隧道及地下工程光面爆破技术研究现状与展望

在收集整理国内外相关资料的基础上,从光面爆破机制、光面爆破参数、光面爆破控制管理等方面分析了隧道及地下工程光面爆破技术研究现状,提出了隧道及地下工程光面爆破技术存在的问题,对隧道及地下工程光面爆破技术的发展趋势进行了探讨,指出发展智能优化控制决策管理技术,制定光爆质量评定指标体系与技术标准,定量分析光爆开挖进尺与安全步距,开发基于无线网络技术的光面爆破智能优化控制管理决策系统,实现光面爆破的标准化、定量化、数字化、智能化与自动化是未来发展的方向。

大型地埋管群地源热泵三维传热-渗流耦合模拟

为确定地下水渗流对大尺度、多分支埋管集群地源热泵系统换热区温度场和换热特性的影响,基于上海天文馆880个地埋管地源热泵场地,建立考虑地下水渗流和地质分层的三维传热-渗流耦合模型,并利用现场热响应试验对模型进行验证。结果表明:渗流作用引起管群内和支管群之间沿地下水流动方向发生温度干扰,89.5~120.3 m埋深范围内的温度干扰现象相对明显;地下水渗流有利于提高管群的换热总量,缩小夏季和冬季工况的换热量差距;换热量增加百分比随水力梯度的增加而增大,两者呈对数函数关系,当水力梯度大于0.005时,换热量增加百分比趋于平稳。

上海土体小应变硬化模型整套参数取值方法及工程验证

小应变硬化(HSS)模型能较合理考虑土体小应变阶段的非线性、应力相关等特性,在隧道和基坑开挖等变形数值计算中得到了广泛的应用,但目前对模型整套参数的合理取值尚缺乏系统地研究。剖析了HSS模型各参数的意义和对应的试验方法,并基于大量室内和现场试验数据建立了上海土体HSS模型主要参数与土体孔隙比的经验关系,为实际工程利用勘察报告方便且较准确地确定HSS模型参数提供了合理途径。通过多个深基坑工程的数值分析表明,采用现场试验确定的小应变初始剪切模量时,围护墙水平位移计算值和实测值基本吻合,表明提出的上海土体HSS模型整套参数取值方法有很好的普适性和工程实用价值,也为其他地区建立类似的HSS模型参数取值方法提供了借鉴。

考虑温度作用的岩石统计损伤本构模型及验证

为了预测和评估深部高温岩体的稳定性,运用理论推导的方法研究温度作用下(后)岩石的本构关系。首先,基于已有的岩石统计损伤本构模型,考虑温度对岩石损伤变量的影响,引入了损伤变量修正系数、损伤起裂应力和起裂应变等参数;其次,假设微元体强度服从幂函数分布,并符合Hoek-Brown(H-B)强度准则,针对统计损伤本构模型无法反映峰前较强的微裂纹压密效应的弊端,引入了相应的模型修正系数;再次,建立了考虑温度作用的岩石统计损伤本构模型,并确定了模型参数的表达式;最后,对比不同温度作用下(后)的花岗岩在单轴和常规三轴压缩试验条件下所得的结果与文献中模型的计算结果,验证本文模型的准确性。研究结果表明:所提出的模型的计算结果与文献的试验结果在数值、分布规律和趋势上具有良好的一致性;对于全过程σ-ε曲线的各阶段,本文模型的计算效果较文献中本构模型计算效果更好,与试验曲线的贴合度更高,能够更好地反映高温作用下(后)岩石的损伤本构特征。该模型的参数具有常规性,适用于各类温-压组合作用工况下的岩石。

基坑工程风险管理研究进展

基坑工程的建设中面临很大的和众多的风险。针对基坑工程建设中的特点,阐述了基坑工程风险管理理论目前的国内外研究进展。并从风险事故发生概率和损失两方面,详细分析了基坑工程风险管理重点环节——风险评估的研究进展。对当前实施基坑工程风险管理中存在的主要问题以及基坑工程风险管理研究的发展等进行了讨论。

国华通辽风电场三期工程梁板式桩筏基础性状数值分析

风力发电作为发展最快的新型能源之一,得到越来越多的关注,耦合荷载作用下风机基础的优化设计成为一个重要的问题。首先对商业有限元的计算精度以及对耦合荷载的模拟能力进行验证,在该基础上对国华通辽风电场梁板式桩筏基础进行模拟分析,重点讨论在耦合荷载作用下梁板式基础管桩、肋梁和环梁的受力和变形特性,并将有限元计算得出的基础构件内力与规范设计方法计算结果进行对比分析。与此同时,分析风机基础桩土分担比,研究耦合荷载作用下土体的承载作用。计算结果可为实际工程的设计提供参考依据。

地下结构对地下水渗流场水位改变的数值分析

地下结构抗浮设计中浮力往往采用静水压力进行计算,当存在渗流情况时,往往需要采用流网法或者有限元方法进行分析,缺乏较为简单实用的方法,特别是在分层土体中。且原渗流场往往受到结构影响会产生改变。针对考虑渗流情况下地下结构抗浮计算较为困难的问题,开展数值模拟分析,分析地下结构埋深、尺寸对结构周边渗流场的影响,建立考虑渗流条件下结构周边水头的简化修正公式,修正渗流条件下静水浮力的计算。

颗粒材料各向异性弹性波速与微观组构CT试验研究

针对颗粒材料的各向异性力学特征,利用带有两对弯曲元波速传感器的GDS圆柱扭剪仪,从宏观上研究了不同应力条件下聚氯乙烯颗粒试样中不同方向压缩波和剪切波的波速特征及波速各向异性程度的演化规律。同时,结合X射线CT扫描技术重构试样的三维结构模型,提取了接触配位数、接触法向、颗粒长轴方向等微观组构参数,并分析了其随应力状态改变的变化规律,从微观层面揭示了宏观波速各向异性演化的内在机理。研究结果表明:等向固结应力条件下,试样中波速呈现出显著的初始各向异性,即水平向波速大于竖向波速,与颗粒长轴分布对波速的影响程度大于接触法向有关;在水平向应力不变的不等向固结应力条件下,竖向波速随竖向与水平向应力比的增加而增加,水平向波速则随应力比增加先保持不变后减小,波速的减小与接触配位数的降低有关。同时,随应力比增加,应力修正后竖向波速与水平向波速的比值先基本不变后逐渐增加并趋近于1.0,这与颗粒长轴及接触法向各向异性的演化有关。

分离式霍普金森压杆在岩石力学实验中的应用

分离式霍普金森压杆(SHPB)是材料中高应变率行为测试设备之一。在岩石力学教学中引入SHPB实验可以让学生深入了解岩石的动力学性质,为以后的学习打下基础。首先介绍了SHPB实验的基本原理,接着详述了SHPB实验的特点和实验教学中存在的问题,指出目前实验中存在的主要问题是学生不理解实验的基本原理以及实验的参与性差。提出了在岩石力学实验教学中,应加强SHPB设计原理的讲解,着重进行岩石强度的率相关性实验、开展节理岩体的动力性质有关实验,并在实验教学中引入数值模拟技术,此外还可以开展创新性实验研究。采用这种分阶段的教学模式,不仅能使学生了解岩石动力学的基本理论,同时也向他们介绍SHPB实验的相关前沿,更好地培养学生的创新能力。

江苏大丰海域海洋土HSS模型主要参数试验研究

小应变硬化土(hardening soil with small strain stiffness,HSS)模型能反映土体在小应变范围内的非线性,广泛应用于土工变形分析。海上风电基础对变形控制要求高,需考虑土体的小应变特性。通过固结试验、三轴固结排水试验、三轴固结排水加卸载试验与共振柱试验,获得了江苏大丰海域海洋土HSS模型主要参数,并建立了HSS模型相关模量参数与土体物理参数之间的关系。试验成果可为海洋土HSS模型分析及参数取值提供重要参考,具有一定的工程价值。

承压水越流对地下结构浮力影响试验研究

针对承压水地层中地下结构受到浮力预测不准确的问题,开展存在地下结构的土层中竖向渗流模型试验,考察不同环境中的承压水渗流对地下结构的浮力影响。主要探讨不同水力梯度下均质土层中竖向渗流及承压水向上穿越弱透水层渗流时,所产生的孔隙水压力变化规律及其对地下结构的浮力的影响特点。试验表明:存在渗流时,土中孔压分布和地下结构浮力与静水压力不符;均质土中竖向渗流时,孔压和浮力较同深度理论值的提升比例与竖向水力梯度成正比;承压水在上覆弱透水层中渗流时,弱透水层中孔压和浮力的提升比例要大于强透水层,且土分层界面处孔压和浮力的提升比例最大,约为2倍的水力梯度。

实验研究砂岩的三轴流变特性及其本构

本文对取自雅砻江锦屏二级电站的砂岩开展三轴压缩流变实验,并分析了实验数据,得到不同偏应力条件下砂岩轴向应变、侧向应变、轴向应变率和侧向应变率随时间的变化规律。并用Burgers体来反映瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段的蠕变,进行了参数辨识,为工程围岩长期稳定性分析提供理论基础。

岩石动力特性的SHPB实验方法探究

为培养卓越人才,在岩石力学实验教学中,需加强学生对岩石动力学特性的理解与认识。分离式霍普金森压杆(SHPB)是岩石中高应变率行为测试设备之一,在岩石力学教学中引入SHPB实验可以让学生深入了解岩石的动力学性质,并为以后的科研与工作打下基础。SHPB实验的开展,加深了学生对岩石动态压缩和动态拉伸性质的了解,激发了他们的学习兴趣。论文首先详细介绍了SHPB装置的构成与实验原理,接着分析教学过程面临的问题,提出了解决措施。结合教学实践与改革,逐渐探索并发展出了成熟的实验教学方法和学生创新能力培养模式。从理论知识储备,到实验教学探索与实践,逐步深入推进,在培养学生思考能力、动手能力和解决问题的能力上取得了明显的效果。

无源环境振动的有限元分析方法及在北京光源工程应用

无源环境微振动是指工程场地中没有明显振源时存在的微小振动,其可能导致高精密科学装置无法正常工作,如何准确分析无源条件下结构的环境微振动是此类工程亟需攻克的难题。系统介绍了一种无源环境条件下微振动的有限元分析方法。首先采用实测与理论方法得到地表任意点的振动时程,再利用传递矩阵法计算土层瑞利波弥散曲线及各频率振动沿深度衰减因子,再结合地表振动时程可计算出任意深度处的振动时程。将上述方法计算得到的每个节点的振动时程施加到有限元模型边界的相应节点上,使有限元模型的边界振动场与实际环境微振动场趋于一致。最终将该方法应用于国家“十三五”重大科技基础设施北京高能同步辐射光源工程(HEPS)地基基础的环境微振动分析,结果表明该方法能很好地反映无源振动的特性,为类似高精密科学装置的无源环境微振动分析提供了重要参考。

白鹤滩水电站高填方工程砾石填料的物理力学特性

白鹤滩水电站是全球单机容量最大、在建规模最大的水电站。为避免水库蓄水后巧家县城区中的移民安置区被淹,需进行高填方工程,填筑材料以当地砾石土料为主。依托白鹤滩水电站高填方工程,对砾石填料进行颗粒分析、击实试验、压缩试验和三轴剪切试验等室内土工试验以及现场碾压试验。研究表明:填料的压实特性与砾石质量分数有关,粒径大于5mm的砾石质量分数在40%~70%时,填料较易形成密实骨架结构,表现出较好的可压实性和力学性能。在现场碾压过程中,需从填料的砾石质量分数及现有设备等因素来综合控制压实含水率。压实度为0.95和0.97的砾石填料的压缩特性及抗剪强度有明显差异。同时,根据填料试样的应力、应变关系确定了邓肯-张双曲线模型的参数。试验结果为白鹤滩移民区高填方工程的填料配比设计、力学与施工参数的选取提供参考。

不同粒径比下含细颗粒砂土液化特性的试验研究

利用带有弯曲元的GDS动三轴仪,对3种不同粒径比下含细粒砂土进行不排水循环三轴和弯曲元试验,分析了细颗粒含量、密实度、初始有效围压、制样方法以及粗细颗粒粒径比对砂土液化特性的影响,探讨了等效骨架孔隙比e能否合理统一表征不同初始状态以及不同粒径比下含细粒砂土的抗液化强度。研究结果表明:等效骨架孔隙比e可以合理解释低塑性粉粒含量对各种砂性土抗液化强度CRR15和小应变剪切模量G0的影响,两者均呈负幂数关系,且G0通过e与CRR15呈现一一对应关系,为含细颗粒砂土液化判别提供了一种新的经验性方法。其次,通过e表征砂性土抗液化强度时应当考虑初始围压和制样方法的影响,特别对于孔隙比较小和细颗粒含量较低时。粒径比χ在小于9.9时对CRR15与e的关系影响较大,而当χ大于9.9时,关系曲线几乎重合一致,且发现等效相对密实度Dr与3种砂性土的抗液化强度呈单调递增线性关系,不受细颗粒含量和粒径比的影响。

上海地铁运行引起软土场地振动实测与预测模型研究

经验/半经验预测模型由于计算参数较少、应用方便,被广泛应用于环境振动初步评估。目前经验/半经验预测模型研究主要集中于地表振源,其在埋置地铁引起的地表环境振动预测中的适应性仍需进一步探讨。首先开展了上海地铁11号线场地振动实测,分析了地表振动衰减特性,并利用Bornitz公式分析了加速度峰值随距离的衰减规律。其次基于对数衰减模型对地面振级进行了回归拟合,研究了模型中拟合参数A与频率的相关性;并基于Bornitz公式提出了地面振级经验拟合公式,并探讨了该场地土体材料阻尼系数、频率无关材料阻尼系数及阻尼比的取值。最后对比研究了对数衰减模型和Bornitz模型预测地铁运行引起地表振动的预测效果。研究结果可为上海软土地区地铁运行引起的地表振动预测提供重要参考。

砂土应力诱发弹性波速各向异性的试验研究

针对砂土弹性模量的各向异性,利用安装在试样上的竖向和水平向弯曲元波速传感器,研究了不同应力状态下丰浦砂试样不同方向的压缩波(P波)和剪切波(S波)波速特征,确定了表征砂土纵观各向异性的弹性刚度矩阵,并探讨了砂土试样中波速各向异性程度随应力状态的演化规律。研究结果表明:在等向应力固结下,丰浦砂试样中不同方向的波速均与围压呈幂函数关系,且存在明显的初始各向异性,试样中沿水平向传播的波速小于沿竖直向传播的波速;在三轴压缩不等向应力固结下,沿竖向传播的弹性波速随竖向应力和水平向应力比值的增加而增加,沿水平向传播的弹性波速随应力比的增加先保持不变后衰减。随着应力比的增加,砂土试样中应力修正后波速的各向异性程度先变化不大后逐渐加剧,这一现象与砂土微观组构的演化有关。

围护桩墙施工对隧道影响规律及净距控制分析

围护桩(墙)施工主要包括成孔(槽)、泥浆护壁、混凝土浇筑及硬化等环节,周边土体经历复杂的加(卸)载过程,产生的附加应力(位移)场会对邻近盾构隧道产生不利影响。本文对软土地区桩墙施工对紧邻盾构隧道的影响机理进行了初步研究,对实际工程案例进行了统计分析。采用有限元法对钻孔灌注桩和地下连续墙进行模拟,提出了不同的桩长、桩径(墙厚)及土层弹性模量下既有隧道变形控制指标为1~5mm时桩墙施工净距控制值。研究结果表明:首先,桩(墙)施工会造成周边土体位移,从而使得隧道结构发生约0~2mm的变形;其次,随着桩(墙)长、桩径(墙厚)的减小或土层弹性模量的增加,桩墙施工对隧道结构的变形影响逐渐减弱,其中土层弹性模量对隧道变形的影响最为明显;最后,施工净距控制值与桩径(墙厚)呈正相关关系,与土层弹性模量呈负相关关系。隧道变形控制指标为1~5mm时的钻孔灌注桩净距控制值在5~15.5m之间,地下连续墙净距控制值在5~30m之间。

盾构隧道开挖面稳定极限理论研究

基于村山氏极限平衡法和极限分析上限法研究了盾构隧道开挖面稳定性,推导了维持开挖面稳定的最小极限支护压力计算公式。类似于Terzaghi地基承载力的叠加原理,将极限支护压力表示为土体黏聚力、地表超载和土体重度三项贡献的叠加,并对各自影响系数进行了分析。分析结果表明,极限平衡法得到的黏聚力影响系数随土体内摩擦角增大而增大,随隧道埋深比增加而减小,地表超载和土体重度影响系数均随土体内摩擦角增大而减小,地表超载影响系数随隧道埋深比增加而减小,土体重度影响系数随隧道埋深比增大而增大。当内摩擦角较小时,极限分析法得到的三项系数与土体内摩擦角和隧道埋深比的关系表现出与极限平衡相同的规律,但当土体摩擦角达到一定值时,土体黏聚力和土体重度的影响系数则不再随隧道埋深比而变化,地表超载影响消失。极限分析法得到的极限支护压力及三项系数均低于极限平衡法,但更接近现有文献中的有限元数值模拟结果。