化石燃料作为目前人类主体能源,其地位在短期内难以改变,但“双碳”目标的提出为我国产业结构升级和能源安全带来了新挑战与机遇。二氧化碳地质封存技术(CCS)是一种十分有效的减排手段,也是实现“双碳”战略的重要途径。该技术将工业活动中所收集的CO₂进行特殊处理后,灌注进入封闭且稳定的地层中,从而降低CO₂排放量,减缓大气污染与温室效应。目前,CCS技术已经受到国内外研究学者的广泛关注,中国的CO₂减排形势非常严峻,因此对二氧化碳地质封存技术的研究尤为迫切。为了更好地促进对该技术的认识和研究,本文拟从咸水层封存、废弃油气藏封存、深部不可开采煤层封存和玄武岩矿化封存4个方面对国内外的研究现状进行综述,并提出了当前研究中的不足和需要进一步研究的问题。

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。

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。

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。

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。

无中导连拱隧道是连拱隧道最新的发展型式,能显著提升施工效率并降低工程成本,但也存在近接施工、受力体系多次转换和施工控制难度大等缺点。因此,通过模型试验研究了无中导连拱隧道衬砌结构受力机理及破坏特征,结合典型隧道病害特征和65座隧道的建设经验,提出了无中导连拱隧道安全建设对策。模型实验结果表明,先行洞右拱腰的弯矩和轴力值均为最大,为受力最不利部位。先行洞右侧拱腰等部位需要加强结构设计和施工质量控制,并提出“重地质、强先行、预加固、稳中墙、先支撑、短开挖、弱爆破、勤量测、紧二衬、注精细”30字方针的对策措施。本文的对策措施对无中导连拱隧道的设计和安全施工具有参考意义。

地应力与瓦斯压力耦合环境是引起煤与瓦斯突出等灾害的重要因素之一,结合杉木树煤矿2+3#煤层所处地应力及瓦斯压力地质条件,开展地应力与瓦斯压力耦合环境下原煤的变形及渗流特性室内试验。结果表明:在瓦斯压力—地应力环境下,增轴压过程中煤样轴向应变、径向应变与偏应力均呈线性关系,煤样泊松比随偏应力的增大满足二次函数增大,煤样渗透率与偏应力均满足ExpDec1函数;增围压过程中煤样轴向应变、径向应变与偏应力均满足线性关系,煤样泊松比随偏应力的降低呈ExpDec1函数增大,煤样渗透率与偏应力均满足ExpDec1函数;同时,增轴压和卸围压过程中煤样轴向应变与偏应力满足线性关系,径向应变与偏应力均满足二次函数关系,煤样泊松比随偏应力的增大呈ExpDec1函数降低,煤样弹性模量随偏应力的增大呈ExpDec1函数增大;随后的加卸载过程直至破坏后出现残余强度前煤样渗透率几乎为零,煤样出现残余强度后渗透率迅速增大。

为研究竹筋格栅加筋黄土的界面特性,本文开展了9组大型直剪试验,分别探究筋土界面特性受加筋类型、填土压实度、格栅网口尺寸的影响,并对其影响机理进行分析。结果表明:当剪切位移较小时,竹筋格栅加筋黄土界面剪切应力随剪切位移的增加逐渐增大并达到峰值,随着剪切位移进一步增大,界面剪切应力开始下降并趋近于一个稳定的残余应力;竹筋格栅的加筋作用使土体的黏聚力和内摩擦角均有所提升,且提升效果优于土工格栅;竹筋格栅加筋黄土界面抗剪强度随填土压实度的增大而增大;存在一个最佳格栅网口尺寸,使界面抗剪强度最大。成果可为竹筋格栅加筋黄土的工程应用提供参考。

地铁公共空间是城市居民的重要活动场所,具有空间的特殊性与复杂性特征。本文采用文献分析方法,从研究视角与方法、设计原则、优化策略等方面对中国城市地铁公共空间设计的既往研究进行归纳与分析。结果表明:当前研究已经形成较完整研究体系,研究视角呈多元化,涵盖了从微观层面的地铁公共空间要素分析、中观层面空间构成专项设计到宏观层面与城市空间的复合设计等众多领域,研究方法呈量化、模型化、可视化的发展趋势。在既往研究基础上对未来研究提出了展望:提升研究视角综合性;引入生态绿色理念;深化人性化设计;建构更加完善类型化研究体系,拓展研究对象分布范围;研究方法应推进跨学科融合,完善研究路径,提升数据获取与分析准确性。

华南地区广泛分布裂隙发育且遇水软化的花岗岩风化土,该特殊土内常用的泥浆护壁桩承载力大幅损失,作为建筑业新技术的长螺旋钻孔压灌桩则能够发挥更高的承载力,甚至超出规范中干作业成孔桩取值范围。为明确花岗岩风化土层内长螺旋桩的承载力优势及发挥机理,本文在广州黄埔开展该桩型的静载试验和光纤感知测量。结果表明:长螺旋桩承载力为相同尺寸泥浆护壁桩的2倍,与桩径和桩长正相关,600~800 mm桩径范围内无尺寸效应;采用超弱光纤光栅技术测得侧摩阻力服从单峰分布,随着荷载的增加峰值位置从残积土层下移至全风化层;两类风化土中极限侧摩阻力为128 kPa和154 kPa,超出广东省/行业规范经验取值范围,全风化层中极限端阻力为3 080 kPa,高出经验值1倍。通过现场土层开挖与原状土CT扫描发现,同步压灌混凝土和提升钻杆的成孔方法避免了裂隙水发展及对其桩—土界面的软化,该桩型承载力优于泥浆护壁桩和其他干作业成孔桩。

设计了微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)灌浆加固系统,开展了天然海水环境下MICP固化硅质海砂的室内缩尺模型试验。结果表明:天然海水环境下MICP灌浆技术可以将大小为Φ25×50 cm砂柱固化成型,且整体质地坚硬;无损超声波检测技术表明,固化后砂柱中部密实度最大、下部次之、上部最小,其轴线方向波速平均值分别为2.993、2.877、2.867 km/s;固化后模型砂柱平均抗压强度为13.72 MPa,比材料尺度提升了44.88%;平均干密度1.82 g/cm³,比松散砂样提升18.18%;渗透系数为4.48E-04 cm/s,比未加固试样渗透系数降低2个数量级。MICP固化后形成的沉淀矿物包括立方体状、条柱状的方解石及针簇状、不规则絮状的碳酸镁,其主要分布于砂颗粒表面及颗粒连接处,从而起到胶结作用。本研究可为MICP技术改善海洋松散砂土地基提供理论依据和数据支撑。

潮汐作用下水位变化触发海床地层应力的重分布,影响海底隧道施工中工作面围岩的稳定性。以青岛胶州湾第二海底隧道为工程背景,采用多相大变形数值计算方法—物质点法,分析了潮汐作用下水位变化对隧道开挖工作面围岩的破坏响应。通过数值模拟与现场监测数据的对比,验证了物质点法数值模拟方法的可行性。通过模拟196组不同围岩等级下的水位变化,探究海床沉降、围岩变形、塑性破坏区的分布和特征。结果表明:水位降低会增大施工期间隧道工作面的变形;水位变化与不良围岩参数的组合是隧道工作面失稳的关键,并得到了16组诱发工作面大变形失稳的参数组合。

高等教育的快速发展导致高校可开发用地日益紧张,师生住宿、生活空间资源短缺,地下空间的开发利用逐渐成为高校建设的重中之重。本文通过阐明高校地下空间发展动因,整理地下空间类型及开发模式,梳理国内外高校地下空间特点,并以西南地区某高校为例具体分析,进而预测高校校园地下空间开发趋势。研究表明:高校地下空间开发需要注重时代延续、强调景观协同,在进行具体设计时强化单体地下空间职能、提高空间纵深,打造具有“学习—生活—交往”复合职能的地下综合体,设计时加强多点联通,兼顾整体协同,将高校校园地下空间作为一个建设整体进行规划设计,同时注重地下空间开发中的动静交通结合,打造智能化的地下空间,才能构建集约化、高质量的高校校园地下空间。

针对深部储层压裂增渗难题,高温高压CO₂热冲击致裂技术凭借其绿色低碳、破岩效率高和震动噪音低的特点,已展现出巨大的发展潜力。本文在考虑热源的燃烧、传热传质、瞬态非线性流动以及岩石损伤演化过程的基础上,通过归纳试验现象推导的基于浓度变化的释能方程定义热源功率,从而建立相应的高温高压CO₂热冲击破岩数值模型,分析了地应力差和岩石围压对热冲击破岩裂隙扩展规律的影响,揭示了复杂裂缝形成机制。结果表明:高温高压CO₂热冲击致裂过程主要由两个阶段组成,分别是超临界CO₂冲击力作用下的动态致裂阶段和高能CO₂气体驱动裂纹扩展的准静态阶段。初始地应力能够从一定程度上抑制冲击力作用下岩石内部径向裂隙的扩展,流体峰值压力和岩石起裂压力随着初始地应力差的增加呈现减小趋势,流体峰值压力随着岩石围压的增加而增大。

为探究高填方减荷涵洞的受力状况,基于小主应力拱概念,并结合Marston理论,推导出了减荷条件下盖板涵竖向土压力的计算公式,公式综合考虑了填料物理力学指标、涵洞结构尺寸、填土高度等多种因素。研究发现:减荷条件下,土拱效应的产生使涵洞结构上方竖向应力转移至结构外侧土体中,从而减小了洞顶受力,土拱效应对外侧土体应力影响范围约为0.5倍结构宽度,沿结构宽度方向,结构竖向土压力均衡分布;洞顶填土高度小于结构高度时,土拱效应不明显;大于结构高度时,减荷措施效果显著,且填土高度越大,减荷效果越理想,涵洞竖向土压力随填土高度的增加近似线性增长,但增速较缓;通过与现场实测值、数值模拟结果对比发现,公式具有一定准确性、适用性。

为验证复杂接触条件下平面试验与曲面试验在研究岩质地层顶管摩擦力学特性问题上的适宜性与正确性,采用大型岩石直剪试验研究7类复杂接触条件下平面砂岩和新型曲面砂岩各自与混凝土管间的剪切摩擦特性,在此基础上进行较低接触高度变接触条件下的顶管施工力学效应数值分析。结果表明:试件的形状差异造成了平面试验和曲面试验接触面有效摩擦角的巨大差异;进行数值分析时将顶管的接触范围统一设置为1/2接触相较1/3接触更加合理,对比两类试验中1/2接触条件的顶力误差可知,基于曲面摩擦试验结果的顶力平均误差较平面试验小;试验条件间的大小关系以及试验结果的量化准确性问题上,曲面试验具有更好的适应性。

为探究更为安全、有效的边坡落石防护结构,本研究基于光滑粒子流体动力学—有限元(SPH-FEM)耦合动力学数值计算及1∶10几何相似室内模型试验,针对“砂土—发泡橡胶”复合垫层棚洞的减振机制展开研究。结果表明:落石以20 m/s速度冲击时,顶板腹部正中单元峰值应力可达2.89 MPa,超过C30砼极限抗拉强度2.01 MPa;添加0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m发泡橡胶垫层后,正中单元峰值应力依次为2.36、1.12、0.79、0.65、0.58 MPa,相较于纯砂土垫层,降幅依次可达18.34%、61.25%、72.66%、77.51%、79.93%;针对试验期间棚洞顶板腹部纵向测点P1,添加2、4、6 cm厚橡胶垫层,其峰值应变由50.57 με依次降至27.17、15.22、10.36 με,降幅为46.27%、69.90%、79.51%;针对顶板腹部横向测试位置T1,复合垫层工况下应变峰值由48.47 με降至26.54、17.29、13.59 με;复合垫层可大幅降低落石冲击能量与顶板应力水平,模型试验与数值计算结果基本相吻合,本文工况下发泡橡胶现场设置厚度以0.4~0.6 m为宜。研究成果可为相关防护工程设计提供借鉴与参考。

某隧道遭受软弱破碎带不良地质的影响,TBM掘进时出现围岩自稳能力差、易坍塌、积渣堆积等问题,致使护盾抱死或刀盘被卡。为实现TBM脱困,提出了从TBM护盾上方进行小导洞施工新技术,对掌子面前方不良地质进行长距离水平加固以及刀盘、盾体周边积渣清理的方法,使得TBM顺利推进;提出在长大断层破碎带条件下,采用上断面开挖和TBM掘进的半断面法施工技术解决TBM频繁卡机、隧道坍塌的风险的新方法。结果表明:小导洞施工技术具备降低卡机风险、可实现TBM前方围岩水平超前加固、缩短工期、节约成本、施工安全的优点;半断面法施工技术相较于传统的迂回导坑法超前处理断层破碎带工作量小,节约成本,能避免TBM卡机与隧道坍塌风险,施工安全与质量得以保证。

为研究溶洞注浆处理效果的检测评价方法,本文对某工程的岩溶注浆处理区段进行了现场钻孔取芯检测和高密度电法室内模型试验研究。首先,通过钻孔取芯对该处理区段内的溶洞注浆效果进行了检测分析,发现该区段溶洞注浆处理效果较为良好;然后,结合数字化建模和3D打印实现了溶洞模型的构建,为岩溶室内模型试验提供了参考;最后,通过室内模型试验深入研究了溶洞在不同浆液填充度条件下,基于高密度电法的岩溶注浆效果检测评价方法。结果表明:注浆后溶洞位置处的视电阻率值会较注浆前存在一定幅度的下降,高阻异常区域面积会缩小;随着溶洞注浆量的增加,溶洞注浆处视电阻率图像达到稳定的时间相应延长,通常当溶洞被水泥浆液完全填充时,视电阻率图像将会在注浆后7 d达到稳定。研究对优化岩溶注浆效果检测评价方法提供了一定的参考。

能源桩实现了浅层地热能开发与地下工程结构的一体化,拓宽了桩基础的使用功能和应用领域,因此得到了广泛应用,同时,能源桩分析理论也得到发展。荷载传递方法因其计算简单、实用性强等优点而被应用于能源桩的计算和分析中,但热—力耦合荷载传递分析方法仍存在计算结果难以收敛、不能准确反映桩顶实际加载等缺点。分析桩顶误差产生的原因,并基于能源桩荷载传递位移协调算法建立了能源桩的桩顶不平衡力消除迭代法,使得计算结果能准确反映桩顶实际加载条件,从而使得能源桩的热—力耦合承载性能分析更为准确。结合现场测试,验证了桩顶不平衡力消除迭代法的可行性,计算结果表明该方法能够很好地反映荷载—温度联合作用对能源桩承载性能的影响。

桥梁灌注桩开式压浆难以控制注浆区域、注浆压力和注浆量,注浆效果不稳定、单桩承载力波动大。为提升桩基后压浆的可靠性,提出一种新型桩底复合式后压浆技术,通过在桩底安装中空环形钢板胶囊,采用“外—内—外”3次注浆加固桩端土体。为探明该技术对桩基承载力的提升效果,依托在建汾石高速S340跨线桥工程开展2根试桩的桩端复合式后压浆作业,研究压浆过程中注浆压力、注浆量和桩顶位移的动态变化情况,并对注浆效果进行弹性波CT测试;然后开展了采用桩端复合式后压浆和不注浆两种工况下的桩基静荷载对比试验。结果表明:桩底复合式后压浆可有效消除桩底沉渣,形成桩端扩大头,桩基承载力提升34.1%,桩端阻力增强系数为1.70,浆液影响范围内桩侧摩阻力增强系数为1.32~1.37。

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。

以张靖皋长江大桥南锚碇基础现场工艺试验为依托,对超深异型排插式网片刚性接头地连墙施工过程中的关键工艺进行了创新及验证,结果表明:在采用双轮铣及液压抓斗联合施工工艺的基础上,通过合理设置施工顺序、引入基于复合检测手段的槽段虚拟碰撞检测技术和加长型孔口导向架以及加强泥浆性能管控等控制措施,可以确保超深异型槽段的成槽垂直度和槽壁稳定性;应用倾角仪和三维液压千斤顶调整刚性接头姿态,通过导向装置辅助入槽,实现了刚性接头安装过程中精度的可测可控,利用智能化同步焊接技术可有效控制焊接变形,优化焊接质量;在钢筋笼匹配制作的基础上,辅以垂直度监测手段可有效控制刚性接头和钢筋笼的相对位置关系;采用专用的刷壁装置清理排插钢筋处的泥渣,并使用同步浇筑平台实现刚性接头各隔舱的同步浇筑,有利于保证浇筑质量以及接头的结构安全控制,同时,引入防绕流水带封堵混凝土绕流通道,可以有效避免混凝土污染接头处的钢筋,确保地连墙墙体的强度和完整性。后期的开挖及抗弯承载力试验验证了本文所提出的地连墙施工控制措施可有效保证地连墙的成墙质量以及接头处承载力。

对高地温隧道施工期环境温度分布展开实地调研,在量化隧道内热源后建立高地温隧道独头通风三维数值模型,并通过监测数据与模拟结果验证了模型可靠性,进而展开隧道环境温度分布特征及通风参数优化研究,结果表明:(1)隧道沿程环境温度分布可分为2个区段,掌子面20 m范围内呈骤增再降低趋势,掌子面20 m后至洞口段随入口风温降低或风量增大呈现出先增大后降低再持续增大趋势;(2)入口风温降低使隧道环境温度峰值呈线性降低特征,风量增大使隧道环境温度峰值呈二次函数降低特征,表明入口风温较风量对隧道环境温度峰值影响更显著;(3)利用多元函数建立风量—风温因素耦合的隧道环境温度预测模型,表明当入口风温≤15 ℃时,风量＞40 m³/s即可满足隧道环境施工要求,入口风温高于20 ℃,需要额外采取其他降温措施。

为合理预测大直径泥水盾构隧道施工引起的地表沉降,本文对现场实测数据进行回归分析,深入探讨了Peck公式在预测大直径泥水盾构施工引起的地表沉降方面的适应性,并在此基础上引入地表最大沉降修正系数α与沉降槽宽度修正系数β,对Peck公式进行了必要的调整与修正。结果表明:线性回归后大直径泥水盾构在上软下硬复合地层中掘进沉降实测值与Peck公式沉降预测值之间有较大差异;α取值分布在0.1~0.5范围内,β取值分布在0.5~1.0范围内时可以较好反映大直径泥水盾构在上软下硬地层中施工引起的地表沉降变形;对比分析小直径和大直径盾构隧道沉降槽修正系数可知,沉降槽修正系数的变化范围随开挖横截面面积的增大、开挖面土层性质差异的增大而增加。研究成果可扩大Peck公式的应用范围,为大直径盾构隧道设计和施工提供参考。

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。

对冻结岩土介质力学响应的研究是保障寒区土建工程安全及地质灾害防治的重点内容。论文通过对寒区建设中常见的冰、冰石混合物、冻土和冻土石混合体开展巴西劈裂加载下的声发射特征研究,分析了4种介质加载过程中的裂纹开裂模式、声发射能量演化和声发射b值特征。结果表明:(1)冰石混合物和冻土石混合体中的劈裂裂纹较冰和冻土曲折,存在绕石现象;(2)冰石混合物中冰石界面附近的裂纹多发育于靠近块石的冰中,且其强度和声发射能量明显大于纯冰试样;(3)冻土石混合体的裂纹主要由冻土裂纹和土石界面裂纹构成,该试验条件下冻土石界面仍然是最薄弱部位,导致冻土石混合体的声发射能量弱于冻土试样;(4)冰和冰石混合物劈裂加载的声发射能量峰值对应加载力峰值,呈现明显的单峰特征,冻土和冻土石混合体的声发射能量峰值较加载力峰值存在滞后现象,且存在多峰特征;(5)4种介质的声发射b值随加载力先上升后下降的变化而表现为先减小后增大的趋势,且冻土石混合体加载力峰后阶段的b值波动大于其他三者,反映出峰后阶段土石界面开裂与冻土开裂的交替扩展触发了不同能量的声发射活动。

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。

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。

为了研究软土地区沉井下沉阻力分布特征,以宁波某综合管廊沉井为研究对象,开展了沉井土层土体直剪试验和常规三轴试验,研究表明:该软土的应力-应变关系呈现出典型的硬化型发展,剪切初期应力随着应变的增加较快,且表现出围压越大剪应力越大,当应变20%时试样剪切破坏。沉井在下沉过程中,需要随时做好监测,利用测试数据对下沉过程做了受力分析,对不同深度下沉井刃脚端阻力和井壁侧摩阻力的分布规律进行了研究。最后,基于沉井下沉穿越淤泥土层时σ_f0和下沉深度S 数据规律,拟合出相应的经验公式,测试结果表明,该沉井下沉过程中侧阻力尚未达到极大值,沉井相对两面的侧阻力并不相同,研究成果可供同类工程参考。

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。

地下空间评价是服务地下空间开发的先导性工作,近二十年以来,国内多个城市开展了不同尺度的地下空间开发地质适宜性评价,由于评价语义不明确以及地质条件和技术人员认识差异等原因,各城市在评价指标选取和赋权方法选择上不尽相同,制约了评价成果的推广和应用。本文基于系统理论提出地下空间开发地质适宜性评价是以地下空间系统边界、组成要素为研究对象,对系统在外部扰动作用下保持相对平衡状态能力进行评判的一项工作,阐明了具体评价要素和内容;在此基础上,重点针对评价指标体系中的层级组织、粒度选择,指标赋权中的方法选择、优化及校验评估等关键问题,构建了一套方法流程体系。海口江东新区的实践表明,以“限制级、安全级、成本级”划分第一准则层,以“复合迭代熵权法”进行权值计算,以统计评估、专业评估和多方法对比进行权值评估的方法,既体现了专业知识的导向性,也体现了数据的客观性与区分性,可为我国滨海平原城市地下空间开发地质适宜性评价提供方法参考。

伴随着以通勤为目的的城市轨道公共交通使用人数的增加,高峰期轨道交通站点内出现的快速变化的、大流量的短时疾增客流使得换乘站点难以安全、稳定、有效地承载客流并满足客流换乘需要。本研究通过实地调研与借助Anylogic平台的仿真来剖析短时疾增客流的特点及其对站内空间的作用效果,将现有的预制式、组装式、折叠式等应变技术或设备作为基础,提出建筑空间层面与站内设备设施层面的分类应变思路。建立应变应用场景与应变技术及措施的对应关系,并探究空间可变在动态优化地下轨道交通站内换乘空间方面的应用。研究成果可为未来既有轨道交通站点的优化设计提供参考。

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。

为针对高地应力区多场耦合作用对深部围岩分区破裂范围的影响问题,基于双剪统一强度理论,建立了多场耦合作用下围岩塑性区力学分析模型,提出了热—力耦合作用下深埋隧道围岩塑性区半径的计算公式;在此基础上,进一步提出了热—力耦合作用下深埋隧道围岩分区破裂的破裂区半径计算公式。结合工程实例分析可知,在热—力耦合作用下,基于双剪统一强度理论计算的围岩分区破裂半径误差小于8.9%,证明了本文所提出的计算方法的合理性和可行性。研究成果为高地应力及高地温影响下的围岩稳定性分析提供了理论依据,同时也为定量描述分区破裂化现象提供了新的方法和手段。

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。

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%。

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。

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。

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。