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。

地震作用下双层土质边坡稳定性上限分析

为探究地震作用对双层土质边坡稳定性的影响,基于极限分析上限理论,建立了地震作用下双层土质边坡旋转破坏机构。采用拟静力法简化地震荷载作用,推导了双层土质边坡安全系数表达式。分析土体黏聚力比、边坡坡角以及地震作用对双层土质边坡稳定性及其滑动面参数的影响。研究结果表明:在水平地震作用下,随着黏聚力比的增大,边坡安全系数呈非线性增大且潜在滑动面变浅;当水平地震作用增强时,边坡失稳破坏范围显著加大;随着竖向地震系数及黏聚力比的增大,边坡安全系数略微降低;水平地震作用增强时,竖向地震作用对边坡稳定性的影响逐渐增大,此时需要考虑竖向地震的影响。

浅埋煤层群上下层位土层与基岩层协同隔水稳定性研究

浅埋煤层顶板突水是由于导水裂隙带贯穿隔水层而引起的,随着煤层群的下行开采,土层与基岩层的协同隔水机理亟待明确。为了分析隔水土层在煤层群下行开采工程背景下的破坏机理,以便准确预测煤矿顶板突水问题,以陕北神府矿区韩家湾煤矿2−2、3−1和4−2煤下行开采为研究背景,通过原位钻孔取心试验得出不同埋深的隔水土层性质的差异;通过建立上层位隔水土层渗透扩展力学模型来描述裂隙发育形态;采用土−岩复合隔水层力学模型,在“给定变形”条件下计算下层位隔水土层处于整体稳定状态时的力学判据。研究表明,隔水土层根据其性质不同可以分为上层位隔水土层和下层位隔水土层;通过比较总载荷与上层位隔水土层抗拉强度的大小,当总载荷小于等于上层位隔水土层抗拉强度时裂隙不再向下发育从而得出裂隙发育长度;在“给定变形”条件下,当下层位隔水土层长边中部位置处产生的拉应力小于或等于拉伸强度阈值时,下层位隔水土层整体结构处于稳定状态,不会产生拉伸破坏;根据韩家湾煤矿地质情况进行数值模拟,模拟结果与理论分析结果相吻合。研究可为相似地质条件下顶板突水预测提供参考。

临坡双层粘土地基极限承载力的上限分析

在现有研究基础上,结合临坡条形基础双层粘土地基临近边坡的非对称性特征和层状地基特征,构建出临坡条形基础双层粘土地基的多滑块组合单侧滑移破坏模式;根据速度相容关系和速度三角形闭合条件,确定出多滑块离散模式相对应的机动允许速度场;引入上限极限分析理论,导出临坡条形基础双层粘土地基极限承载力计算模型,在此模型上采用序列二次规划算法进行优化求解,建立了临坡条形基础双层粘土地基极限承载力确定方法.利用Matlab的符号运算功能和优化函数编程计算进行实例分析,并与有限元数值计算结果进行对比分析,表明了本文研究方法的可行性与合理性.

双层地基极限承载力的极限分析上限法

极限分析方法已广泛应用于岩土工程稳定性分析中,目前已有很多学者探讨了极限分析上限方法计算均质土地基极限承载力问题,事实证明该方法是卓有成效的。而实际中常遇到的是层状地基,特别是持力层范围内主要有两层土的情况,对于双层地基极限承载力的计算,目前的研究还相当不成熟。将一种新的多块体离散模式的上限方法应用于双层地基极限承载力的计算,详细探讨了该多块体离散模式应用时相容速度场的确定方法。并应用该方法对一些双层地基土极限承载力问题进行了计算,将计算结果与已有计算方法做了对比,通过对比可以验证该方法是正确和有效的。

考虑填料与土地基差异性的填方边坡稳定性上限分析

考虑到填方边坡中填方部分填料与地基土体力学特性存在差异性,表现出明显的"两层土结构"特征,基于上限法推导适用于填方边坡稳定性计算式,并通过与已有的研究成果进行对比分析。同时,分析土体黏聚力比、内摩擦角以及边坡坡度对填方边坡稳定性及其滑动面参数的影响。研究结果表明:本文计算式所得稳定性系数Ncr更小,验证了所推导的即计算式的可靠性;随着黏聚力比增大,滑动面出口角度β′、临界高度Hcr与比黏聚力比为1时的临界高度Hcr0之比(即Hcr/Hcr0)均呈非线性增大,β′最后稳定在边坡坡度;内摩擦角、边坡坡角对Hcr/Hcr0的影响与黏聚力比有关,即地基土与填方填料的差异性明显影响填方边坡稳定性及其滑动面形状;地基土强度提高可使地基所需加固深度降低。研究成果可为填方边坡填料选取、地基加固设计提供参考。

上层土壤密度对模拟指流层状土壤水分入渗的影响

通过室内模拟指流,利用回归分析法进行分析,建立了以上层土壤密度为参数的Kostiakov和Philip模型对模拟指流的层状土壤入渗的改进模型,并进行了验证。结果表明,入渗时间相同时,累积入渗量随着上层土壤密度的增加而减小;Kostiakov和Philip模型都适合于模拟有指流产生的层状土壤的入渗,其相关系数都在0.99以上;建立的2个改进模型其计算精度都很高,效率系数分别为97.7%和97.6%。相比而言,Philip模型具有一定的理论依据,可以作为层状土产生指流入渗的有效模型。

土壤表层与深层元素含量比值系数研究

通过研究元素含量在土壤表层和深层的比值,可以了解土壤表层元素含量的富集特征、成因和对环境的影响.将土壤中部分元素表层含量与深层含量进行了对比,统计、研究了比值系数及其分布特征,并对元素Cd区域性富集特征进行了探讨.指出成土母岩、元素化学特性、pH值、人类活动等对土壤中元素含量的富集具有重要的影响作用,应以地质、地球化学、人类活动等综合因素来研究土壤中元素含量的变化.

疏勒河上游地区植被物种多样性和生物量及其与环境因子的关系

物种多样性与生物量及其环境因子的关系是生态学和环境科学领域的热点问题,而多年冻土退化的生态效应是冰冻圈科学研究的重要内容之一。因此,本研究以疏勒河上游地区21处试验样地的9种类型植被为对象,初步分析物种多样性和群落盖度、生物量及其同海拔梯度、土壤理化性质和多年冻土区活动层厚度的关系。结果表明,物种多样性与群落盖度、生物量存在显著的"单驼峰型"关系,同海拔梯度关系满足"中度膨胀"理论。另外,0～40 cm深度土壤中有机质和全氮含量高,速效养分含量适中,而pH值、全钾和全磷低,则使植被群落盖度升高、生物量增加,物种多样性表现出先增加后减少的趋势,而具有高饲用价值的莎草科类植物增多,杂草类植物减少。定量分析表明,多年冻土退化,活动层厚度增加,土壤pH值升高,有机质、全氮、速效磷和速效氮含量明显降低,全钾和速效钾含量增加至一定程度后减少;从而导致植物组成由湿生型逐渐向中旱生乃至旱生型转变,植被类型由高寒沼泽草甸演替为高寒草甸、黑土滩及高寒草原,最终成为沙化草地,群落盖度不断降低、生物量不断减少;功能群类型中高饲用价值的莎草科类植物不断减少,而禾本科、豆科及杂草类植物先增加后减少,致使物种多样性同样表现出先增加后减少的变化趋势。

我国河流湖泊砷污染研究进展

对我国14个省27处河流湖泊砷污染现状进行了归纳,认为我国河流湖泊砷污染严重,大部分水系中砷含量超过世界淡水砷背景值,最高达到1.9mg/L;水体表层底泥中砷含量范围为4.0～980.6mg/kg,44.5%的水体底泥属于中度及以上砷污染水平,矿业活动是导致砷污染的重要原因之一。在分析河流和湖泊中砷存在形态的基础上,简要探讨了砷的迁移转化过程及影响因素,我国水系表层沉积物中的砷以残渣态为主。比较了6种水体除砷方法,认为土壤法处理云南砷污染地表水更符合廉价、高效的原位修复技术要求。认为未来应加强对沉积物中砷形态的研究,并对河流和湖泊等地表水中砷的迁移转化做出系统的解释。

关于“暗绿色硬土层”研究的讨论

根据多年来对本专题的研究,提出了目前沿海平原地区在“暗绿色硬土层”的第四纪地研究和岩土工程勘探中应着重解决的几个问题及倾向性意见,对新版上海岩土工程勘察规范中的有关内容进行了讨论,指出随着当代工程建筑规模的发展,研究工作的重点应转向硬土层下埋藏更深的桩基持力层。

基于DPDM技术的上覆硬土层软土地基变形场分析

通过室内双层地基模型试验,对双层地基上部硬土层在不同强度和厚度条件下的承载性能进行了研究,并拍摄数码图像分析了双层地基的变形场.利用无标点数字图像量测技术(DPDM)对双层地基变形的数码图像进行变形场分析,通过网格图的变形分析,土体的初始变形出现在下部软土层中,随着荷载的增大,网格的变形区域逐渐向上部硬土层及软土层下部发展,同时向水平方向扩展;双层地基破坏模式为冲剪破坏.研究内容为双层地基承载力计算和提高地基处理效能提供了依据.

黄河上游退耕地人工林的碳储量研究

黄河上游地区10～27 a的退耕地人工林,其植物体、枯落物层和土壤层的碳密度平均为111.3、5.1和164.9 t/hm2,分别占同一地区天然次生林的28.6%、13.8%和61.0%.植物体、枯落物层和土壤层3个层次所占总碳密度的比例,对于退耕地人工林来说为39.6:1.8:58.6,而天然林为57.4:2.7:39.9.退耕地人工林的植物体和枯落物层碳密度均随林龄的增加而呈幂函数增长趋势.这2部分在总碳密度中所占比例随林龄而逐步提高.退耕地人工林目前的总碳密度平均为281.2 t/hm2,相当于同一地区天然次生林总碳密度677.4 t/hm2的41.5%,但年均碳密度却高达15.2 t/(hm2·a),较天然次生林的13.6 t/(hm2·a)提高了11.7%;与全国20世纪90年代中期(1994-1998年)人工林的年均碳密度1.95 t/(hm2·a)相比,提高了6.8倍.黄河上游退耕地人工林较天然次生林及荒山人工林具有更强的生长及碳储量优势.总之,科学有序的退耕还林工作,对于形成碳汇、减轻温室效应具有非常重要的意义.

基于RZWQM模型的石羊河流域春小麦灌溉制度优化

为探讨石羊河流域春小麦适宜灌水上限及不同生育期计划湿润层深度,在该地区开展田间试验。利用田间试验资料对RZWQM(root zone water quality model)模型进行率定和验证,并应用模型模拟了灌水上限及不同生育阶段计划湿润层深度对春小麦籽粒产量、灌水量、籽粒灌溉水利用效率及灌水次数的影响。结果表明:不同灌水处理间产量差异较小,但所需灌水量有较大差异,存在节水空间;灌水上限对于灌水量的影响要远远大于对产量的影响,灌水上限的降低会增加灌水次数,从而提高小麦产量;适宜的计划湿润层深度可以保证灌溉水尽可能多的分布于根系吸收范围内,避免浪费,达到节水目的;试验证明,通过调控灌水上限和各生育期计划湿润层深度可以达到节水增产的目的。综合考虑各控制因素对产量、所需灌水量及籽粒灌溉水利用效率的影响,建议该地区春小麦灌溉制度为:灌水上限选择80%田间持水量,苗期计划湿润层深度为30 cm,拔节期计划湿润层深度为60 cm,抽穗期计划湿润层深度为50 cm,灌浆期计划湿润层深度为70 cm。

探讨富集因子背景值的选择

为探讨富集因子(EF)背景值的选择,利用黑龙江省甘南县大气降尘重金属元素数据,分别选用黑龙江省A层土壤环境、平均大陆地壳、大陆上地壳为背景,计算Cr、Mn、Ni、Pb、As、Cu、Zn的EF值.研究表明,采用平均大陆地壳和大陆上地壳元素丰度作为背景值时,Pb、Zn、As等元素的EF均值大于2,元素富集一定程度上与人为输入作用有关;采用黑龙江省A层土壤作为背景,As元素EF均值小于2,元素在大气中的富集主要为自然输入;通过相关性分析,As与Cr、Mn、Ni、Cu同为自然源,结果与选用黑龙江省A层土壤为背景时判别结果较一致.本文认为,导致不同背景值取得的EF值差异较大的原因为自然条件下元素的富集和亏损,采用区域土壤元素背景值能够较为准确地判断大气降尘中元素的主要来源.

海上风机单桩基础桩形影响因素分析

[目的]随着大直径单桩基础建造与施工能力的日益进步,单桩基础型式的应用正向更大水深发展,需要研究深水海域单桩基础不同桩形的优缺点,为同类工程提供参考。[方法]按高中低三种锥段位置,对广东阳江某海上风电场的单桩基础机位参数进行分组统计,分析其中的桩形选用规律。[结果]分析表明:高锥段大桩径设计会导致风机疲劳荷载偏高,机位浅层土中砂土和黏土的比例及具体力学指标决定了最佳桩形的锥段位置。[结论]通过对比研究:发现降低锥段是降低大桩径机位疲劳荷载的最佳方法,砂土含量高且内摩擦角较大的机位可通过提高锥段减小桩径,而黏土含量高地质偏软的机位则适用较低锥段的桩形。提出用单桩最优解的泥面刚度矩阵行列式大小来衡量机位的地基刚度水平,并分析了地基刚度水平与基础钢料量的关系。

抚河上游生态公益林4种森林类型枯落物层和土壤层水文效应

对抚河上游生态公益林4种森林类型枯落物层和土壤层的水文效应进行了初步研究。结果表明:(1)4种森林类型枯落物现存量的变化范围为2.9~5.96 t·hm-2,其中杉木林枯落物的现存量最大,针叶混交林最小;4种森林类型枯落物最大持水率表现为毛竹林>针阔混交林>针叶混交林>杉木林;(2)4种森林类型的土壤容重表现为针阔混交林>竹林>针叶混交林>杉木林,回归分析表明:森林土壤的最大持水量(y)与容重(x1)、非毛管孔隙度(x2)、毛管孔隙度(x3)和石砾体积含量(x4)有显著的线性关系(P<0.01),表现为y=704.328-518.829x1+2.784x2+7.697x3+2.787x4(R2=0.883);土壤有效蓄水量中,针阔混交林(434.97 t·hm-2)>竹林(397.40 t·hm-2)>针叶混交林(380.05 t·hm-2)>杉木林(328.05t·hm-2);(3)针阔混交林和竹林的枯落物层和土壤层的综合水源涵养能力优于针叶混交林和杉木林,建议加强对针阔混交林和竹林的保护,提高森林生态系统在涵养水源、保持水土方面的生态功能。

修河上游流域4种森林类型的水源涵养功能评价

为定量评价修河上游流域森林生态系统的水源涵养功能,对流域内4种主要森林类型(杉木林、马尾松林、阔叶林、毛竹林)枯落物层和土壤层的结构、持水性能进行了研究。结果表明:(1)4种森林类型枯落物现存量的变化范围为3.50~5.99t/hm^2,其中杉木林枯落物的现存量最大,毛竹林最小;枯落物最大持水量表现为阔叶林>马尾松林>杉木林>毛竹林,说明阔叶林的枯落物层比针叶林和毛竹林有更大的水源涵养能力;(2)4种森林类型的土壤容重表现为马尾松林>杉木林>毛竹林>阔叶林,表明4种森林类型中,阔叶林更有利于改善土壤结构;土壤水源涵养能力表现为毛竹林(376.50t/hm^2)>阔叶林(373.17t/hm^2)>马尾松林(213.50t/hm^2)>杉木林(186.42t/hm^2);(3)林分枯落物层和土壤层的综合水源涵养能力表现为毛竹林>阔叶林>马尾松林>杉木林。结果说明修河上游流域阔叶林、毛竹林的水源涵养功能优于针叶林,建议加强保护阔叶林和毛竹林,适当改造针叶林,以提高当地森林生态系统的整体水源涵养能力。

上盖单塔框架结构时大底盘地铁车站的地震响应

以某上盖6层框架结构的大底盘地铁车站工程为研究背景,基于有限元软件Midas GTS-NX,建立土体-大底盘地铁车站及其上盖单塔框架结构体系的三维数值模型,分析上盖框架结构对大底盘地铁车站结构地震动力响应的影响。结果表明:在输入地震动作用下,上盖框架结构的存在增大了地铁车站结构的内力,且上盖结构层数越多,内力增幅越大;车站柱子与上盖框架结构相距越近,其弯矩幅值越大、剪力幅值越小;车站柱子横截面弯矩幅值沿柱高方向呈近似"W"形分布,车站顶板和底板弯矩幅值沿车站横向均呈锯齿状分布,但底板弯矩极值分布较均匀,车站侧墙最大弯矩发生在底部区域;车站发生的变形仍为剪切型,上盖结构的存在只改变其相对位移峰值大小,而未改变其变形模式;车站柱子的振动峰值加速度自下而上逐渐增大;对大底盘地铁车站及其上盖结构体系中的地下结构进行抗震设计时,无须考虑上盖结构对地下结构惯性力改变的影响。

冻土层上限下移对桥梁桩基轴向承载性能的影响分析

在气候变暖和人类活动的共同作用下,多年冻土层上限逐渐下移。现依托青海某高速公路上的一座中桥,在不同冻土层上限位置方案下对其桩基轴向承载性能进行数值模拟,通过将模拟计算出的桩基轴向承载性能指标进行对比分析,得到多年冻土区桥梁桩基轴向承载性能指标随冻土层上限下移的变化规律。其成果可为多年冻土区桥梁桩基的设计、施工与加固处理提供一定参考。