近接运营地铁的城市地下工程施工安全韧性评估方法研究

为提出一种用于评估近接运营地铁的城市地下工程施工安全韧性的方法,首先,通过对近接施工的3个方面(新建地下工程、地层、既有地下结构)以及2个维度(技术和管理)的分析,建立一个较为完整的韧性指标体系;其次,结合层次分析法、熵权法和博弈论,提出韧性指标体系的权重组合分析方法;同时,基于集对分析理论,提出研究体系复合性能Q的连续评估方法;最后,从“最大损伤”和“累计损伤”2个角度提出韧性R的综合评估计算公式,并将其应用于具体工程案例的分析。研究结果表明:1)新提出的韧性评估方法与传统的风险评估方法可以相互印证,且新的韧性评估方法考虑因素更为全面;2)提出的系统复合性能Q包含3个维度,即既有地下结构(Q_(A))、地层(Q_(B))、新建地下工程(Q_(C)),比传统的评估理论更全面;3)随着既有地下结构的动态指标限值越来越严格,系统复合性能Q的评估结果对应有所下降。

真空预压淤堵区渗透系数的计算方法

在废弃泥浆的真空预压过程中,预制竖向排水板周围经常会形成淤堵区域。准确测量和计算淤堵区泥浆的渗透系数对于预测废弃泥浆固结的情况至关重要。由于淤堵区泥浆渗透系数难以直接测量,且缺乏理论推导方法,因此提出了淤堵区渗透系数与淤堵区厚度的计算方法。为研究淤堵区的形成和验证计算方法,设计了一套试验装置进行验证,证明了该计算方法的实用性和可行性。同时,研究得出在工程现场对废弃泥浆进行真空预压时,应将真空度控制在90 kPa以下,并且在60~80 kPa之间,真空度越低,淤堵区的形成越慢。提出了淤堵区渗透系数计算方法,可用于预测真空预压过程中淤泥的固结程度。

斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究

钢管混凝土斜柱体系内部浇灌混凝土的密实度质量是保证整体结构承载性能的重要因素。以X形平面斜柱节点、K形空间斜柱节点为例,建立钢管混凝土斜柱的足尺试验模型,通过超声CT技术检测其内部浇灌混凝土的密实度,以获得合理有效的浇灌工艺并应用于工程;进而针对斜柱网格体系的混凝土密实度检测布置进行了研究。结果表明:试验模型钢板较厚时,采用CT成像检测可获得精确结果;试验模型浇灌工艺满足密实度要求时,实际施工应采用相同工艺以保证质量;对于混凝土密实度不足之处,可采用钻孔压浆法补强,而后补焊封回;钢管混凝土斜柱内部混凝土密实度检测布置包括斜柱构件检测数量、横截面检测位置两方面。

钢管混凝土斜交网格外筒-RC核心筒结构体系在罕遇地震作用下的弹塑性行为研究

钢管混凝土斜交网格外筒-RC核心筒体系不仅实现了与建筑立面设计的高度统一,同时提供了较大的抗侧刚度,在超高层建筑设计中应用日益广泛。基于某工程实例、合理的材料本构和单元选择,利用ABAQUS软件建立该体系的有限元模型,进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,获得了结构基底剪力、顶部位移等结构整体响应时程曲线和构件受力情况。通过分析内外筒基底剪力时程曲线讨论结构协同作用机制,结合构件受力情况讨论结构关键构件屈服顺序与外筒斜交构件的屈服路径。结果表明,该体系内筒与外筒共同承担基底剪力,整体呈现筒中筒结构体系的受力特征;构件屈服顺序为混凝土核心筒连梁、斜交网格外筒斜柱、混凝土核心筒墙肢;外筒构件的屈服顺序呈现由结构底部至顶部、由角部至中央的发展模式,体现了斜交网格空间三维体系的受力优点。

椭球颗粒体系宏、细观特性的3维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关。目前,关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ_(3)(第3主应力)及等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究椭球颗粒体系的3维宏、细观力学特性,并验证常用3维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。结果表明:在3维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,这是因为椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率LAR增大,Mohr–Coulomb准则、Lade–Duncan准则、Mastsuoka–Nakai准则及施维成3维强度准则对φ_(max)(峰值内摩擦角)–b关系预测准确度逐渐增大,其中,Lade–Duncan准则能更好地拟合不同加载路径下椭球颗粒体系的数据点。研究为真实应力状态下椭球颗粒材料的宏、细观特性的认识提供了一定的理论基础。

平行近接新建盾构隧道的综合管廊预保护研究——以富阳区地下综合管廊工程为例

地下综合管廊施工临近平行拟建盾构隧道,为减少后期盾构临近施工对已运营管廊的影响,在地下综合管廊施工时,对管廊下方土体进行坑底加固,同时将盾构侧围护结构加强为咬合桩隔离墙。采用分布式光纤监测了盾构施工导致的管廊结构位移,采用数值模拟方法对不同预保护方案下的盾构施工对管廊位移的影响进行了分析。研究结果表明:咬合桩隔离墙及坑底加固均可有效减小管廊竖向沉降,在咬合桩隔离墙及3 m坑底加固联合预保护下,管廊最大沉降仅为基坑两侧设置TRD围护墙的17.1%;管廊水平位移随着围护结构整体刚度增大而减小,在临近盾构侧保护结构加强为咬合桩隔离墙后,最大水平位移仅为基坑两侧设置TRD围护墙的28.3%;在类似工程中,可优先采用近盾构侧设置咬合桩隔离墙、远盾构侧TRD围护墙及基坑底部1 m深加固的组合预保护方法;变形控制严格的相似工程中,可在此基础上增加坑底加固深度。

含气土工程特性研究现状综述及展望

基于工程实际,阐述有控放气和无控放气条件下含气土变形特征及应力路径对含气土的工程特性的影响,并总结出对应的工程措施。针对含气土工程特性机制认识不清的难题,介绍含气土分类及结构特征、力学特征、变形特征等工程特性问题的发展动态与存在的问题。综合研究指出:目前缺少能适用多种复杂应力路径的抗剪强度公式;本构模型缺乏针对性的理论基础;沉降模型考虑的因素较少。总结含气土工程特性现有研究成果,提出未来含气土工程特性研究方向的相关建议:含气土的基本物理力学特性研究;各种施工应力路径下含气土变形机制研究;列车循环荷载作用下含气土变形机制研究;波浪荷载作用下海洋含气土的液化与地质灾害研究。

螺旋递升式大空间钢-混凝土混合结构体系创新及设计

杭州运河大剧院项目地上外部建筑造型为一螺旋上升式的草坪坡道,坡道上端部为一大悬挑大空间功能区域,顶部外围至内侧覆盖数圈高度较大的穿孔铝板幕墙,建筑内部存在多处舞台、观众厅等大空间功能区域。针对该项目的结构设计、分析及施工上存在的难点及创新点等进行系统性的研究。首先对其螺旋递升式大空间混合整体结构体系进行设计和分析,获得性能设计目标和整体性能指标,并提出抗震构造措施;进而对该项目中的竖向长悬挑屋顶幕墙支撑结构、内嵌正交向小桁架的多层通高悬挑大空间结构进行体系创新和应用研发。结果表明:采用螺旋递升式现浇混凝土框剪和局部钢结构的混合结构体系,各项指标均较好满足规范要求,屋盖区域、大悬挑功能区域以及屋顶幕墙支承区域均采用局部钢桁架形式,可较好地配合建筑平面及立面要求。

水平砂垫层加速城市固体废弃物降解固结理论研究

针对水平砂垫层加速城市固体废弃物(MSW)降解固结问题,首先,引入连续排水边界条件,建立双层MSW一维降解固结理论模型,得到相应的控制方程;其次,借助有限元软件COMSOL Multiphysics求得方程数值解,同时对固结过程中压缩性和渗透性的非线性变化条件进行简化,推导得到相应的解析解;最后,改变界面参数α取值,讨论排水边界条件对MSW固结性状的影响,探究水平砂垫层的最优铺设位置规律。研究结果表明:随着界面参数α增大,边界排水能力增强,加快了孔压消散速率,加速了主应变发展进程,但并不改变主应变和次应变发展的最终结果;固结度发展速率随着界面参数α增大而增大,在固结前期和中期这种情况更加明显;当时间一定时,边界排水能力逐渐变强,水平砂垫层最优铺设位置上移,即水平砂垫层最优铺设位置会向排水能力弱的边界偏移;与铺设在其他位置相比,水平砂垫层设置在最优铺设位置可以大幅度提高MSW降解固结效率。

水泥土工程性能研究综述

近年来,水泥土以其广泛的原料、低廉的价格、施工方便等优点,广泛应用于土木工程领域。但水泥土材料往往与环境直接接触,并在环境的影响下易发生一系列变化,使其强度、渗透性发生改变,影响其工程性能。文中综合各种对水泥土的研究文献,针对实际工程面临的水位变化以及不同施工工艺可能出现的工程问题,总结了水泥土的力学特性、渗透特性、各向异性、破坏特性以及在侵蚀环境下的力学、渗透特性。研究成果指出了水泥土在工程中更安全有效地发挥工程特性的水泥掺量、组分、含水率等的建议设计取值,有利于推广水泥土施工技术的工程应用。

整环盾构隧道管片原型加载系统的研究综述

地铁运营时因受基坑开挖、周边卸载和地面堆载等因素影响,盾构隧道管片经常出现横向变形较大和管片开裂等问题,造成经济损失的同时还带来很大的安全隐患。为优化管片配筋,常采用整环盾构管片原型加载系统对管片进行加载试验,来研究其结构服役性能。文中对国内外整环盾构管片原型加载系统的研究现状进行阐述,根据管片放置方式,将其分为平躺式和站立式。分析以上系统的加载机理和优缺点,将站立式与平躺式加载系统进行对比,平躺式主要适合深埋且自重效应小的单环或多环管片,站立式主要适合浅埋且自重效应大的单环或多环管片。鉴于这两类加载系统仍存在一定缺陷,因此对此类系统的进一步改善提出了相应建议。

考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解

目前关于新建盾构开挖诱发既有地铁隧道变形的理论研究,大多将既有隧道简化为不含接头的Euler-Bernoulli梁,而忽视了衬砌截面的剪切变形与管片接头的局部刚度削弱。此外,既有地基模型理论较少考虑衬砌管片与接触土体的协调变形约束。首先,采用Loganathan-Polous公式计算盾构开挖诱发的土体自由位移场,并将既有隧道视为考虑剪切变形的Timoshenko梁,基于沿轴线变化的抗弯与剪切刚度函数来描述管片接头的局部削弱作用;然后,结合能量变分原理与连续弹性体Mindlin解,建立考虑衬砌截面协同变形约束的隧道位移控制方程,将盾构开挖诱发的附加荷载施加于既有隧道,并使用Fourier级数方法求解既有隧道纵向变形;最后,将Fourier能量变分解与3组工程实测数据进行对比验证,取得了较好的一致性。此外,考虑隧道抗弯刚度、剪切刚度、接头刚度削弱作用、土体参数与隧道空间位置等因素的共同影响,使用抗弯系数、剪切系数及接头系数进行敏感性分析。结果表明,考虑截面变形协调约束的理论解更为符合实际,不考虑变形协调约束所得隧道位移结果偏大;衬砌接头局部刚度的削弱作用将造成隧道弯矩沿轴线在接头处发生明显锯齿状突变;抗弯系数与剪切系数的增长均导致隧道结构所受弯矩降低;剪切系数由低到高的增长将导致隧道变形模式发生“弯曲控制-弯剪混合-剪切控制”三阶段变化;隧道变形模式进入“剪切控制”阶段的过程中,抗弯刚度的变化对隧道内力影响逐渐降低;接头系数的增长将造成隧道所受弯矩降低,但隧道抗弯刚度较大时其影响逐渐减弱。

弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为可考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。

基于螺栓拉伸刚度的地铁盾构隧道纵向刚度计算

针对现有盾构隧道纵向刚度计算方法缺乏试验验证且未考虑螺栓拉伸刚度等因素影响的不足,首先,理论推导盾构隧道纵向刚度的解析计算方法;然后,以上海地铁盾构隧道为背景,设计并开展缩尺模型试验,通过实测结果验证解析计算方法;最后,以珠三角地区盾构隧道为工程背景,计算盾构隧道纵向刚度。结果表明:由于螺栓预紧力的存在,跨中加载较小时的实测隧道纵向刚度偏大,但随着跨中加载的增加,实测结果与理论计算结果趋于接近,验证了解析计算方法的合理性;珠三角地区盾构隧道在弹性阶段、塑性阶段和塑性变形后的纵向螺栓拉伸刚度依次为2.1255×10^(6),0.9859×10^(6)和3.1856×10^(6) N·m^(-1),纵向刚度依次为3.3068×10^(8),1.5345×10^(8)和4.9543×10^(8) N·m^(2);考虑到地铁盾构隧道发生纵向变形时,一定范围内的纵向螺栓所处变形阶段存在差别,在实际纵向刚度取值时应根据隧道最大变形导致的纵向螺栓拉伸量来具体分析确定。

断层错动下非连续管道的力学响应分析

断层错动诱发上覆土体破坏对跨越断层的埋地管道结构安全构成巨大威胁,是复杂环境地下管线设计中不可忽略的场地因素。既有成果较少涉及正断层和逆断层错动影响下的解析解分析,且针对断层-管道相互作用的理论研究一般将管道结构视为连续管道,较少考虑管道接口的影响。首先,在简化SSR(静止区stationaryzone,剪切区shearingzone,刚体区rigid body zone)土体变形模型的基础上,结合erf函数和erfc函数,得到了正断层和逆断层错动影响下的土体位移曲线;其次,引入双参数Pasternak地基模型,对管道微元进行受力分析,借助有限差分法求解得到埋地管道结构的变形和内力;最后,将理论解析解和已有的试验结果及数值模拟结果进行对比验证,获得了较好的一致性。此外,针对断层倾角、断层与管道交点位置和接口转动刚度等关键物理特征参数进行了敏感性分析。结果表明:断层倾角会改变管道位移曲线和轴向应力曲线位置,但其位移最大值和轴向应力最大值基本一致,而断层与管道交点位置不仅会改变管道位移曲线和轴向应力曲线形状,其轴向应力最大值也将发生改变;随着接口转动刚度增大,管道最大轴向应力值随之增大,当接口转动刚度足够大时,可将非连续管道视作连续管道进行计算。

基于极限分析上限法的地震作用下分层地基盾构隧道开挖面稳定性研究

目前针对盾构隧道开挖面稳定性的研究还较少考虑土体分层特性和地震作用的耦合影响,因此构建了一种在分层土体中考虑地震作用的开挖面三维对数螺旋破坏模型进行研究。首先,将地震引起的动态响应通过拟静力法简化为水平和竖直两个方向上的惯性力作用;其次,在均质土体中的三维对数螺旋破坏机制的基础上,将其改进为适用于分层土体的三维对数螺旋破坏机制;再次,根据上限定理,在虚功率方程中引入地震惯性力所做功率,得到考虑土体分层特性和地震作用条件下的盾构隧道开挖面支护力的上限解;最后,将上限理论解与三维数值模拟结果和既有模型试验结果进行对比,得到了较好的一致性。此外,针对水平地震加速度系数和地层厚度对关键物理特征进行了影响因素分析。结果表明,当比例系数ζ>0时,极限支护力随水平地震加速度系数的增大显著增大;当ζ<0时,极限支护力随水平地震加速度系数增大而增大的趋势减弱。当水平地震加速度系数kh=0时,即在无地震作用情况下,归一化极限支护力不随ζ的变化而变化;在上硬下软土层中,下部土层厚度比的增大会引起极限支护力的增大,在上软下硬土层中,下部土层厚度比的增大会引起极限支护力的减小。

波流耦合影响下分层海床隧道周围砂土渗流孔压及液化分析

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑波浪与海流共同作用对隧道的影响。此外,既有理论一般将海床视为均质且各向同性工况,忽略了实际情况下分层海床的影响。首先,基于波流共同作用下的海床表面的动力边界条件,采用传递-反射矩阵法得到波流共同作用下自由分层海床的孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了波流共同作用下分层海床中隧道周围砂土的渗流压力响应及液化判定解答。最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对海床渗透性和隧道衬砌渗透性进行了影响因素分析。结果表明:海流顺流会增大海床中的孔压和液化程度,逆流会减小海床中的孔压并抑制海床的液化,且流速相同时海床对逆流响应的相对差异总体上也大于顺流;当分层海床上层渗透系数较大时(k+s>1×10^(-2)m/s),海床整体孔压较大,且第一次分层处孔压变化明显;当隧道衬砌渗透系数较小时(k+l<1×10^(-6)m/s),隧道对超静孔隙水压在海床内传播“阻挡”效应明显。

超长期服役基坑对既有隧道的时空效应研究

为有效评估超长期服役基坑开挖施工的风险,解决由此引发的外部土体沉降和既有隧道变形等安全问题,通过分析实测数据,研究基坑施工各阶段对既有隧道产生的时空效应。结果表明,地连墙和工程桩的施工会对坑外土体产生“挤压”效应,进而影响隧道的变形;开挖前围护结构的施工对空间效应影响不明显,开挖后房屋和地表的沉降呈现出显著的空间效应;超长期服役基坑施工过程中,隧道响应可分为3个阶段,其中地连墙施工后的30~100 d,以及第三层土开挖后30~160 d为危险施工时段。

基于柱孔收缩理论的含气土盾构施工引起地表沉降研究

依托杭州地铁塘青线盾构穿越含气地层的实际工程,对柱孔收缩理论进行修正,首次提出基于柱孔收缩理论的含气地层盾构施工引起地表沉降理论计算公式,并结合实际工程参数,分析隧道埋深、开挖半径、基质吸力等因素对含气地层盾构施工引起地表沉降的影响。研究表明:柱孔收缩理论计算结果与实测数据较为吻合,能较好地反映出含气地层盾构掘进引起的地表沉降特征;与饱和土工程不同,双线盾构穿越含气地层时,先行线引起的地表沉降更大;含气土等非饱和土中基质吸力通过改变土体内摩擦角和黏聚力进而影响土体特性,但较之于土体黏聚力,土体内摩擦角的变化对盾构穿越含气地层引起地表沉降的影响更大。

基于离散元模拟的不同挡土墙位移模式下非极限主动土压力

针对刚性挡土墙主动位移过程中砂土非极限主动土压力问题,利用PFC 2D分别对挡土墙绕墙顶转动(RB)模式、绕墙顶转动(RT)模式和平动(T)模式下砂土主动破坏过程进行模拟分析。分析结果表明,不同位移模式下土体内摩擦角及墙土摩擦角调动规律存在差异。挡土墙主动位移过程中,RB模式下土体破坏从墙顶开始,向墙脚发展,土楔体内部只有靠近墙背侧区域出现主应力偏转现象,并且土楔体中内摩擦角调动值均能达到极限值。RT模式下,土体破坏沿着墙背和滑裂面从墙脚开始,向土体表面发展,墙后土楔体中上部区域主应力偏转角度较大,形成了大主应力拱,与此对应的是该区域内摩擦角调动值相对初始内摩擦角减小。T模式下,土体破坏分别沿着墙背从墙顶向墙脚发展以及沿着滑裂面从墙脚向土体表面发展,墙后土楔体内部会出现小主应力拱,且内摩擦角调动值从初始内摩擦角增加,但达不到极限值。