地下空间与工程学报

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2025年, 第21卷, 第4期　
刊出日期：2025-08-20

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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行人友好的地下商业街转角空间优化研究

陈晓卫, 何宇, 田美璇

2025, 21(4): 1105-1113. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.01

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城市更新背景下,存量地下商业街如何满足公众对空间品质的需求成为亟待解决的问题。转角空间作为地下商业街步行系统中的重要节点,是影响空间活力、步行导向、行人生理、心理的关键区域。基于行人友好视角,探究地下不同转角之间距离、构成要素、角度对行人行为影响,并结合空间操作方法提出(单建)地下商业街适应性转角空间优化策略,以期对地下商业街转角空间设计优化实践提供应用价值。结果表明:采用钝角转角、合适的转角间距、增大转角处界面积能够有效提升街道整体活力和店铺吸引力。
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抗战时期重庆城区防空洞适应性再利用研究

杨燕

2025, 21(4): 1114-1125. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.02

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防空洞是重庆城市地下空间的重要组成部分,在抗战时期作为军民生产生活的避难所,提升了城市总体防护能力,为抗战提供了有效保障。如今,抗战时期重庆城区防空洞的再利用存在空间利用不足、设计理念不明等问题。因此,依托适应性再利用相关理论针对抗战时期重庆城区防空洞适应性再利用进行专门研究。首先,通过转化和再利用防空洞原有功能与空间,延续旧功能,使旧功能与新功能相融合,从而拓展新功能。其次,将现存战时防空洞的空间和功能进行地域特征表达、内部空间形态优化、生态景观展现、功能效率升级、安全性能提升的适应性再利用设计,以提高和延长战时防空洞的使用效率和寿命。最后,根据战时防空洞独有的地域特征,提出多元化融合规划、人防功能与防灾救助相结合、军用与民用功能相融合的适应性再利用设计策略,以期在平战结合背景下更好地发挥抗战时期重庆城区防空洞的文化与社会经济效益。

理论与试验研究

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考虑峰后脆性特征的岩石损伤模型

魏安辉, 牟琦, 唐伟, 李军润, 赵海松

2025, 21(4): 1126-1136. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.03

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针对现存本构模型岩石峰后曲线模拟效果较差等问题,基于岩石微元强度服从Weibull分布和Drucker-Prager破坏准则的假设,引入曲线形状参数β对岩石杨氏模量和损伤因子进行修正,提出了一种能反映岩石峰后脆性特征的岩石损伤本构模型。最后,将建立的本构模型理论曲线与3种岩石(页岩、大理岩和花岗岩)的常规三轴应力—应变曲线进行对比分析,并结合其他同类模型的分析结果,证实了本文模型的适用性和准确性。结果表明:新模型不仅克服了理论曲线不过原点的缺陷,还很好地描述岩石峰后脆性特征和残余强度对全过程应力—应变行为的影响;对模型参数进行探讨,F值越大,峰值强度越高,M值增大,峰前脆性特征增强,β值越大,峰后延性特征增强。研究成果对深部岩体综合脆性评价模型的建立具有一定的参考价值。
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基于西原模型的围岩蠕变与锚索预应力损失研究

宋自愿, 陈强, 周梦琳, 彭传阳, 汪波

2025, 21(4): 1137-1145. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.04

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软岩隧道围岩蠕变对锚索预应力的影响不可忽略,为探究岩土体与预应力锚索蠕变耦合效应下预应力损失的关系,本文利用元件组合模型理论,以西部某软岩公路隧道为工程背景,将描述软岩蠕变问题适用性较好的西原模型与描述预应力锚索的虎克模型并联,建立了在蠕变效应下锚索预应力随时间变化的西原耦合模型,并利用耦合模型计算分析了初始应力介于15~30 MPa之间时,西原耦合模型和广义Kelvin耦合模型对锚索预应力长期监测值的拟合优度。结果表明:西原耦合模型的平均拟合优度为0.98,远高于广义Kelvin耦合模型的平均拟合优度0.73,由此证明了西原耦合模型的计算结果对监测数据的拟合性相较于广义Kelvin耦合模型来说更好,更适合用来模拟软岩隧道长期蠕变下锚索预应力损失情况。研究结果对预应力支护工程的设计和施工具有一定的指导意义。
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考虑主应力旋转的倾斜挡墙地震主动土压力研究

张晋伟, 周亦涛

2025, 21(4): 1146-1154. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.05

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考虑到主应力旋转、时间效应和墙背倾角的影响,根据滑动土体的总力平衡,采用拟动力方法推导出了地震主动破裂角的新解。通过水平微分层方法,得到了倾斜刚性挡土墙在平移下的法向地震主动土压力及其系数的新微分方程。然后,利用常微分方程的龙格-库塔法获得数值解,讨论了参数(即振动周期时间、墙背倾角、回填土内摩擦角、墙土摩擦角、墙体高度、水平和垂直地震加速度系数的振幅)对地震主动破裂角、地震主动土压力及其系数的影响。此外,采用本文方法的计算值与现有的拟静力和拟动力法,将地震主动土压力及其系数进行了比较,结果表明:地震主动破裂角、地震主动土压力及其系数均随时间呈周期性变化,地震主动土压力沿墙高呈非线性分布,本文方法得到的地震主动土压力及其系数大于现有拟静力方法得到的值。
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桩—土随机起伏接触面建模与剪切特性研究

李忠宝, 王博, 宗元春, 袁帅

2025, 21(4): 1155-1160. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.06

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考虑灌注桩侧外表面的随机起伏特征,利用蒙特卡罗方法进行随机起伏表面建模,开展了不同起伏高度等条件下的桩—土随机起伏接触面直接剪切试验,分析了法向应力、平均起伏高度等对桩—土随机起伏接触面剪切强度、破坏模式和剪切应力—位移关系的影响。结果表明:原位成桩桩侧外表面的径向起伏符合高斯分布特征,起伏高度主要集中在0~8%桩径范围;随着桩—土随机起伏接触面起伏高度的增大,嵌入桩—土接触面凹陷部位的土颗粒逐渐增多,桩—土接触面剪切黏聚力与内摩擦角开始增大,桩—土随机起伏接触面破坏模式由桩—土接触面滑移剪切破坏逐渐向土体内部剪切破坏发展,桩—土随机起伏接触面的剪切应力—应变曲线逐渐趋向土的剪切应力—应变曲线。
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致密砂砾岩裂隙粘性流体流动特性研究

卢才武, 罗信天, 章赛, 江松, 孙怡潇

2025, 21(4): 1161-1172. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.07

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利用地下空间存储石油受裂隙的影响,将该问题简化为单裂隙渗流问题,引入雷诺数R_e,借助3D打印技术,开展物理模型试验,探讨不同注入流速梯度下流体动力粘度μ以及裂隙开度b_i对于流体流动特性与压力梯度J的影响规律。结果表明:裂隙开度b_i影响到其渗流达到的稳定时间,而流体动力粘度μ对渗流压力影响较大;对数据进行拟合发现裂隙开度b_i与压力梯度J呈指数函数关系,随b_i增加呈现出下降趋势,同时,雷诺数R_e减小,流体过流能力减弱;流体动力粘度μ与压力梯度J则呈现出幂函数的关系,J随μ的增加而增加,揭示了压力梯度随流体动力粘度的演化规律,说明流体流入裂隙时受到的阻力增加,流入较为困难;裂隙开度与流体动力粘度对流体在裂隙渗流上有不同程度的阻碍作用,多因素影响下过流能力减弱,可能发生堵塞;在地下水环境下,可以做到在一定高度下的石油存储,表明在不进行封堵措施的情况下,类石油的粘性液体在含微小裂隙的地下空间中存储存在可能。
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循环动载荷下伟晶辉长岩能量耗散与破坏规律分析

张智宇, 陈成志

2025, 21(4): 1173-1182. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.08

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为研究循环载荷下伟晶辉长岩的损伤规律与破坏模式,利用霍普金森压杆系统(SHPB)和PFC3D数值模拟软件对伟晶辉长岩展开了不同冲击速度的循环冲击试验,分析其损伤特性及破坏规律。结果表明:低冲击速度下,岩石试件的原生裂隙先被压密后随着循环次数增加试件逐渐发生破坏,岩石试件的峰值应力先增加后逐渐减小;随循环次数增加岩石反射能占比和耗能密度总体呈上升趋势,透射能占比总体呈下降趋势;岩石试件的损伤变量先出现负增长后平稳增长,试件发生宏观破坏前损伤变量急速增长;高冲击速度下,每次循环岩石试件均会发生破坏,试件的峰值应力随循环次数增加而增加,试件的损伤变量也随循环次数增加而增长;通过PFC3D模拟了试样在循环载荷下的破坏过程,发现岩石试件在循环载荷下总是沿着纵向面发生破坏。
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非平面裂缝中支撑剂运移和铺置的数值模拟

陈思源, 金衍, 韦世明

2025, 21(4): 1183-1193. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.09

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大位移斜井压裂是开发超深油气储层的有效手段,由于裂缝在三维空间中扭曲延伸形成了复杂的非平面形态,支撑剂的运移规律变得更加复杂。为研究非平面裂缝中支撑剂的运移规律,本文建立了支撑剂在三维非平面裂缝中运移的流固耦合模型,并基于计算流体力学(CFD)和离散单元方法(DEM)进行求解。研究了排量、支撑剂密度、支撑剂粒径和压裂液粘度等因素对支撑剂运移和铺置的影响。研究表明:非平面裂缝形态对支撑剂运移有显著影响,与平面裂缝中的流动形式相比,非平面裂缝中的流动出现涡流,支撑剂间及支撑剂与裂缝壁面的碰撞频率增大,增大了砂液流动过程中的能量损耗;通过增大排量可以避免近井区域的砂堵,裂缝内的砂堤长度增加;随着支撑剂密度和粒径的降低,砂堤长度增大且高度减小;高粘度压裂液能够有效携带支撑剂运移,避免支撑剂在近井处沉降发生砂堵。本研究明确了非平面裂缝支撑剂运移和铺置规律,有助于指导超深层大斜度井压裂的支撑剂泵注施工参数设计。
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裂隙砂岩动静组合SHPB力学性能试验研究

平琦, 徐一杰, 李向阳, 吴世伟, 胡静

2025, 21(4): 1194-1201. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.10

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为研究动静组合加载条件下裂隙倾角对砂岩动态力学特性的影响规律,利用动静组合SHPB试验装置对倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的预制裂隙砂岩试件进行冲击压缩试验。结果表明:动静组合加载条件下不同倾角预制裂隙砂岩试件动应力—应变曲线簇均位于完整砂岩试件曲线下方;随裂隙倾角增大,试件动抗压强度、动应变、动弹性模量和试件破碎平均粒径均呈先减小后增大,裂隙倾角45°时为拐点;裂隙倾角0°时,试件沿加载方向呈张拉破坏,15°~60°时为张拉—剪切复合破坏,75°~90°时为剪切破坏,45°时试件破碎程度最大,0°时试件破碎程度最小。
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不同pH环境下石窟砂岩干湿循环强度试验研究

王成龙 , 郭越, 仉文岗, 蒋思维, 刘东升

2025, 21(4): 1202-1210. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.11

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石窟寺作为重要室外文化遗存,长期受到降雨、渗水等自然环境造成的干湿循环的影响,导致其物理力学性质发生劣化,容易引起失稳破坏。为更好地开展石窟文物保护工作,选取大足石刻石窟砂岩作为研究对象,通过单轴抗压试验和巴西劈裂试验,对干湿循环作用下石窟砂岩的强度劣化特性开展试验研究,分析了不同pH值溶液浸泡下的干湿循环对石窟砂岩劣化的影响。结果表明:(1)完全干燥后砂岩的单轴抗压强度和抗拉强度相较于天然状态的有所提升;(2)经过多次干湿循环,砂岩的力学特性发生劣化,随着循环次数的增加,劣化逐渐加重,当干湿循环到达一定次数时,对砂岩的强度影响减弱;(3)pH值也会对砂岩劣化程度造成影响,且浸泡时溶液的pH值越低,砂岩的力学性质劣化越严重;(4)在使用酸性溶液进行多次干湿循环后,砂岩破坏形式相较于天然状态下的破坏形式发生改变。
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冻融环境混凝土配合比优化试验研究

魏荣华, 张康健, 张志强

2025, 21(4): 1211-1218. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.12

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为筛选冻融环境下混凝土的优良配比,开展不同配合比条件下的水泥水化热试验、冻融循环试验及冻融后混凝土单轴压缩试验,探明掺合料和水胶比对混凝土结构性能的影响,确定寒区混凝土优良配合比,并建立冻融后全过程应力—应变预测曲线。结果表明:(1)随着矿物掺合量增加,水化热总体释放量减小,但少量硅灰掺入可促进早期水泥水化热释放,矿物早期活性为:水泥＞硅灰＞粉煤灰;(2)少量粉煤灰和硅灰掺入混凝土可发挥微集料和火山灰效应,提高混凝土密实度,可加强结构抗冻性能及力学性能;(3)低掺量硅灰(0~10%)掺入对结构抗冻有利,粉煤灰(0~20%)掺入导致结构抗冻性能先升高后降低,因此粉煤灰掺量存在最优值,而较大水胶比导致结构抗冻性能显著降低,试验得出15%粉煤灰—10%硅灰—0.36水胶比是适用于寒冷地区的优良混凝土配比;(4)提出的冻融后混凝土抗压应力—应变预测曲线可应用于严寒地区混凝土结构非线性分析。
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赤泥—石灰固化镉铅重金属污染土特性研究

李丽华, 唐宗振, 裴尧尧, 陈雪岭

2025, 21(4): 1219-1227. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.13

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为实现固体废物赤泥的再利用,解决石灰高排放问题,提出利用赤泥和石灰固化/稳定化重金属镉、铅污染土体。对镉、铅固化污染土进行无侧限抗压强度、毒性浸出、扫描电镜及X射线衍射试验,探讨多种因素对固化土性能的综合影响,具体包括不同种类的固化剂、污染物浓度的变化以及养护时间,并分析微观结构变化及矿物组成。结果表明:赤泥—石灰的加入可以显著提升污染土抗压强度和降低镉和铅的浸出率,无污染条件下赤泥—石灰配比为4∶6且养护龄期为28 d时强度最高;固化土强度随污染物浓度呈先增后减的趋势,少量污染物的添加会使强度增强;加入石灰后更容易产生脆性破坏;镉、铅的浸出浓度随石灰占比的增加分别呈降低和先减后增的趋势;污染土pH值随固化剂中石灰占比的增加而增加;赤泥—石灰固化污染土的主要产物为C-S-H,其填充了土体孔隙,形成致密空间结构,随着石灰掺量的增加,生成物明显增多,高污染物浓度下反应被抑制,生成物减少。
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组构对片麻岩断裂韧度及裂缝扩展规律的影响

陈立超, 张超鹏, 闫睿昶, 吕帅锋, 肖宇航

2025, 21(4): 1228-1235. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.14

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片麻岩断裂力学性质各向异性对储层缝网压裂改造具有关键制约,针对内蒙古大青山地区太古界片麻岩研究了片麻岩断裂韧度、断裂能及断口形貌等在不同方向上的差异。结果表明:三点弯加载下片麻岩断裂过程包括孔隙压缩、弹性变形、断裂、卸载4个阶段,片麻岩脆性显著,对体积压裂改造有利;片麻岩断裂韧度在0.93~1.28 MPa·m^0.5,片麻岩在不同组构方向断裂性能差异大,表现为垂直片理/垂直线理＞平行片理/垂直线理＞垂直片理/平行线理＞平行片理/平行线理,影响压裂裂缝扩展方向;在垂直片理方向,片麻岩裂缝扩展受弱面影响形成顺层裂缝,裂缝面粗糙度和裂缝曲折度较高,易形成缝网;平行片理面方向,片麻岩裂缝平行主压应力方位扩展。裂缝面平坦,裂缝曲折度较小,不利于成网;垂直片理/垂直线理、垂直片理/平行线理、平行片理/垂直线理、平行片理/平行线理方向上片麻岩试样断裂能为0.47、0.43、0.37、0.25 J,片麻岩油气储层在不同组构方向上压裂改造能耗存在较大差异,基于扩大储层体积压裂波及体积考虑,建议水平井平行片麻岩线理走向钻进。
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富水泥质板岩隧道围岩膨胀与支护结构互馈机制

左清军, 陈珍明, 李攀, 陈福榜, 邓茂林

2025, 21(4): 1236-1249. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.15

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为表征在膨胀作用和支护结构约束下围岩和支护结构的相互作用关系,以泥质板岩的膨胀问题为切入点,开展膨胀特性试验、室内隧道缩尺物理模型试验及数值模拟,揭示了富水环境下泥质板岩隧道围岩膨胀与支护结构的相互作用过程,构建了富水环境下泥质板岩隧道围岩膨胀与支护结构互馈模型。结果表明:在富水环境下,基于围岩与支护结构的变形以及隧道位移与膨胀应力的关系,根据围岩的峰值膨胀力预测隧道的极限变形量,可为膨胀岩隧道变形控制提供参考;膨胀岩隧道围岩与支护结构之间的相互作用是一个长期的"互馈"过程,围岩与支护结构表现为"促进与抑制"的关系,即围岩膨胀促使支护结构变形,支护结构反过来抑制围岩变形。研究成果可为膨胀岩隧道工程的设计与施工提供借鉴。
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上覆土对既有盾构隧道影响的试验研究

黄大维, 陈后宏, 郑明新, 胡光静, 詹涛

2025, 21(4): 1250-1257. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.16

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针对盾构隧道在上覆土作用下易发生横椭圆变形超限问题,设计了1∶10缩尺模型盾构隧道,开展了上覆土作用对既有盾构隧道变形影响的试验研究。结果表明:(1)随着上覆土层厚度的增加,隧道顶部土压力增长变化最大,底部次之,两侧最小;(2)在隧道上覆土层厚度大于0.4 m后,发生了显著的竖向土压力集中,由此导致竖向土压力增长幅度较未发生竖向土压力集中时更大;(3)隧道上覆土作用下,由于竖向土压力大于水平土压力,导致隧道发生横椭圆变形;(4)隧道所处地层的侧土压力系数随着上覆土层厚度的不断增加而逐渐增大,且在厚度达到一定程度后,侧土压力系数增长速率大幅度降低。成果可为既有盾构隧道的管控与周围附加土压力的分布提供参考。
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基于水射流切缝辅助破岩的TBM刀盘载荷特性研究

唐崇茂

2025, 21(4): 1258-1268. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.17

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全断面隧道掘进机(TBM)在穿越坚硬岩层时面临破岩困难、刀具损耗大等问题,导致掘进效率低、施工成本高。为提高TBM刀盘破岩性能,各种新型辅助破岩技术备受关注,其中水射流辅助破岩潜力巨大。采用具备水射流切缝功能的滚刀破岩实验台研究了单缝和双缝辅助滚刀破岩效果,发现其存在“临界间距”的规律,基于此规律建立了单侧和双侧切缝辅助滚刀破岩的载荷模型;提出了一种水射流喷头在TBM刀盘上的布置方法并建立了刀盘的倾覆力矩、径向力、推力和扭矩计算模型。结果表明:采用基于临界间距比值S/S_max的载荷模型能够反映出滚刀及刀盘载荷降低及变化规律,可以作为水射流切缝辅助破岩和水射流TBM刀盘载荷的一种参考计算方法。
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PDC钻头减振切削破岩载荷特性研究

任海涛, 周胜, 周春晓, 贾新, 杨迎新

2025, 21(4): 1269-1277. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.18

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PDC钻头钻遇砾石地层、软硬交替地层,以及定向钻井等复杂工况下,常遭遇频繁的冲击载荷,导致切削齿崩齿、脱层、掉齿和断齿等异常疲劳失效事故的发生,大大降低了钻头的使用寿命和钻进效率。柔性切削破岩的技术理念是指通过设置缓冲元件来降低切削刚度,将切削过程中遭受的冲击载荷幅值限制在一定范围内,达到减缓切削齿疲劳损伤,延长钻头使用寿命的目的。通过在灰岩上开展柔性切削单元试验,分析了切削深度、前倾角度及缓冲单元组合方式等因素对柔性单元缓冲效果的影响规律。结果表明:柔性切削能将切削载荷峰值降低20%~35%;柔性缓冲效果与缓冲单元组合刚度、前倾角都呈正相关趋势,最佳缓冲元件组合为2片A型碟簧串联和15°前倾角度。
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鞭梢块体结构特性对超低摩擦效应影响分析

李利萍, 李秋雨, 潘一山, 唐垒

2025, 21(4): 1278-1285. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.19

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开采扰动下深部岩体动力响应与地震作用下高层建筑“鞭梢效应”极为相似,将鞭梢结构引入岩体超低摩擦效应研究,建立鞭梢块体超低摩擦效应模型,研究其结构特性对超低摩擦效应的影响。利用自主研制的超低摩擦效应实验装置,通过改变鞭梢块体尺寸、位置、高宽比结构特性参数,分析鞭梢块体水平位移大小,得到结构特性参数对超低摩擦效应影响规律。结果表明:不同工况下鞭梢块体水平位移时程曲线均具有两阶段特征;鞭梢块体尺寸增大,水平位移降低,超低摩擦效应减弱;垂直扰动作用下,鞭梢块体超低摩擦效应随其位置远离扰动源呈增大趋势,高宽比存在超低摩擦效应显著影响区间。
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岩石顶管碎屑泥浆混合接触界面摩擦特性试验研究

刘宇, 李超, 刘新荣, 钟祖良, 赵宇

2025, 21(4): 1286-1298. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.20

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为解决超长距离大断面岩石顶管项目中的卡管和顶力突增问题,本文通过直剪试验系统研究了不同碎屑粒径级配及不同碎屑与泥浆质量混合比下的管—岩复杂摩擦特性。结果表明:当碎屑总质量少且大粒径占比为主时,碎屑在接触面上形成犁沟效应,摩擦系数主要受接触面粗糙度控制;当碎屑总质量多且细粒径占比为主时,碎屑之间相互咬合,摩擦系数主要受空隙率控制。基于试验结果,利用改进后的顶力预测模型对现场顶力进行了反演分析,最终通过现场监测结果确认了本研究的正确性。碎屑的存在对顶进非常不利,后期形成的“饼化膨润土”条件导致摩擦阻力激增。因此,现场应及时清理管外碎屑,并考虑定期持续注入粘度较低的膨润土泥浆。研究成果可为解决该领域的问题提供新的研究思路和方法。

设计、施工、监测

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软土深基坑抗隆起稳定不排水强度指标研究

杨洲, 程晓辉, 郭红仙, 陈浩然

2025, 21(4): 1299-1305. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.21

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软土地基排水条件较差,需按不排水条件计算快速开挖的深基坑抗隆起稳定性。目前,国内工程界普遍采用常规三轴固结不排水总应力强度指标作总应力分析(Method C);而学术界和国外工程界却推荐使用基于有效应力强度指标的有效应力分析法(Method A)和基于不排水抗剪强度的不排水强度分析法(Method B)。结合实际基坑算例,利用有限元极限分析,研究3种方法在基坑分析中的适用性和合理性。结果表明:由于基坑开挖与常规三轴压缩试验的总应力路径不同,Method C会低估卸载土体的真实抗剪强度,而CU试验却高估土体的原位不排水抗剪强度,故Method C的计算安全系数并不可靠;Method A会高估剪缩性土的不排水抗剪强度及安全系数;理论上Method B最为准确。
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基于特征粒径的不同刀间距下滚刀最优贯入度分析

翟淑芳, 岳奇超, 周小雄, 宋英杰, 龚秋明

2025, 21(4): 1306-1312. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.22

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全断面隧道掘进机(TBM)广泛应用于隧道施工,其掘进效率主要受刀盘刀具布置形式和施工参数的影响,其中滚刀间距设计是否合理、贯入度设置是否合适是影响破岩效率最重要的两个方面。岩碴作为滚刀破岩的直接产物,可以综合且直观地反馈 TBM 破岩效率。通过花岗岩切割试验的岩屑形貌分析,揭示了岩碴粒度分布与破岩效率的关联机制。基于特征粒径理论预测最优贯入度,经多工况验证得出:刀间距为60~70 mm最优贯入度为2.0 mm,刀间距80 mm为 2.5 mm,刀间距90~100 mm为3.0 mm;当刀间距与贯入度的比值处于30~40区间时,岩屑特征粒径达到峰值,对应破岩效率最优;可根据实时监测的岩屑粒径特征,动态优化调整掘进参数组合,实现刀间距与贯入度的科学匹配。
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高水压岩溶隧道衬砌外水压力折减规律理论研究

张志恩, 周宗青, 李利平, 郑波, 王立川

2025, 21(4): 1313-1319. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.23

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为合理优化高水压岩溶隧道衬砌防排水设计,以新圆梁山隧道工程为研究背景,基于承压水平面径向稳定渗流微分方程,考虑初支喷混凝土水压折减作用,推导隧道衬砌外水压力计算公式,分析排水盲管的排水能力、注浆圈厚度和注浆圈抗渗性等因素对衬砌外水压力的影响,结果表明:衬砌外水压力的大小与隧道排水能力、注浆圈厚度和渗透系数均呈幂函数变化规律,隧道排水能力对衬砌外水压力影响最大,一旦排水盲管堵塞,水压折减系数变为1,衬砌将承受静水压;增加注浆圈厚度有利于降低作用在衬砌上的水压力,但水压折减效果逐渐减弱;严格把控注浆作业质量,提高注浆圈均质度,降低局部短板注浆体的渗透系数,可有效提高注浆圈的抗水压能力,降低衬砌渗透压。
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外水压对预应力双层衬砌受力与变形影响研究

马晓斌, 王亚, 刘畅, 林伟浩, 王士民

2025, 21(4): 1320-1327. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.24

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为了探究外部水压变化对预应力双层衬砌力学特性的影响,本文依托珠三角水资源配置工程,建立盾构隧道预应力双层衬砌三维有限元模型,分析了不同外部水头高度(10 m、20 m、30 m、40 m、50 m)下预应力施工及通水运行阶段双层衬砌的结构受力和变形。结果表明:施工期与运行期双层衬砌整体呈“横鸭蛋”形椭变,当外部水头高度50 m下降到10 m,双层衬砌横向变形增大了42.3%,拱顶沉降减小了34.3%,拱底隆起减小了42.4%;随着外水压增大,施工期预应力衬砌环向应力增加,运行期管片衬砌环向受拉区面积不断减小,环向拉应力最大值下降了54.05%,预应力双层衬砌趋于静水压力场状态,整体变形模式由“横椭变”向“整体内缩”发展,对双层衬砌结构安全有利。
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Ⅳ级破碎岩体大跨度顶板支护技术研究及应用

龙赣, 王俊, 乔登攀, 李广涛, 施仁智

2025, 21(4): 1328-1343. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.25

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为针对性解决Ⅳ级破碎岩体大跨度顶板的支护问题,基于封闭、组合拱和减跨作用原理,提出了“锚网+喷浆+预应力锚杆+预应力锚索”联合支护方式。采用Mohr-Coulomb准则,对围岩二次应力进行非关联弹塑性分析,结合分区边界条件,导出了可确定松动区与塑性强化区半径的解析式,得出松动区厚度2.53 m,塑性区厚度2.83 m,结合相关工程技术规范,对顶板支护参数进行了合理设计。为论证设计方案的可行性,利用FLAC 3D软件构建了9#采场物理模型,模拟分析了不支护、原支护方案与设计支护方案3种方案下顶板稳定性状态。结果表明:采用设计方案,顶板支护区域最小主应力降低至0~0.25 MPa,远低于顶板抗拉强度;塑性区高度降低至3.6 m,对比矿山原支护方案下降62.50%。根据设计方案与数值模拟结果,指导完成了9#采场顶板支护工业试验,回采过程中,顶板未发生任何冒落,整体性与稳定性较好,充分证明了设计方案的合理性和可行性,研究成果可为类似矿山提供一定的参考。
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高黏土地层泥水盾构刀盘冲刷性能分析与优化

周东波, 梅源, 徐望阳, 龚航, 锁福忠

2025, 21(4): 1344-1351. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.26

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为了减小高黏土矿物地层大直径泥水盾构刀盘结泥饼的风险,以实际工程为依托采用数值模拟方法建立了盾构刀盘及冲刷系统三维数值模型,研究了刀盘附近区域流场的分布特性,并对中心冲刷孔角度进行了多工况优化设计,结果表明:静止域②中心区域泥浆流速整体高于外侧区域泥浆流速,但中心区域部分位置泥浆流速降幅较大,刀具切削下的渣土在刀盘后面板仍有重新聚集形成大块泥饼堵塞刀盘的风险;当中心冲刷孔②和③的冲刷角度布置为45°时对外侧区域的冲刷更充分,布置为90°时对外侧区域的冲刷效果最差;依4种工况在静止域②、旋转域、静止域①的流线表现因素可判断冲刷角度设计优先级排序为:工况2＞工况3＞工况1＞工况4,即冲刷孔冲刷角度排序为45°>70°>20°>90°,研究结果可作为刀盘冲刷系统设计优化的理论依据。
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块石回填土区复合式TBM适应性与施工技术研究

王森剑, 王继文, 钟祖良, 周继虎, 段望龙

2025, 21(4): 1352-1362. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.27

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重庆4号线王家城站—生基堡站区间需穿越3段新近块石回填土地层,由于新近块石回填土地层结构松散、均匀性差、空隙大、欠固结以及抗剪强度低,隧道施工易引起较大地表沉降。本文对回填土区复合式TBM的适用性和施工技术进行了总结。结果表明:通过地表袖阀管注浆预加固(压力0.1~0.3 MPa),提升土体强度(无侧限抗压强度≥1.2 MPa)与密实度(剪切波速≥300 m/s);掘进中采用"小贯入度+高转速"模式(速度≤30 mm/min,转速0.8~1.0 r/min),严格控制出土量(72.46 m³/环)与同步注浆量(6.66~11.1 m³/环);对大粒径孤石实施液压分裂破碎(≤300 mm)。数值分析揭示填土深度与注浆范围为块石回填土区地表沉降主控因素,建议地表预注浆加固范围扩大至拱腰两侧1.0D。实测表明,该技术将地表沉降控制在24 mm(低于预警值30 mm),隧道拱顶沉降与净空收敛小于设计限值。
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分层黏土地基桩筏基础沉降归一化分析方法

罗如平, 李志丹, 朱碧堂, 丁文云

2025, 21(4): 1363-1372. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.28

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为研究分层黏土地基中桩筏基础的沉降规律,基于桩筏基础共同作用分析模型,以典型双层黏土地基桩筏基础沉降分析为例,通过MATLAB程序分析了天然地基极限承载力、上下两层土体深度及相应土体强度、桩侧和桩端极限承载力、桩基尺寸及桩基布置参数等11种不同工况对桩筏基础沉降特性的影响规律,并根据参数化分析结果提出了考虑桩筏基础安全系数影响的桩筏基础归一化沉降分析模型。通过与一系列桩筏基础工程实例的现场实测数据进行对比分析,验证了所提出的桩筏基础归一化模型的可靠性,且随着设计安全系数的增大,计算结果与值离散性逐渐减小,研究成果可为工程设计人员进行桩筏基础沉降分析提供参考。
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水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比计算与垫层优化

刘光秀, 党发宁, 马小莉, 李玉根

2025, 21(4): 1373-1383. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.29

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开展了刚性基础下设置褥垫层的水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比计算及褥垫层优化设计研究。首先在对水泥土搅拌桩复合地基受力变形特性分析的基础上,取单桩等效加固单元体为研究对象,将桩侧摩阻力简化为分段线性分布模式,并从承载力角度定义水泥土搅拌桩的临界桩长。继而利用单元体荷载传递微分方程,基于中性面深度处桩—土变形协调条件及临界桩长处桩体的力学平衡关系,建立了作用负摩阻力的水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比的计算方法。通过工程实例验证了该计算方法的可行性,并分析了褥垫层厚度、褥垫层模量、桩径、桩间距、桩土模量等因素对水泥土搅拌桩复合地基的桩土应力比的影响。研究表明:水泥土搅拌桩复合地基的桩土应力比随褥垫层厚度、桩间土压缩模量的增大而减小,随褥垫层模量、桩间距、桩体弹性模量的增大而增大,随桩径的增加先增大后减小;桩土面积置换率对桩土应力比的影响不是唯一单调关系,受桩径与桩间距共同影响。最后,根据桩土应力比设计指标对该计算方法反演得出水泥土搅拌桩复合地基褥垫层的柔度系数值,结合地区经验对褥垫层厚度进行了优化设计。
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超长嵌岩桩承载特性现场试验及数值分析

唐红, 毛炳宏

2025, 21(4): 1384-1393. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.30

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为深入研究各因素对超长嵌岩桩的承载特性的影响,基于现场静载试验,对超长嵌岩桩的承载特性进行分析,利用有限元软件建立嵌岩桩对三维数值模型,并和静载试验进行对比,验证了数值模拟的可行性;通过用有限元软件改变桩体和土体的性质分析了桩长、桩径、嵌岩深度、桩土弹模比、基岩弹模等因素对嵌岩桩承载特性的影响。结果表明:这5种因素均能在一定程度上提高超长嵌岩桩的承载力,除桩长桩径外,嵌岩深度、桩土弹模比、基岩弹模对嵌岩桩承载力的影响不容忽视。
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增湿作用下黄土地区钻孔灌注桩的承载特性

罗洪波, 贺希格, 苗晓琴, 刘云龙, 蒋师朋

2025, 21(4): 1394-1404. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.31

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为明确降雨入渗过程中湿陷性黄土内钻孔灌注桩承载性状的变化机制,进行湿陷性黄土内钻孔灌注桩的静载试验和入渗试验,对桩周湿陷性黄土的含水率、累计湿陷量、桩身轴力和桩顶沉降进行实时监测。结果表明:随着黄土湿陷的发生,桩身也产生了大致呈“D”字型的轴力分布,中性点位置也因湿陷阶段的不同而发生变化;入渗过程中桩周黄土湿陷变形的增加和不同阶段桩沉降的改变,使桩土相对位移的方向和大小随之变化,进而导致灌注桩承载性状的变化;基于非饱和土力学原理,以基质吸力的变化作为关键参数计算桩周土体的湿陷变形;考虑到黄土—灌注桩界面的剪切强度变化,提出适用于黄土—钻孔灌注桩界面的桩侧荷载传递函数,对传统的荷载传递法进行简化和修正,从而计算得到钻孔灌注桩的轴力和桩侧摩阻力变化曲线,将试验值与计算值进行对比,吻合良好。研究成果能够为复杂环境荷载下湿陷性黄土地区钻孔灌注桩的设计和工程性状评估提供支持。

防灾与环境

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双火源隧道火灾烟气特性试验与数值模拟

孙建春, 张敏, 卢小刚, 杨世涌, 张孝春

2025, 21(4): 1405-1416. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.32

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基于隧道多火源事故的严重危害性,本文研究了隧道内发生双火源事故时的火灾烟气特性。通过在平原地区进行缩尺试验,研究了火源间距及纵向通风速度对双火源隧道拱顶温度的影响;采用FDS软件研究了海拔高度及纵向通风速度对双火源隧道内温度演变及临界风速的影响。结果表明:随着双火源间距的增大,隧道下游烟气温升纵向衰减减缓,拱顶最高温降低,建立了双火源下游纵向温度衰减模型及双火源拱顶最高温预测模型;在低海拔或高海拔地区发生火灾时,纵向通风降低了双火源拱顶最高温;随着海拔高度的升高,双火源拱顶最高温升高,双火源临界风速增大,而双火源人眼特征高度处最高温降低,建立了不同海拔高度下的双火源临界风速经验公式。
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双线铁路隧道施工通风粉尘运移特性模型试验研究

张旺钱

2025, 21(4): 1417-1424. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.33

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采用相似比例模型试验,以长大双线铁路隧道标准断面为基础,探讨不同粉尘粒径、始发尘量、回风速率对粉尘运移特性的影响。结果表明:随粉尘粒径的增大,断面粉尘峰值浓度呈现线性降低趋势,粉尘直径越大受风流场的推动扩散作用越明显;初始粉尘浓度对粉尘运移的影响主要表现随浓度场增大,浓度峰值上升,粉尘扩撒速率降低,受风流的扩散作用相对较小;随纵向风速的增大,各监测断面峰值浓度下降,且峰值出现时间提前,同时,断面浓度的降低速率得到一定程度的提升;台车对粉尘扩散的滞后效应与粉尘粒径初始粉尘浓度呈正相关,与纵向回风速度呈负相关;工程作业段回风风速1.0 m/s时,能够有效降低粉尘峰值浓度。
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高地温隧道施工期降温措施及效果的模型试验研究

梁亮

2025, 21(4): 1425-1435. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.34

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为了研究高地温隧道施工环境中的降温措施及效果,探究其特征并确定设计参数,以成昆铁路保安营隧道工程为依托,采用自制模型试验平台,就不同隧道回风速度、风管出口温度和不同喷雾流量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。结果表明,风速主要影响各隧道截面的起始降温时刻,风温主要影响隧道截面的降温效率,而风速风温均对降温速率有很大的影响;随着隧道断面位置距离掌子面越远,降温速率和降温效率均会有较大程度的衰减;不同位置的喷雾流量则对降温速率影响不同,降温效率从高到低排序为:喷头后方部分隧道流域>风管出口前部分隧道流域>两者间位置的隧道流域。
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连接螺栓失效后列车振动对盾构隧道管片影响研究

毛升

2025, 21(4): 1436-1444. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.35

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建立了盾构隧道—地层—内部结构三维数值仿真模型,分析了不同螺栓失效对管片结构受力与变形的影响,并讨论了螺栓失效对于地层条件、衬砌类型的敏感性。结果表明:(1)列车振动荷载作用下盾构隧道管片衬砌的应力和位移响应呈线性变化,列车振动造成的管片衬砌主应力波动在拱腰、拱底处最为明显,叠加后的最大主应力出现在拱底,管片衬砌的位移响应主要发生在竖直方向,最大位移出现在拱底;(2)软弱地层下采用单层衬砌,螺栓失效将减小管片应力,但将造成管片竖向位移管片张开、错台增大;(3)在软硬复合土层中,管片应力以及接头处的变形均有一定程度减小,并将显著减小管片的竖向变形,此时螺栓失效对结构的影响减弱,间接验证了北欧等地层较好盾构隧道在运营期不采用连接螺栓的合理性;(4)增设内衬对管片受力影响较小,能一定程度减小管片竖向变形,并可大幅减小在螺栓失效时接头处的张开和错台。
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软土地层钢筋混凝土顶管管道失稳机理研究

姬付全, 冯鑫, 杨钊, 陈培帅, 崔旭辉

2025, 21(4): 1445-1454. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.36

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为探究软土地层钢筋混凝土顶管管道失稳机理及各因素影响规律,依托武汉汤逊湖穿湖顶管工程,通过理论分析提出了一种考虑管土接触状态、管节偏转状态、顶进力、浮力和泥浆压力的管道失稳判定方法,并基于现场测试数据对该方法的适用性进行了验证。此外,通过数值模拟分析了地层参数、顶进力、管节偏角、泥浆压力对管道失稳的影响规律。结果表明:(1)管土接触状态和管节偏转状态对管周土体极限应力和附加应力的影响较大;(2)通过计算管周土体的初始应力、附加应力和极限应力,可以对管道失稳进行有效判定;(3)管道失稳最直观的表现为管道位移增加,实际施工中可对最大轴线偏差处的管节进行失稳分析;(4)软土地层中,泥浆压力、浮力、管节偏转和顶进力是引起管节失稳的主要因素,施工中应对上述参数进行监测与控制。
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涂层法预防隧道中央排水沟结晶的适用性研究

张永刚

2025, 21(4): 1455-1462. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.37

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近些年来,世界范围内多处公路隧道出现了排水系统结晶病害,不仅对隧道排水功能造成影响,更是威胁着隧道的运营安全。针对此问题,学者们已对其形成机理及主要影响因素展开了大量研究。但由于排水系统的隐蔽性,目前还未形成有效的防治措施。从预防结晶角度出发,开展室内试验,模拟了4种涂层与1种阻垢剂共5种工况下的结晶规律。结果表明:空白对照组表面结晶生成量最多,且产生结晶体速度较快,不同种类涂层具有一定预防结晶作用,涂层阻垢效果依次为:超疏水涂层＞氟碳涂层＞水性环氧涂层＞油性环氧涂层,其中超疏水涂层阻垢效率最高,达31.9％;阻垢剂前期预防结晶效果显著,但随试验周期的增长,阻垢效率逐渐变低。
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整合光学材料的采光井提升多层地下空间视亮度研究

边宇, 赵永慧, 冯丽明, 庞钰芝, 遇大兴

2025, 21(4): 1463-1470. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.04.38

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本研究的目的在于解决地下空间采光存在的深层空间采光量不足和天然光线利用不充分等问题,提出了一种整合光学材料的新型采光井以优化天然光在地下空间中的分配,进而提升空间使用者在地下各层的空间明亮感受。经理论分析,设计了具有光线偏转作用的光学材料,通过整合此光学材料的3种不同形式采光井与常规采光井的性能比较后进行择优。通过缩尺物理模型在人工天空平台中开展试验,采用Lav,B40(以正常眼高为中心的40°宽水平带内的平均亮度)作为空间视亮度的评价指标,结合空间视亮度数据对比不同形式采光井的采光效果。结果表明:整合的光学材料对比通高井,地下空间的空间视亮度提高40%~60%,其中地下一层倒锥形采光井的具有更好的收集作用,而在远离天窗的地下二层和三层,采光井的平面尺寸越接近天窗尺寸则天然光的发散效果越佳;整合光学材料的采光井在地下空间具有显著的采光优化效果,可提供使用人员昼夜节律感受并降低人工照明能耗;采光井形式对地下空间的光环境优化有较大影响,即接近天窗的地下层宜采用倒锥形形式,远离天窗的地下层的采光井宜接近天窗尺寸。

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