模糊贝叶斯网络的城市地下综合管廊运维风险评估方法。在综合考虑管廊风险因素的基础上构建故障树模型,将其映射为贝叶斯网络。基于ALARP准则划分风险因素状态等级,根据模糊数和模糊子集计算底事件的发生概率,利用最大似然估计法求解中间事件的条件概率,构建管廊运维风险贝叶斯网络模型,精准评估城市地下综合管廊运维风险。结果表明:所评估的管廊运维过程风险等级为High的概率为28%,接近30%的风险阈值,因此需要及时对管廊风险进行管控。该方法能够科学、合理地评价风险水平并确定关键因素,可为管廊运维安全保障和管理提供参考。
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分段管廊装载供水管道穿越地裂缝适宜性研究

徐强, 常曙光, 卢全中, 彭建兵, 刘聪

2024, 20(3): 1026-1038. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.32

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在活动地裂缝影响下,供水管道拉裂、错断现象时有发生,并引发严重的次生灾害。本文以西安市西南郊水厂拟建球墨铸铁管道穿越地裂缝为工程背景,建立管道45°穿越活动地裂缝的数值模型,分析地裂缝影响下管道的内力响应与变形特征,结果表明:地裂缝作用会使管道接口偏转角过大而导致其防水失效。因此提出一种分段管廊装载供水管道穿越地裂缝的方法,建立分段管廊装载供水管道穿越地裂缝的数值模型,分析管道与管廊通缝、错缝两种工况、不同分段管廊长度、不同地裂缝位置、不同穿越角度下管廊与管道的内力响应与变形特征。得出管廊装载管道穿越地裂缝的最佳方案为管道与管廊通缝布设,采用单节长度为18 m的分段管廊,使地裂缝位于管廊的2/3处,并尽量以小角度穿越地裂缝。研究成果对城市供水管道穿越活动地裂缝的工程建设与灾害防治具有实际意义。
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软土地区复杂环境基坑坍塌原因分析

黄林伟, 徐芫蕾, 周焜, 王光文

2024, 20(3): 1039-1050. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.03.33

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本文以浙江杭嘉湖冲海积平原地区,紧邻既有建筑、重要管线等复杂环境条件下的某项目基坑为研究对象,基坑开挖影响深度范围内有深厚软土,分别对工程地质条件、坍塌后支护结构现状、支护结构施工质量和技术资料进行了检测调查,并结合支护结构、构件的计算分析和数值分析,研究表明:该基坑设计时阳角处支护结构选型和布置不合理,土层参数和“m值”取值不合理,基坑局部超挖和基坑支护结构的施工质量缺陷是导致基坑坍塌的原因。本文提出了基坑加固方案和在软土地区复杂环境条件下基坑的设计、施工建议。研究成果可为类似地区和环境条件下基坑的设计、施工提供参考。

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