福州滨海软土MJS工法桩加固施工及环境效应

结合福州滨海首例MJS工法桩涉铁深厚软基加固工程,总结提出MJS工法桩软基加固施工工艺参数。基于圆柱形孔穴扩张模型建立轴对称有限元数值模型,精细化分析考虑MJS喷浆成桩过程的桩侧土体变形规律。结果表明:桩侧土体侧向位移总体呈Z字形分布,随着喷浆成桩逐步提升过程中压力的释放,正向位移幅值逐渐减小,负向位移幅值逐渐增大,且最大位移位置逐渐上移;通过喷浆压力影响分析表明,喷浆压力在1.3P_(地)~1.6P_(地)时土体侧移较小,变形性态较好;地表沉降小且一致性较好,地内压力系数控制在1.3~1.6比较合理。变形实测值和计算值相近,最大侧移及地表沉降各占预警值的13.4%和50.4%,属于微扰动施工,满足工程要求。在喷浆成桩过程中,靠近地表时控制好内部喷浆压力是关键,且在喷浆压力与地压相互作用中,产生的地表沉降应值得关注。

土体导热系数温度效应及其预测模型

考虑环境温度变化对土体导热系数的影响,对于地下热工项目的优化设计和安全评价是必要的。利用热探针法测试了不同温度下红黏土、粉土、软土和膨润土的导热系数,分析了土体导热系数的温度效应及其影响因素,建立了考虑导热系数温度效应的加权几何平均模型,并与传统的预测模型进行对比分析。试验结果表明:土体导热系数随温度的增加而增大,其温度效应随干密度的增大而减小,温度对非饱和土体导热系数的影响较大,对于干燥和饱和土体导热系数的影响较微弱。温度对土体导热系数的影响可能取决于水汽潜热传输作用的变化,土中可提供潜热传输的水分和水汽运移通道越多,土体导热系数的温度效应越显著。模型计算结果表明,提出的加权几何平均模型预测性能良好,且较好预测了含水率和干密度对土体导热系数温度效应的影响,而Tarnawski模型、Gori模型、Leong模型预测精度均低于加权几何平均模型。

高速列车荷载作用下粗粒土填料振动变形特性分析

路基振动变形影响列车运行安全与舒适性,开展高速列车荷载作用下粗粒土填料振动变形特性的研究具有重要意义。利用MTS加载系统和自制模型箱,构建室内粗粒土填料单元模型试验系统,模拟列车的动载作用,对粗粒土填料开展5万次循环加载试验,获得振动变形与加载次数的关系曲线,探讨动应力幅值、加载频率对振动变形的影响。结果表明,在动应力幅值为25~200 kPa、加载频率为2~8 Hz的循环荷载作用下,粗粒土填料的初始振动应变为0.0010~0.0038,5万次加载后稳定振动应变为0.0008~0.0020;振动应变与加载次数呈负幂函数关系,且随动应力幅值、加载频率的增加而增大。根据试验结果建立路基基床振动变形分析模型,验证模型的合理性。研究结果可为高速铁路粗粒土路基的振动状态评价提供参考依据。

基于NURBS的固定辙叉心轨廓形参数化设计方法

为实现固定辙叉心轨廓形参数化设计,基于非均匀有理B样条(NURBS)理论,提出一种考虑固定辙叉心轨廓形几何特征的参数化设计方法。以60 kg/m钢轨12号固定辙叉为例,选取心轨关键控制参数轨顶横坡和复合圆弧段比例系数对心轨廓形进行方案设计,分析轨顶横坡和复合圆弧段比例系数对心轨廓形变化的影响权重;分析各方案下结构不平顺、轮轨接触点分布、轮对侧滚角以及滚动圆半径差等接触几何关系指标变化规律。研究结果表明:复合圆弧段比例系数对心轨粗壮度影响较大;随着心轨顶宽增加,轨顶横坡对心轨廓形影响权重逐渐增加;轨顶横坡越大,心轨轮载过渡范围逐渐后移,对心轨承力有利;当轨顶横坡为1/10,复合圆弧段比例系数为1/3(方案4)时,竖横向不平顺相对于各方案最小值增大2.06%和1.61%,但轮载过渡位置在距心轨理论尖端330~335 mm范围内,心轨承载断面宽度最大;复合圆弧段比例系数对滚动圆半径差和轮对侧滚角变化影响权重较轨顶横坡大,在横移量-8~+4 mm范围内,随着心轨顶宽增加,方案4中滚动圆半径差和轮对侧滚角最小。综合考虑各方案轮轨接触几何参数变化规律可知,方案4廓形参数选取较为合理。该方法可使心轨廓形设计更具有针对性和可预测性。

大断面矩形顶管重力锚固基础力学特性分析

随着顶管断面尺寸的不断增大,顶管工程对顶推力的需求也在逐步增大。由于滨海软土具有承载力低且压缩性高的特点,因此传统后座墙式的反力结构无法提供安全稳定的顶推反力,其已经不适用于该类地区的顶管工程。为此针对滨海软土地区的顶管工程创新性地提出了一种新型反力结构——重力锚固基础。采用三维有限元分析软件对顶管施工过程中的重力锚固基础进行模拟,研究重力锚固基础的力学特性。结果表明:顶推反力将会造成基础底板的局部应力集中与非均匀变形;重力锚固基础利用基础底板、凸榫、锚杆和复合地基的组合结构有效抵消了顶推反力,控制了基础底板的位移与变形;重力锚固基础会因基础底板的向上翘曲变形而损失摩擦力,需使用锚杆控制翘曲变形。相关成果对新型重力锚固基础的设计有重要参考价值。

轮缘槽宽度对固定辙叉轮轨关系影响研究

为明确固定辙叉轮缘槽宽度对辙叉区轮轨关系的影响,基于轮轨接触理论和车辆—道岔耦合振动理论,提出以轮载过渡断面等轮轨接触几何参数为主要评价指标的轮缘槽宽度优化方法,分析轮缘槽宽度对固定辙叉区轮轨接触几何关系和轮轨动力相互作用的影响。研究结果表明:在轮载过渡区,合理减小轮缘槽宽度可增大实际轮载过渡断面心轨轨头宽度且降低等效锥度发生突变几率;辙叉轮缘槽宽度变化对轮轨动力相互作用影响不大,各动力学指标幅值变化极小,进一步验证了以轮轨接触几何参数为主要评价指标的轮缘槽优化方法的可靠性。

四孔小净距隧道浅埋下穿高速公路施工力学特性

基于摩尔库仑破坏准则并结合数学优化方法,考虑夹层围岩应力、洞室变形及路基沉降等关键指标建立安全度综合评价方程,定量优化方案,并研究最优方案下考虑施工过程及支护效应的隧道施工力学特性。研究表明:先行的右车行洞与人行洞之间夹岩的应变贯通,车行洞覆土沉降呈漏斗状,仰拱出现隆起,且先行的车行洞塑性应变多集中于拱腰位置,后开挖的左车行洞拱顶下沉及侧向变形较大,可见先行隧道的卸载及应力释放效应不可忽略,施工中应注重对先行洞的中夹岩进行注浆加固,并对车行洞左拱脚设置锁脚锚杆、拱部注浆等措施;上台阶开挖时拱顶下沉和上覆路基沉降急增,下沉值超过总变形值50%,若围岩恶化或环境控制标准更严格,应考虑采用短台阶预留核心土法或双侧壁导坑法开挖;隧道上覆路基沉降呈非对称的“W”形分布,且后行的左车行隧道沉降较大,计算结果得到现场监测数据验证;管棚落脚处及与围岩接触面存在应力集中区,揭示大刚度管棚的应力传递作用,管棚的设置可有效降低拱顶下沉及路基沉降,保证了上覆路基总沉降值小于20 mm,满足设计要求。研究工作可为类似工程提供技术支撑及工程指导。

高速列车荷载作用下粗粒土填料累积变形试验研究

为揭示高速列车荷载作用下路基粗粒土填料的累积应变特性,构建室内单元模型试验系统,利用MTS模拟列车动载作用,开展5万次循环加载试验,获得了累积应变与加载次数的关系曲线,探讨动应力幅值、加载频率、降雨入渗量等因素对累积应变的影响。结果表明,在动应力幅值为25~200 kPa、加载频率为2~8 Hz的荷载作用下,粗粒土填料的累积应变在0.3%~1%之间,且随动应力幅值、频率的增加而增大。当加载频率超过6 Hz时,累积应变增加速率显著增大。降雨入渗导致粗粒土填料累积应变增加达1倍以上,且随着入渗量的增大,累积应变呈先急剧增大而后缓慢增加的趋势。根据试验结果提出粗粒土填料累积应变与加载次数的指数双曲函数预测模型,建立了模型参数与加载频率、动应力幅值及降雨入渗量的函数关系,利用试验数据验证了模型的合理性。研究结果可为高速铁路粗粒土路基工后沉降预测与控制提供参考。

地铁长联络通道双侧冻结温度场及地表冻胀变形研究

依托福州市地铁2号线某区间长联络通道为工程背景,对双侧冻结模式下,地层冻结温度场和地表冻胀的发展规律进行研究。温度场实测分析表明:地层的温度场发展可分为3个时期,积极冻结前期土体温度迅速下降,开挖区和非开挖区冻结壁的发展速度比约为1.0∶1.1;积极冻结后期受相变潜热影响,降温减缓;维护冻结期土体降温趋于稳定,但开挖区受施工干扰,温度有一定程度回升。利用ANSYS有限元软件,考虑土体的相变潜热建立有限元模型,与温度实测值进行对比,说明2种方法得出规律基本一致。地表冻胀监测研究表明:联络通道地表冻胀的关键区域为通道中部,其地表隆起值与增长速度均大于硐口处,最终隆起值约为硐口处的1.28倍,并对该区域的地表冻胀的发展以及所在断面的冻胀分布进行拟合,拟合结果与实测相符。

软土地层浅埋圆形隧道非达西渗流场解析研究

软土在低水力坡降下的渗流会偏离达西定律,即为非达西渗流模式。假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,采用镜像法原理推导了浅埋单孔和双孔圆形隧道非达西渗流场的解析解。结合算例,对浅埋圆形隧道非达西渗流解析解与达西渗流解析解进行了对比分析与验证,并对非达西渗流指数、隧道周围土体与衬砌渗流系数比值对隧道渗流场的影响进行了讨论。结果表明:非达西渗流指数、渗流系数比值对隧道渗流量和周围土体孔压均有较大的影响;随着渗流指数逐渐增大,土体内水头损失加快,隧道周围土体孔压及渗流量逐渐减小;随着土体与衬砌渗流系数比值逐渐增大,衬砌排水能力增强,隧道渗流量逐渐增大,隧道周围土体孔压减小更大。

考虑颗粒破碎效应的粗粒土填料累积变形试验研究

循环动力荷载作用导致粗粒土填料颗粒破碎,影响其工程特性。为揭示高速列车荷载作用下粗粒土填料的颗粒破碎及其累积变形特性,采用MTS加载系统模拟列车对粗粒土填料的动载作用,分析动应力幅值、加载频率和振动次数对颗粒破碎宏细观特征的影响。利用不均匀系数定义颗粒破碎量度指标,提出考虑颗粒破碎的粗粒土填料累积应变计算模型,探讨颗粒破碎量度指标与动应力幅值、加载频率及振动次数的关系。结果表明,在列车荷载作用下粗粒土填料的颗粒破碎方式以破裂、研磨为主。各粒组含量的变化值、不均匀系数均随动应力幅值、加载频率、振动次数的增加而增大。在动应力幅值为10~200 kPa、作用频率为2~12 Hz的荷载作用下,粗粒土的颗粒破碎量度指标为0~0.4,累积应变在0.1%~1.0%之间。

高速铁路路基粗粒土填料颗粒破碎演化特征研究

为揭示高速铁路路基粗粒土填料颗粒破碎过程,构建室内单元模型,模拟粗粒土填料填筑和列车荷载作用过程,重点探讨动应力幅值、加载频率及降雨入渗强度等因素对颗粒破碎的影响。利用2个颗粒破碎度量指标分析粗粒土填料的颗粒破碎过程。研究结果表明:粗粒土填料在填筑时,颗粒破碎方式以破裂、破碎为主,在动力循环荷载作用下,颗粒破碎方式以破裂、研磨为主;破碎指标B_(g),ΔD随动应力幅值、加载频率的增大而增加,随降雨入渗强度的增加呈先增大后减小的趋势;粗粒土填料破碎后,粒径分布具有良好的分形特性,且分形维数D与颗粒破碎指标B_(g)存在良好的线性关系。利用试验结果建立了动力循环荷载作用下粗粒土填料破碎指标ΔD与累积应变ε的关系表达式。

水泥改良土地层联络通道冻结温度场分析

地铁工程联络通道施工中,人工冻结加固土层的温度场研究目前大部分还是集中在天然土层方面,对水泥改良土地层中冻结温度场的发展与特性研究较少。文章系统研究水泥改良对联络通道地层冻结温度场的影响,建立联络通道冻结开挖三维数值模型,考虑导热系数、比热容、相变潜热等影响因素,综合实测数据以及试验,对天然土层以及水泥改良土层中冻结温度场的发展和分布规律进行分析,研究结果表明:相比于天然淤泥质土地层,水泥改良土冻结温度场发展速度更快,但冻结效应稍差,积极冻结期的前33d,冻结温度场发展较为迅速,相邻冻结锋面相交后,温度场发展速度开始下降。水泥改良后,土层冻结温度场的发展对导热系数的变化最为敏感,比热容的变化次之,相变潜热变化的影响十分微小。研究成果表明:人工冻结配合水泥改良对淤泥质土地层具有显著的加固效果。

螺纹桩复合地基桩土应力比模型试验与数值模拟

螺纹桩复合地基尚属一种新型地基处理方法,由于螺纹结构的存在,其与桩周土的相互作用特性暂未得到系统化研究,相关计算理论仍处于探索性阶段。因此,有必要通过模型试验与数值模拟手段了解螺纹桩复合地基的工作状态。鉴于此,基于室内缩尺模型试验与ABAQUS数值仿真,开展单桩静载试验与复合地基承载试验,分析填土荷载作用下螺纹桩复合地基桩土应力比的变化规律,并讨论螺纹结构参数对桩土应力比的影响。借助ABAQUS构建不同结构参数的螺纹桩复合地基仿真系统,通过2个无量纲参数h/d(螺纹间距/螺纹桩内径)和w/d(螺纹宽度/螺纹桩内径)分析螺纹桩几何尺寸对桩土应力比的影响规律。研究结果表明:螺纹桩的极限承载力是普通桩的1.41倍;荷载较小时,螺纹桩与桩间土共同受力(桩土应力比约为1.0),随着填土荷载的增加,桩土应力比逐渐增大,最终趋于稳定;桩土应力比随h/d的增加先增大后减小,随w/d的增加而增大,存在最优螺纹间距使桩土应力比达到最大值。研究成果可为螺纹桩复合地基的设计提供技术指导。

考虑悬链线效应的RC框架结构鲁棒性分析

为了充分反映结构的抗连续倒塌能力,文中基于能量原理,将结构倒塌时消耗能量与屈服时消耗能量之比定义为考虑悬链线效应的结构鲁棒性指标。首先进行一榀1/2缩尺的RC平面框架的连续倒塌试验,得到了具有双峰值点的荷载-位移曲线。基于试验数据对有限元模型进行验证与校准。进一步建立了18个RC平面框架结构数值分析模型,研究了中柱失效、边柱失效及不同梁底部纵向钢筋配筋率、顶部纵向钢筋配筋率等对考虑悬链线效应的结构鲁棒性影响规律。分析结果表明,由于边柱失效的结构无法发挥悬链线效应,鲁棒性较差;而中柱失效后的结构,由于其存在悬链线效应,结构表现出了更好的鲁棒性。结构鲁棒性系数随着梁底部钢筋配筋率的增加而降低,随着梁上部钢筋配筋率的增加而提高,梁上部钢筋配筋率显著影响结构的鲁棒性。本文提出的基于能量的考虑悬链线效应的结构鲁棒性计算方法,为RC框架结构抗连续倒塌设计提供了理论支持。

超长联络通道冻结温度场发展规律及其对隧道变形的影响

为获得超长联络通道冻结过程对盾构隧道及周边地层的影响,以福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间冻结联络通道为工程背景,采用ANSYS有限元软件对长65.8 m的超长联络通道、盾构隧道及周边土层在双侧冻结过程中的温度场及位移场进行分析。结果表明:在积极冻结期前21 d,冻结管交叉区域的冻结壁扩散平均速率快,达到57 mm/d,后29 d平均速率只有27.6 mm/d;积极冻结期喇叭口附近区域存在宽10 m、高2.5 m的变形集中区,对地面产生变形影响最大;冻结对盾构隧道拱肩水平位移和拱脚竖向变形具有显著的影响,积极冻结期结束,拱肩的水平位移比盾构隧道右侧墙大85%,拱脚竖向位移比拱顶大45%。同时,结构变形及变形增长速率随冻结时间增加而增加。因此,建议应合理控制积极冻结时间及冻结方式,以确保建(构)筑物的安全。

液氮冻结加固冻结管内换热机制及对流换热系数研究

液氮冻结加固是通过液氮在冻结管内沸腾吸热和对流换热来降低环境土层温度,快速冻结土层中水分形成具有支护效果的冻结帷幕。但相较于传统的盐水冻结技术,液氮冻结温度极低,温度场分布不均匀,影响冻结效果的因素更多,对液氮冻结过程热交换的研究较少。依据对流换热理论,分析了管内冻结能量交换过程,计算了液氮吸热的对流换热系数,模拟了液氮冻结温度场特征,并结合现场实测数据对液氮对流换热系数进行反传热分析,降低了对流换热系数计算误差。研究结果表明:液氮吸收热量的方式主要是液氮沸腾吸热以及低温氮气对流换热;以对流换热理论及其换热系数为基础的液氮冻结温度场模拟需要考虑换热系数随冻结时间和冻结深度变化,常量换热系数无法精确反映对流换热全过程,将导致积极冻结期与维护冻结期内温度下降趋势与实测情况、模拟温度与实测温度均产生差异,计算的温度场整体温度偏低;将冻结时间划分为16个时间段,冻结空间划分为4个区域,对换热系数进行非均匀性修正,使换热系数成为随冻结时间与空间变化的变量,不仅符合实际而且减小了误差,更契合工程实测数据。研究成果可为类似液氮冻结工程提供理论依据和技术参考。

厦门市海积淤泥水泥土力学性能试验研究

为探索厦门市海积淤泥水泥土工程特性,根据土体物理力学性质指标制定了水泥土配比方案,采用无侧限抗压试验与直剪试验获得了水泥土力学参数,分析了含水率、龄期与水泥掺入比对水泥土力学特性的影响。结果表明:当海积淤泥初始含水率为45%~65%、水泥掺入比为9%~21%时,水泥土无侧限抗压强度为0.46~5.38 MPa,内摩擦角为13.61°~41.99°,黏聚力为65.8~787.25 kPa;含水率55%是水泥掺入比对水泥土强度影响程度的分界线;当水泥掺入比低于18%时,水泥土的抗压强度与黏聚力近似呈线性增大,且初始土体含水率45%的水泥土强度增长速率大于含水率55%与65%;当水泥掺入比大于18%时,强度指标增长速率降低。在试验结果基础上,提出了一种适用于厦门市海积淤泥水泥土的无侧限抗压强度预测公式。

基于承载特性的群洞稳定性及初期支护优化研究

以福建某下穿高速公路大跨四孔小净距隧道(中间两孔车行隧道为双向八车道)为依托,开展考虑各洞室承载特性的整体优化研究以实现更科学的设计。基于强度折减极限理论方法,结合围岩变形、中夹岩塑性区发展及洞室破坏过程,综合评价各洞室稳定性,探讨群洞失稳判定方法及破坏模式;基于各洞室等强设计思想,通过数学函数模型拟合各洞室安全系数与初期支护厚度隐含关系,基于遗传算法对支护厚度进行优化。结果表明,随强度折减系数增大,围岩塑性区由近及远发展并贯通,大跨车行隧道与人行隧道安全储备不同,存在优化空间;结合各洞室稳定性及破坏发展过程,总结提出中夹岩塑性区贯通破坏、拱脚及地表塑性区贯通破坏以及上述两者共同作用破坏的三种群洞隧道主导破坏模式。计算结果表明,人行隧道及车行隧道初期支护厚度可减少4~12 cm,存在16.7%~26.7%不等优化空间。优化方案、原方案典型断面变形、应力与现场实测值一致性好,且均小于规定值,结构是稳定的,表明优化后的支护与围岩能较好协同作用,验证了计算方法及优化方案的合理性。这种综合考虑各洞室承载特性、支护参数经济性及群洞整体稳定性的优化方法,更好地处理了工程安全及工程造价之间的辩证关系,相比传统工程类比法更具科学性。