为解决山区复杂环境下输电线路杆塔基础工程面临的挑战,本文提出了一种由短桩和桩周均匀布置的三根斜向锚杆组成的根桩基础,旨在提高桩基础的抗拉拔性能。通过开展现场真型试验,研究了根桩在上拔荷载作用下的桩顶竖向位移、斜锚轴力、破坏模式及荷载分配系数。结果表明:根桩基础上拔荷载-位移曲线可分为初始弹性直线段、弹塑性曲线过渡段和直线破坏段;在加载初期,斜锚杆承载作用表现不明显,随着荷载增加,斜锚杆轴力不断增大;根桩基础的极限抗拔承载力较短桩基础增加了29.41%,表明斜锚杆显著提升了根桩基础的承载力;根桩基础周围形成了径向和环向裂缝,主裂缝集中在斜锚杆布置区域,呈放射状分布,这是由于斜锚杆向上挤压岩土体,导致上方岩土体张拉破坏,最终使锚杆结构因受拉破坏而失效;对根桩基础的承载机制进行分析,短桩与斜锚杆的荷载分配系数可用于表征根桩基础的承载特性,二者协同受力;试验中,斜锚杆的荷载分配系数从加载初期的较低水平逐渐上升至48%,斜锚杆能有效分散和传递荷载。研究成果可为山区复杂环境下输电线路杆塔基础的设计和优化提供理论依据。

小应变硬化(HSS)模型能够反映土体在小应变范围内模量的高度非线性,已被广泛应用于复杂地质条件下的基坑变形计算。模型参数的合理取值对于计算结果有着重要影响,但目前规范参数推荐值范围较大,给工程应用带来了不便,因此亟需解决模型参数精确取值问题。分析了已有HSS模型参数的数据特征,引入人工神经网络方法(ANN),得到了上海土体 HSS 模型模量参数与土体初始孔隙比e、压缩模量E_s1-2等的经验关系。实现了通过常规工程勘察报告快速准确确定 HSS 模型模量参数,确定的参数值较推荐取值更接近实测值。研究成果可以为上海地区地下工程提供参考。

中国地下空间利用规模在未来很长一段时间将保持持续增长,可为多种减排增汇技术提供充足且稳定的空间和设施支撑,对实现“双碳”目标具有重要意义。为揭示中国地下空间响应“双碳”目标的研究热点及趋势,以中国知网数据库中截至2024年01月之前发表的944篇学术论文为数据样本,基于VOSviewer软件对该领域年度发文量、载文期刊分布、文献关键词、发文机构等进行可视化分析。结果表明:中国地下空间响应“双碳”目标的研究文献呈现出波动增长,近两年文献数量显著增加;研究内容主要集中在地铁低碳效应、地下物流、CO₂地下利用与封存及地下储能等方面。从空间紧凑、能源多元、功能整合、建设分期4个方面分析中国地下空间响应“双碳”目标的研究发展趋势。

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。

针对穿越断层破碎带的大断面隧道,通过室内试验研究岩样力学与渗透特性,基于岩体完整性指数与物理力学指标的相关性,量化不同破碎程度下的围岩参数指标。考虑围岩渗透性随围压变化,建立三维数值模型,分析破碎带围岩工程特性对隧道变形的影响规律,并通过现场监测掌握隧道变形与支护结构受力变化。结果表明:(1)破碎带岩样力学性质受水-岩作用影响大,饱和状态下岩样峰值应力相较干燥状态显著减小;(2)破碎带岩样渗透率随围压增大呈对数关系减小,当围压超过裂纹闭合应力后,岩样渗透贯通水压接近;(3)随断层破碎带岩体完整性指数K_v减小,隧道拱顶最大沉降量呈对数关系增大,渗流作用对隧道变形不利影响增大;(4)通过采取合理的加强支护措施及参数,隧道安全穿越断层破碎带里程段。研究成果可作为工程应用参考。

为探明富水地层条件下预应力锚杆对隧道支护时的力学状态,以深埋隧道为例,基于三维Hoek-Brown屈服准则,考虑水力耦合及围岩应变软化的影响,将预应力锚杆视为带有锚垫板及两端应变不为零的被动锚杆模型,对隧道围岩进行了弹塑性分析,由此采用粘结-滑移理论建立了预应力锚杆剪切应力分布及端部预应力的数值计算方法,并通过与相关工程案例计算结果的对比分析,验证了本文计算方法的合理性。同时,依托实际工程对不同因素影响下围岩应力和位移的变化规律进行参数分析。结果表明:本文方法计算得到的锚杆轴力最大值、隧道表面力和锚杆中性点位置均与所选取工程案例的监测值拟合良好,且当锚杆剪切应力达到隧道壁峰值应力时,在隧道壁附近锚杆与围岩之间会发生解耦现象;依托实际工程反映了本文方法可有效解决深埋隧道预应力锚杆在工程中的设计计算问题,且预应力锚杆安装后可有效减小围岩变形,相比被动锚杆,其支护效果更好,研究成果可为类似工程地质条件下深埋隧道支护设计提供理论指导。

城市用地紧张和学生数量增加导致高校老旧校园发展受限。以中国矿业大学(北京)学院路老旧校园为研究对象,基于地上地下空间整合理念,从功能分区整合、交通优化、地下空间安全疏散以及空间品质提升四个方面研究其更新方法。通过分析确定拆除部分现有老旧建筑,结合周边环境和拆除后校园地上地下状况,整合校园功能与分区,实现校园内部小汽车、货车和人员分流;针对较大规模且上部空间无法开口的地下文体馆,提出了“功能区—次安全区—安全区(下沉空间)”的安全疏散体系,并通过模拟软件验证了其合理性。通过下沉通廊、下沉庭院和天窗等设计手法有效解决了地下空间采光问题。上述方法不仅增加了校园各类建筑的面积,而且提升了校园空间品质。研究结果将为中国矿业大学(北京)学院路校园改造提供具体方案,为高校老旧校园的更新提供有效的方法。

复杂环境基坑周边空间愈加有限,经典土压力理论所假设的半无限空间与实际工程不符,使得有限土体基坑主动土压力仍缺乏合理的计算方法。以有限土体基坑柔性围护桩和砂土为研究对象,采用单排桩悬臂支护模式且围护桩底端固定,开展了四种不同土体宽度下的基坑开挖模型试验,以探究主动土压力和围护桩水平位移沿围护桩分布特征。结果表明:各土体宽度侧支护结构水平位移近似三角形变位模式,土压力随开挖深度增大逐渐近似“D”型分布,最大值约出现在0.8H深度位置。通过极限平衡法对土体微分单元进行受力分析,推导极限状态下有限土体主动土压力分布,结合考虑位移影响的摩擦角发挥模型,推导了有限土体非极限主动土压力分布、合力大小以及作用点高度。通过土压力试验值和本文理论值的对比,验证了本文计算方法的有效性。经参数分析发现土压力与宽高比正相关,与内摩擦角负相关,区分有限土体与半无限土体的临界宽高比n_cr = 0.5。

为研究含水率、含盐量对伊犁盐渍化黄土水盐迁移机制的影响,开展了含盐黄土在冻融循环作用下的水盐迁移试验,分析了温度场、水分场和盐分场及其黏聚力变化规律。结果表明:在冻融作用下,盐渍化黄土的温度场、水分场和盐分场均表现出周期性变化;随着冻融循环次数的增加,土柱的含水率整体会提高,呈现出两端含水率高,中间含水率低的形态;冻融作用下土层的盐分变化与水分的总体变化具有一致性,未冻融前各土层盐分呈现均匀分布;在温度势的作用下,水分携带盐分向上迁移,导致土柱中上部分含盐量较高;含水率和含盐量的提高对水分和盐分迁移具有的促进作用;含水率的提高会在土颗粒之间起到润滑作用,导致低含水率的试样其黏聚力大于高含水率的试样;随着含盐量的提高,盐晶包裹土粒形成的团聚体起到骨架作用,使得高含盐量试样的黏聚力大于低含盐量的试样;冻融作用后盐渍化黄土的内摩擦角值呈现波浪分布。

Burgers力学元件蠕变模型由于其简洁的数学形式,目前广泛应用于冻土工程的蠕变计算中。力学元件模型的计算准确性很大程度上取决于模型参数获取方法的准确性。现阶段采用Burgers模型的蠕变计算分析工作大多是基于“试错法”原理进行蠕变参数的确定,该方法缺乏明确的物理意义,从而大大降低了模型的可靠性。本文以冻结粉质黏土为试验对象,开展了不同温度和轴向压力条件下的单轴蠕变试验。结合Burgers蠕变模型和不同条件下的蠕变应变试验数据提出了根据物理意义标定参数的方法,Maxwell弹性剪切模量G_M是通过施加荷载时的瞬时应变来计算的;Maxwell粘滞系数H_M取决于蠕变应变曲线上直线段的斜率;Kelvin弹性剪切模量G_K可以根据直线段延长线与应变轴的交点来确定;Kelvin粘滞系数H_K则可以通过蠕变应变曲线上蠕变应变率非线性减小段的某一点的应变和时间来计算。该方法的提出为参数的确定提供了理论基础,与“试错法”相比,该方法更加科学直观且提高了参数确定的准确性和效率。通过对比分析试验结果与计算结果表明,Burgers模型的计算结果能够准确描述冻土蠕变的衰减和稳定发展蠕变阶段。这说明本文提出的Burgers模型参数确定方法是有效的。

碎石桩在工程中应用广泛,其承载力是评价碎石桩工程性能的重要指标。基于圆孔扩张理论,引入拓展Lade-Duncan破坏准则推导了碎石桩单桩承载力计算公式,考虑应力扩张叠加效应,推导了方形布桩方案下碎石桩承载力计算公式。开展了室内缩尺模型试验,得出碎石桩最大鼓胀深度位于约二倍桩径深度处,为理论计算提供了依据。最后,通过现场试验与已有研究成果,对提出的计算方法进行了对比验证,结果表明:已有碎石桩承载力计算公式计算结果较为保守,引入拓展Lade-Duncan破坏准则的计算公式得出的承载力与实测值更为接近,可为相关工程及研究提供参考。

综合管廊建设对提升城市生命线韧性、集约利用城市立体空间具有显著作用,是服务城市高质量发展的重要基础设施。基于城市综合管廊规划建设的现实需求,利用层次分析法和专家咨询法明确15个关键影响因子的赋值规则与权重,构建城市综合管廊规划建设适宜性评价体系,借助GIS空间分析与统计功能,较为科学、客观地评估了研究区道路的综合管廊适建性,并以道路综合管廊建设率和城市综合管廊建设密度指标优化建设规模,平衡综合管廊建设覆盖与基础设施建设支出,为区域综合管廊规划方案提供支撑。

盾构法以不影响地面交通、机械化程度高、施工周期短等优势而被广泛应用于地铁隧道建设中。盾构法在施工过程中时常面临管片不均匀上浮引起的开裂、破损等问题,影响隧道的正常使用,而盾构隧道管片上浮机理与理论计算方面的研究还较为少见。本文针对盾构隧道施工期管片的不均匀上浮问题,深入分析了管片初始上浮阶段的上浮机理,提出了相应的上浮力/抗浮力、上浮量理论计算公式,结合工程算例对理论计算结果进行对比分析。结果表明:管片初始上浮可以分为快速上浮、缓慢上浮两阶段,其中快速上浮阶段上浮量约占总上浮量的80%~90%;总上浮量理论计算值均大于监测值,但每环管片上浮量的计算误差较为稳定,本文提出的理论计算公式可以为管片上浮量计算提供参考。

基于摄影测量法的三轴试验可以实现试样局部变形的实时测量,但由于光线折射作用导致试样变形测量产生误差。通过引入折射修正系数(κ)不仅可以解决此问题,而且可以提高试验效率。为了探究不同试样轴向、径向变形测量中的折射修正系数变化趋势,分析应用折射修正系数测得的应力—应变曲线与常规三轴试验的差异,分别对红黏土和砂土开展基于摄影测量的固结排水三轴试验,结果表明:(1)在轴向变形测量中,红黏土和砂土不同局部区域的折射修正系数均趋近1,折射放大效应对试样轴向变形测量的影响可忽略不计;(2)在径向变形测量中,红黏土和砂土的折射修正系数分别为0.812和0.757,折射放大效应对试样径向变形测量的影响较大,且不同试样对应不同的折射修正系数;(3)常规三轴与应用折射修正系数所测得的应力—应变曲线变化趋势一致,在试验中后期,应用折射修正系数摄影测量测得的偏应力相对较小。

在国家大力推进“高质量发展”的今天,高校各学科对实验室环境的要求也逐渐提高。在北京市总体规划政策“减量发展”的背景下,开发利用校园地下空间成为近年来北京高校发展不可或缺的手段之一,地下实验室的强抗干扰性也展现出重要优势。通过对国内外高校既有地下空间开发为地下实验空间的案例进行文献调研和分析,总结了地下实验建筑设计的若干要点。在此基础上,结合地段现状和周边现有建筑的功能需求,尝试对清华大学校园西区天文台周边地下空间进行初步策划、设计,并且针对地面入口形式和平面功能及流线组织逻辑的差异性进行了多方案对比,研究成果可为清华校园地下实验空间的未来发展提供参考。

为降低隧道楔形掏槽爆破振动强度,基于Mohr-Coulomb强度准则及最大拉应力理论与Anderson叠加原理,提出隧道楔形掏槽爆破精确延时技术。通过理论分析,揭示了楔形掏槽延时爆破机理,优化了掏槽孔起爆顺序;引入Gauss函数,对爆破振动波型进行拟合,得到了对应的函数表达式;结合Matlab软件对其进行不同延期时间的叠加计算,得到了降低爆破振动的精确延期时间。以国道109齐家庄隧道为背景工程,结果表明:楔形掏槽延时爆破,降低了单段起爆药量、改善了后爆孔爆破破岩条件并减弱了爆破振动传播能量;当延期时间为13 ms时,与常规掏槽爆破相比,振动强度降低约60%;理论分析与现场监测数据相对误差13.9%,验证了该技术的有效性。

当前,城市轨道站点及周边区域综合开发相互脱节、站城融合不充分、可达性不足以及综合效益低等诸多一体化建设问题日渐凸显,且城市轨道站点的监督实施评估机制尚不完善。在搭建城市轨道站点评估体系框架的基础上,从用地功能、交通组织、空间环境、商业活力、经济效益、安全韧性、地下空间和实施成效8个维度建立了城市轨道站点一体化评估指标体系,并以北京32个轨道站点为研究对象,利用熵权—TOPSIS法开展轨道站点不同辐射范围尺度的评估及分类。结果表明,轨道站点辐射范围不同,轨道站点一体化建设的影响因素存在空间差异,通过利用K-means聚类将评估结果划分为4类,并提出了分类优化建议。

为研究纤维增强复合材料(FRP)加固隧道开裂衬砌的阻裂性能,基于近场动力学理论,通过引入界面弱化准则,建立了FRP—钢筋混凝土结构的近场动力学模拟方法,开展了FRP—钢筋混凝土梁四点弯曲试验模拟验证,并对FRP加固隧道开裂衬砌问题进行建模分析,探究了FRP加固宽度与层数对多种开裂衬砌加固性能的影响规律。结果表明:界面脱黏是FRP加固开裂衬砌的主要失效模式;FRP加固宽度和层数与加固性能呈正相关关系,但当加固宽度超过拱底2/3、层数超过2层时,结构加固性能无显著提升;此外,裂缝分布位置与深度对FRP加固性能有显著影响,其中跨中裂缝的加固效果显著优于偏心裂缝;当跨中裂缝高比为1/5时,FRP加固后结构全局损伤指数降低了40.3%,显著提升了结构的阻裂性能。

数值极限分析方法可以准确算出传统算法无法算出的有重土地基准确的极限承载力。由此可见,数值极限分析比传统的解析算法能更好解决复杂的岩土工程问题。利用荷载增量法,该法应用了工程材料受力从量变到质变的破坏原理,随着基础荷载的逐步增加,土基受力由弹性逐渐过渡到塑性,最后达到极限破坏状态,进而得到对应的极限荷载值。结合工程算例求得了条形基础荷载下地基的极限承载力,并与传统的 Terzaghi 、Vesic 、Chen 三 种经验结果进行了比较,表明数值极限分析法可比Terzaghi、Vesic、Chen经验法分别节省基础工程量40%、20%和相近。目前Terzaghi公式和Vesic公式均在实际工程中得到应用,Chen公式尚未见应用。

为了进一步研究横观各向同性非饱和重塑黄土在复杂应力路径下的变形及强度特性,采用不同试验仪器(非饱和真三轴仪及非饱和三轴仪)对横观各向同性非饱和土体进行了3组共计39个固结剪切试验。结果表明:在真三轴剪切试验中,试样的应力—应变关系曲线呈现出应变硬化特征,并具有双曲线形态,应力也随吸力的增加而提高;随着剪切过程的持续,真三轴试样的含水率不断减小,相同b值、净围压条件下,吸力越大,含水率—轴向应变关系曲线斜率也越大;真三轴试样、K₀CD试验试样及K₀′CD试验试样在剪切试验中始终呈现剪缩状态;3种不同初始条件下试验试样的破坏应力大小依次为真三轴试验试样最大,K₀CD试验试样次之,K₀′CD试验试样最小;K₀CD试验试样的初始切线模量最大,K₀′CD试验试样次之,真三轴试验试样最小。研究成果对于推动横观各向同性非饱和黄土的力学性质研究、完善相关理论和准则、以及指导工程实践具有指导意义。

岩锚锚碇是一种新型的悬索桥锚碇结构型式,受力机理复杂。为了研究悬索桥岩锚锚碇的变形特征和承载能力,以西堠门公铁两用大桥岩锚锚碇工程为例,在现场开展了1∶10岩锚锚碇缩尺模型试验,通过1.2P预应力工况加载、1P设计荷载工况加载和超载工况加载试验获得了岩锚锚碇在各级工况下的变形分布规律,研究了岩锚锚碇的承载特性。结果表明:在各级工况下,岩锚锚碇变形主要发生在两个岩锚体及其夹持的锚间岩体区域,变形分布曲线形态近似为以锚间岩体为中心的双峰状;实桥岩锚锚碇在设计荷载工况下的最大变形为4.17 mm,安全稳定系数为11,满足悬索桥锚碇变形限值和安全稳定性要求。研究成果为西堠门公铁两用大桥岩锚锚碇的安全评价提供了试验依据,也可为岩锚锚碇相关的研究和应用提供技术参考。

地下交通基于TOD模式的发展,带动了周边商业空间向地下开发的进程,而地下交通与商业空间之间的连通空间成为了不可忽视的一环。本研究基于场所理论高度概括上海市人民广场站与徐家汇站两处连通空间中的空间构成,对空间结构与场所精神两方面考虑,进行实地调研与问卷发放,并通过探索性因子分析与SPSS算法软件辅助,找寻影响连通质量的强相关原因。将行人主观因素进行量化,总结出中心场所与方向、区域划分与塑造、空间主题文化、空间互动性、公共安全与管理5个影响因子,并从中提出相对应的优化方法,为地下连通空间设计提供一定参考。

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。

长期构造和热液共同作用产生的黏土化蚀变岩隧洞开挖灾害频发,风险识别和灾害防控困难。针对以上难题,首先整理了12个国内典型黏土化蚀变岩隧洞开挖案例,分析发现:黏土化蚀变岩根据空间分布形式,可以分为岩脉型、全断面型、囊状型三类,其中岩脉型塌方掉块频繁;全断面型软岩大变形严重,易恶化产生关门式塌方;囊状型易塌方,富水条件下易突泥涌水。提出了三类蚀变岩的风险识别方法:基于蚀变带宽度、密度,以及与隧洞轴向夹角识别岩脉型风险;基于围岩充分水解产物提出整体蚀变度,进行全断面型风险识别;基于囊状岩腔填充类型识别囊状型风险。研究表明黏土蚀变岩带是优良的水运移通道和地下水储集带,水-力耦合下开挖风险加剧,为此需结合超前物探、钻探预先理清地下水发育规律,并采用超前截防排水、加强支护、二衬紧跟的支护原则降低开挖风险。研究成果可为黏土化蚀变岩隧洞开挖风险识别与防控提供科学依据。

盐穴储气库的长期运营过程中,储库内压变化的持续时间相对较长且内压变化频率相对较低,储库围岩变形过程是一个处于低频循环荷载作用下的蠕变变形过程。为了深入研究盐岩在长期蠕变条件下的力学特性,进行了3组盐岩单轴蠕变试验。结果表明:(1) 对于破坏的盐岩试样,其变形过程分为减速变形、稳定变形和加速变形3个阶段,对应的应力应变曲线呈现出“稀疏”—“密集”—“稀疏”的变化趋势;(2) 在加载速率和应力上限两种影响因素中,应力上限对盐岩力学特性的影响更为显著。在相同应力振幅下,随循环次数增加,不同荷载速率对盐岩变形的影响逐渐减小;(3) 在加载阶段,盐岩试样的变形速率随时间逐渐减小,直至应力增长至应力振幅60%时,应变速率开始增大;(4)在应力上限恒定阶段,应变速率随时间逐渐减小,但在试样临破坏时,应变速率显著增加;(5) 在整个试验过程中,不同循环在加载阶段和在应力上限恒定阶段,应变速率近乎相等。试样临破坏前一个循环时的应力上限恒定阶段,应变速率明显增加;(6) 卸载阶段的变形速率随荷载减小而增大,盐岩弹性应变在此阶段恢复,表现出负值的变形速率;(7)在应力下限恒定阶段,应变速率为接近于零的负值,并呈波动状态。

为了提高地下停车场火灾中人车混行疏散的安全性和高效性,采用Python语言构建基于元胞自动机的背景场模型,加入PyroSim模拟的火灾场数据,得到火灾与人车混行疏散动态耦合模型。以西安某商业综合体地下停车场为研究对象,开展人车混行疏散仿真模拟实验。结果表明:相较于行人疏散,人车混行的必需安全疏散时间延长了20%~130%,仅在一定的行人密度和车位占用率下才能实现安全疏散;行人密度较大时会在出口产生拱形效应,同时降低行人和车辆的疏散效率;车辆疏散失败的概率约为行人的22倍,行人即使成功疏散至出口,依然有15%~25%存在不同程度受伤,重伤和濒死人数比例与疏散行人密度呈正相关。研究结果可为地下停车场防火设计优化和人车疏散预案制定提供参考依据。

沿海地区广泛分布大面积的深厚滨海软土地层,具有含水率高、压缩性高、有机质含量高、承载力低、透水性低和变形稳定时间长的“三高两低一长”的显著特征,固化处理是其最常用也最有效的方法之一。深入理解固化软土的固化机理、强度特性和耐久性的影响机制是确保固化处理滨海软土地基维持长期安全稳定的关键前提。通过对水泥固化滨海软土的强度和耐久性进行综述,阐明水泥对滨海软土的多尺度耦合固化机理,讨论当前针对滨海软土固化体研究的不足,探讨具有前沿性的潜在研究建议,为后续科学研究和工程应用推进提供新的思考和思路。

穿越断裂带的隧道在铁路工程、水利工程、公路工程较为常见,由穿越断层破碎带所诱发的工程地质灾害占我国隧道灾害总数的50%以上,保证穿断层带隧道的安全稳定是发展我国隧道工程的重中之重。以他白依隧道为工程背景,探究围岩在断层破碎带影响下的有效支护措施。为解决他白依隧道软岩大变形问题,本文首先通过开展现场点荷载试验、地应力试验及室内矿物成分分析试验来探究形成大变形原因的主控因素,之后针对他白依隧道变形力学机制提出高预紧力长短NPR锚网支护方案,依据开挖补偿理论利用NPR锚索的高预紧力对隧道围岩进行应力补偿,并通过数值模拟与现场监测说明隧道在高预紧力长短NPR锚网支护方案下能够有效减少围岩在断层破碎带影响下产生的大变形。该研究成果可为穿越断层带的隧道支护提供参考。

隧道近距离下穿采空区是地下工程施工过程中要面对的重大技术难题。以成自高铁白云山隧道为工程背景,通过FLAC3D分析无水与含水两种采空区状况下隧道稳定性,优化原有的加固方案。结果表明:不同工况未注浆的隧道开挖施工后,采空区左端均呈现应力集中,隧道上方塑性区范围较大,破坏较严重,拱底竖直位移超出相关规范控制值,隧道施工存在安全隐患;采空区无水工况下,当采空区与隧道距离小于4.5 m时进行140°半包围注浆,采空区距离隧道4.5~9 m时进行全包围注浆,采空区与隧道相距超过9 m时不注浆,加固方案可以满足安全要求;采空区含水工况下,围岩遇水软化,破损程度加剧,隧道拱顶孔隙水压较大,存在涌水风险,全包围注浆范围需扩大为采空区与隧道相距4.5~10 m处,其他隧道段支护形式与采空区无水工况下相同即可;现场监测结果显示隧道稳定性得到了保障。

为探明刚性挡墙绕顶部转动 ( RT ) 模式下有限土体非极限状态土压力的变化规律,解决既有土压力计算方法中墙体位移、水平剪切应力等影响因素考虑不全的难题,基于微分单元法框架,建立了一种能综合考虑墙体位移、土体强度参数( c_m -φ_m )、土拱效应和水平剪切应力影响的有限土体被动土压力数值计算方法。结合三轴卸荷试验与应力Mohr圆获取非极限状态下土体强度参数(c_m-φ_m )与墙体位移的关系,依据土拱效应原理对有限土体进行应力分析,依据水平与竖直方向的静力平衡方程构建沿深度方向的被动土压力数值迭代算法。通过与已有研究对比验证了所提方法的合理性与准确性。结果表明:RT模式下有限土体受到的侧向约束作用有助于进一步发挥土体的抗剪强度;有限土体被动土压力沿深度方向呈非线性分布,土压力大小会随着土体强度参数(c_m-φ_m )、初始滑裂面倾角、墙底位移比的减小以及宽深比的增大而降低。本文方法可为实际工程中挡土结构经济性设计提供理论指导。

采用原位固化技术加固的高龄供水管道能够承担内水压荷载,但既有管道的孔洞缺陷为管周地下水提供了渗流通道,局部静水外压的激增造成内衬失稳失效。通过对DN 600和DN 1 000两组足尺管道静水外压试验和有限元分析,研究原位固化内衬在静水外压作用下的变形规律和失稳特征,探讨界面粘结条件下内衬DR值和椭圆度对内衬屈曲行为的影响规律。结果表明:内衬管在静水外压作用下经历了上浮、弯曲、极限外压屈曲、局部纤维断裂和内衬断裂5个阶段,界面的粘结强度对内衬屈曲的影响显著;采用原位固化技术修复供水管时应保证CIPP内衬与既有管道的粘结性能及粘结作用的耐久性。

实际工程中常采用抽水试验确定场地水文参数,但由于反演算法各异且缺少判定标准,往往无法证实其参数准确性。同时,由于各类算法本身局限性,在某些复杂水文模型的反演过程中需要不断调整参数以达到收敛精度。采用实测数据为天津市东丽区某场地抽水试验,根据当地水文地质环境采用Hantush-Jacob非稳定流越流模型进行计算。在反演计算过程中,通过引出有效流量概念以减少抽水井及观测井井管中水储量对试验产生的影响,利用多个观测井中实测水位降深与解析解合成目标函数,采用包括EKF算法(扩展Kalman滤波算法)、LM算法(Levenberg-Marquardt算法)及GA算法(遗传算法)3种最优化算法,对该场地的水文参数进行自动化反演。通过反演结果研究分析了3种算法在反演过程中其各自局限性。结果表明,采用GA算法与LM算法联合求解可在全局寻优并得到水文参数准确度较高,且利用该方法反演得到参数计算其他流量下场地水位降深,与实测对比效果较好。此外,在与已发表文献中采用的单一算法相比,GA算法与LM联合算法表现了其在水文参数反演方面的独特优势。

将间接边界元法发展至Rayleigh波入射下河谷—隧道地震动力相互作用模拟,在验证所建方法准确性的基础上,定量分析了不同频率Rayleigh波作用下隧道埋深、河谷宽深比对地表位移幅值和衬砌隧道环向应力的影响。结果表明:随着隧道埋深的增加,隧道上方位移逐渐下降,地表位移的放大效应逐渐减弱;河谷宽深比对河谷内部和河谷右侧位移幅值的影响更为显著;浅埋情况下,邻近河谷隧道环向应力幅值系数可达10.0以上,表现出显著的动应力放大效应;在入射频率η=2.0入射下隧道环向应力幅值、空间分布均受河谷宽深比影响显著,但埋深d=3.0a时隧道环向应力幅值放大效应不明显;沿河隧道抗震设计需主要关注浅埋低频工况下的隧道应力放大效应。

目前我国已初步完成铁路隧道极限状态法转轨,建立了铁路隧道结构在自重及围岩荷载作用下的极限状态设计方法,但未对铁路隧道在地震荷载作用下的极限状态法展开详细研究。为进一步完善铁路隧道极限状态设计体系,明确铁路隧道结构抗震目标可靠指标以建立铁路隧道抗震极限状态设计方法,采用校准法对现行铁路隧道衬砌及明洞抗震通用参考图进行了可靠度校准,并基于校准结果提出了铁路隧道抗震目标可靠指标。结果表明:铁路隧道结构抗震可靠指标主要与围岩级别及结构类型相关,具体表现为衬砌可靠指标小于明洞可靠指标,Ⅴ级围岩下结构可靠指标小于Ⅳ级围岩可靠指标;考虑不同围岩级别下各结构的权重系数后,铁路隧道抗震可靠指标的平均值为6.81,大于现行规范提出的铁路隧道结构在自重及围岩压力作用下的目标可靠指标4.2,现行衬砌及明洞的抗震可靠度水平较高;结合铁路隧道抗震通用参考图可靠度校准结果和现行规范中的目标可靠指标,确定铁路隧道抗震目标可靠指标安全等级一级时为4.7,二级为4.2,三级为3.7。

通过室内无侧限抗压强度试验,重点探讨了含石量及细粒料比例不同时对其抗压强度的影响。结合XTDIC分析系统得到试样的应变、位移云图,并对其进行定性及定量分析。结果表明:在静荷载作用下,应变增加导致初期应力增长速率加快,峰值应力显著上升,其相邻峰值应力的最大增量可达22.2%,达到峰值后,应变持续增长而应力降低的速率有所减缓,残余应力有所上升;当试样中石粉含量固定而含石量变化时,初期应力的增长速度加快,并导致峰值应力提升;从应力—应变曲线分析可知,含石量为70%,石粉占80%时,试样表现出最佳的力学性能和最小的变形;含石量为30%、石粉占20%时,试样的力学性能表现最差;击实后分形维数对无侧限抗压强度的影响显著,随着击实后分形维数的减小(含石量增加),无侧限抗压强度呈递先增大后减小的趋势。

土压平衡盾构在大埋深、高水压地层条件下掘进时极易发生喷涌现象,聚合物一般作为应急改良剂来处理喷涌事故。由于聚合物较为昂贵且需在地面设置专门的搅拌设备拌成水溶液,其应用于渣土改良的案例较少。为了探究水溶性高分子聚合物改良中粗砂地层的适应性,针对不同细粒含量的中粗砂进行聚合物渣土改良,开展有压渗透试验、临界喷涌压力试验、流动度试验。结果表明:改良后渣土的渗透系数受细粒含量变化的影响较大,而聚合物的掺入量对其渗透系数的影响较为平缓;改良后渣土的流动度、临界喷涌压力随细粒含量的升高而线性增大;从渗透系数、临界喷涌压力、流动度三方面探讨水溶性聚合物对中粗砂渣土改良的适应性,确定聚合物适用于细粒含量3.8%以上的中粗砂地层;将聚合物与常用的膨润土泥浆进行经济效益对比,表明该聚合物不仅对施工效率的影响小,而且在成本上有优势。

为了更好地评估砂土地层中浅埋盾构隧道掌子面被动失稳破坏模式,对既有三维计算模型进行改进,使失效区域更接近真实土体破坏轮廓,考虑上下部块体之间的摩擦,采用极限平衡法,建立极限支护压力计算公式。采用有限差分软件FLAC^3D构建数值模型,分析掌子面被动破坏支护力变化规律及破坏模式。将理论模型得到的极限支护压力解与数值模拟及现有被动破坏理论模型得到的解进行比较,验证模型的可靠性。结果表明:理论计算模型可以满足掌子面被动失稳的极限支护压力计算;极限平衡计算模型的上下块体间存在摩擦,考虑静摩擦力进行计算更为合理;对数螺线转角的最优解受到内摩擦角的影响,当内摩擦角增大时,对数螺线转角的最优解会变小;浅埋盾构隧道掌子面被动极限支护压力随着土体内摩擦角的增大而增大,随着隧道直径的增大而减小。

爆破破岩过程中,岩体中节理、裂隙的存在影响了爆炸破碎效果,部分有限元数值模拟软件能够实现节理岩体的爆破破岩模拟,但难以实现裂纹的定量描述。采用LSDYNA软件,建立含节理条件的岩体数值模型,分析了节理面对爆炸应力波的阻碍、反射作用,将爆生裂纹图像二值化处理,采用Hough变换方法实现了二值化图像中的裂纹提取,并采用极大似然估计法分析了裂纹图像统计结果。结果表明:节理的存在严重阻碍了爆生应力波的传播作用,峰值应力减少约为60%,炮孔与节理间的岩体由于反射作用受到了更强的应力叠加作用,破碎效果更为显著;爆炸的初始阶段小裂纹出现概率较大,结束时则以长裂纹为主,此过程中许多短裂纹扩展为长裂纹,裂纹角度的分布较为平均;节理角度45°及60°条件下的长裂纹分布更为均匀,极值不明显;节理为15°及30°时的垂直方向裂纹发育较为明显,Hough变换方法实现了数值模拟结果中裂纹图像的定量统计。

为了提升红层泥岩填料的微生物改良效果,将木质素磺酸钙、玄武岩纤维作为外加剂协同微生物改良红层泥岩填料,开展了MICP拌合法对红层泥岩填料的物理力学特性影响试验,通过相关试验研究了不同木钙、玄武岩纤维掺量下对MICP拌合法处理后红层泥岩填料的无侧限抗压强度、破坏特征、无荷膨胀率、耐崩解性的影响及其变化规律,揭示了木钙—玄武岩纤维协同微生物改良红层泥岩填料的作用机理。结果表明:(1)与MICP组相比,当木钙和玄武岩纤维掺量分别为3%和0.2%时,对试样的协同改良效果最优,其纵波波速提高了39.49%,无侧限抗压强度提升了134.55%,破坏时的峰值应变增大了32.34%,木钙—玄武岩纤维协同微生物作用能够显著提高红层泥岩填料的密实性、强度及其抵抗变形能力;(2)木钙—玄武岩纤维掺入后,红层泥岩填料的无荷膨胀率降低了53.84%~73.07%,最优掺量组试样的崩解性由中崩解改善为不崩解;(3)木钙—玄武岩纤维协同微生物改良红层泥岩填料的机制主要包括木质素聚合物的胶结填充作用、玄武岩纤维的加筋作用、木钙—玄武岩纤维对MICP协同促进作用等3个方面。本研究成果可为高铁路基红层泥岩填料的改良提供新的思路。

越坡体的埋地油气管道在地震作用下因可能的滑坡推力而使管体产生显著的力学响应。为合理计算地震滑坡推力致管体的内力与位移,根据拟静力模式,通过传递系数法计算管道后侧地震滑坡推力后,采用沿管道轴向两端小(滑坡周界附近)中间大的梯形推力分布模式,基于Winkler弹性地基上的考虑管体横向剪切变形的Timoshenko梁模型,建立了管道力学分析方法,推导出管道位移和内力的计算公式,给出了基于应力安全状态分析的管道选材计算方法。实例分析表明:管道挠度由滑坡周界至滑坡体内逐渐增大,穿越段中间部位挠度基本不变,管道中间1/3~2/3长度范围内的弯矩与剪力均很小,管道弯矩与剪力最大值均位于滑坡周界附近,理论计算与FLAC3D数值模拟结果基本一致;随着地震影响系数、管道穿过滑体的长度、管道横截面尺寸的变化,管道内力的分布模式基本不变;管道的最大弯矩与剪力则随水平地震影响系数呈非线性增大,随管道横截面尺寸的增大而有所增大,但随管道穿越段长度的增加则略有减小。