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地震作用下公路隧道箱型预制仰拱结构稳定性研究

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地震作用下公路隧道箱型预制仰拱结构稳定性研究

作者：周鑫中国矿业大学

学位级别：硕士

预制装配式是地下工程衬砌结构发展的主流方向,公路隧道仰拱结构预制化具有施工速度快、成品质量高、人工成本低、环境影响小等优点,应用前景广阔。随着我国经济建设高速发展,越来越多的公路隧道在地震多发地区建设,地震发生时,衬砌结... 详细信息

预制装配式是地下工程衬砌结构发展的主流方向,公路隧道仰拱结构预制化具有施工速度快、成品质量高、人工成本低、环境影响小等优点,应用前景广阔。随着我国经济建设高速发展,越来越多的公路隧道在地震多发地区建设,地震发生时,衬砌结构易产生开裂、掉块等不同程度的破坏,开展公路隧道预制仰拱结构的抗震性能研究具有重要的理论意义和工程价值。以甘肃省某公路隧道为工程依托背景,提出一种新的箱型预制仰拱结构,研究地震作用下公路隧道箱型预制仰拱结构稳定性。分析不同地震加速度、埋深、预制仰拱设计参数、围岩条件下公路隧道预制仰拱结构地震动力响应规律,提出有效抗减震措施,获得的主要研究成果如下:(1)通过对隧道震害进行调查与统计分析,隧道衬砌主要呈现开裂、混凝土剥落、掉块、路基底鼓、拱顶大面积垮塌等破坏形式,震害主要影响因素包括地震震级、震中距及震源深度、地层岩性及不良地质条件、隧道衬砌埋深和隧道结构形式。(2)对比分析了现浇仰拱与预制仰拱隧道受力变形特征。地震作用下,公路隧道整体发生轴向拉张变形,预制仰拱上缘发生隆起变形和水平拉张变形,隧道边墙发生水平挤压变形。预制仰拱隧道位移小于现浇仰拱隧道,现浇仰拱隧道最大主应力峰值比预制仰拱隧道大,预制仰拱抗震性能较好。(3)获得了地震作用下不同仰拱分块数量、不同仰拱厚度对公路隧道衬砌结构的位移、应力以及塑性区的影响规律。研究表明:仰拱竖向位移峰值大小依次为一块<三块<七块<五块仰拱形式。增加上缘厚度可以显著提高隧道的地震抗震性能,建议采用30cm上缘厚度、35cm下缘厚度组合的预制仰拱结构。(4)获得了地震作用下不同地震动峰值加速度、不同隧道埋深、不同围岩条件对公路隧道衬砌结构的位移、应力以及塑性区的影响规律。研究表明:仰拱竖向位移和动峰值加速度基本满足线性增长关系,随着地震动加速度峰值的增大,隧道衬砌的最大主应力峰值逐渐增大,塑性破坏越来越严重。150m埋深隧道的竖向位移峰值最小,50m埋深隧道的仰拱隆起最严重。Ⅴ级围岩中仰拱的隆起现象严重,Ⅳ级围岩条件下仰拱的抗震性能得到极大提升。(5)获得了公路隧道箱型预制仰拱抗减震最佳措施。研究表明:采用4m注浆厚度和设置20cm减震层进行加固效果最好,仰拱竖向位移终值和最大主应力峰值均减小67%左右。该论文有图71幅,表17个,参考文献83篇。

关键词：公路隧道箱型预制仰拱地震响应数值模拟抗减震措施

基于无人机倾斜摄影技术的黄土公路边坡数值模型构建

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公路交通科技 2023年第11期40卷 34-40页

作者：刘宽富苟朝勇杜源马逸非李国虎甘肃省公路交通建设集团有限公司甘肃兰州730000

以甘肃省环县披覆型黄土高边坡为研究对象,首先,通过航线设计、地面控制点布设、航测作业、空三解算等步骤,分别依次构建白膜模型、三角网模型以及三维点云模型,得到基于无人机倾斜摄影技术构建研究边坡的三维实景模型。然后,在三维实... 详细信息

以甘肃省环县披覆型黄土高边坡为研究对象,首先,通过航线设计、地面控制点布设、航测作业、空三解算等步骤,分别依次构建白膜模型、三角网模型以及三维点云模型,得到基于无人机倾斜摄影技术构建研究边坡的三维实景模型。然后,在三维实景模型中提取等高线和坡体结构的空间信息,再将其导入犀牛软件中进行划分网格,生成有限元网格模型,最终导出FLAC数值计算模型。结果表明:利用无人机倾斜摄影技术可以快速构建黄土公路高边坡的高精度三维数值模型;利用边坡监测系统中的全球导航卫星系统(GNSS)坐标数据开展了模型精度验证,所构建的三维数值模型精度能够达到厘米级,相比之下,平面误差要小于高程误差;通过现场调查和与岩土勘察数据比对,基于无人机倾斜摄影技术所获得的数值模型能够真实客观反映黄土公路高边坡坡体形态和复杂的地形地貌特征;在基于三维实景模型得到的数字高程模型融合利用CAD软件单独构建的黄土披覆构造结构面所得到的坡体结构能够更加真实地反映地质体结构特征,从而获得更加准确的计算结果。所提出的方法具有速度快、精度高、成本低的特点,研究结果可为黄土高原地区公路边坡稳定性分析与评价、黄土地区高速公路边坡健康安全运营,提供一定的技术支撑。

关键词：道路工程数值模型倾斜摄影黄土高边坡无人机

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沥青混合料的搅拌功率试验和黏度模型

吉林大学学报（工学版） 2023年第1期53卷 220-225页

作者：刘聂玚子荣鑫刘洪海边庆华兰海长安大学运输工程学院西安710064 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安710064 甘肃路桥建设集团有限公司公路建设与养护技术材料及装备交通运输行业研发中心兰州730030

针对由沥青“黏度-温度”试验曲线确定的混合料理论施工温度与工程实际施工温度差距较大问题,通过进行沥青混合料的搅拌功率试验,对其施工温度确定方法进行了理论和试验研究。采用经过改制的搅拌机,测定不同温度与搅拌转速下的混合料搅... 详细信息

针对由沥青“黏度-温度”试验曲线确定的混合料理论施工温度与工程实际施工温度差距较大问题,通过进行沥青混合料的搅拌功率试验,对其施工温度确定方法进行了理论和试验研究。采用经过改制的搅拌机,测定不同温度与搅拌转速下的混合料搅拌功率,得到三者之间的关系,进而建立了由搅拌功率表征的沥青混合料广义塑性黏度模型。该模型表明:沥青混合料的广义塑性黏度决定于混合料的温度,以及矿料物理性质、级配、沥青类型和用量等材料因素,而与搅拌机的转速无关,代表了沥青混合料的流变特性;通过测定沥青混合料在不同温度下的广义塑性黏度,得到广义塑性黏度随温度的变化曲线,在该曲线中梯度变化明显变缓的温度可作为该种沥青混合料的施工控制温度。

关键词：道路工程沥青混合料黏度模型搅拌功率施工温度

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数字钻孔图像岩体结构面自动化识别方法

重庆大学学报 2024年第2期47卷 40-50页

作者：张占旭苏俊辉吕光祖骆维斌许存禄甘肃路桥建设集团有限公司兰州730000 兰州大学信息科学与工程学院兰州730000

数字钻孔摄像技术能准确获取钻孔中岩体结构面特征信息,针对现有数字钻孔图像分析人力需求量大、主观性强、计算量大的不足,研究提出方案实现数字钻孔摄像技术采集的钻孔内壁图像自动识别。首先,用二维伽马函数光照自适应矫算法对图像... 详细信息

数字钻孔摄像技术能准确获取钻孔中岩体结构面特征信息,针对现有数字钻孔图像分析人力需求量大、主观性强、计算量大的不足,研究提出方案实现数字钻孔摄像技术采集的钻孔内壁图像自动识别。首先,用二维伽马函数光照自适应矫算法对图像进行光照均匀处理,利用经过预训练的DexiNed网络对矫正后图像边缘进行特征提取;其次,提出Epremoval方法处理边缘点噪声提取感兴趣区域;最后,根据正弦曲线泰勒展开式对图像中的表征数据进行多项式拟合。通过对得到曲线进行计算、空间变换和数理变换得到岩体结构面参数。以某隧道工程的数字钻孔图像为例,研究提出的算法结果优于人工辅助判读结果。

关键词：数字钻孔图像岩体结构面感兴趣区域泰勒展开式多项式拟合

桩−土界面倾角和含水率对抗滑桩的阻滑效应分析

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煤田地质与勘探 2023年第5期51卷 123-132页

作者：李怀鑫晏长根林斌石玉玲长安大学公路学院陕西西安710064 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054

为研究不同界面倾角及含水率对桩–土界面的阻滑效果,首先基于变倾角组合体三轴不固结不排水试验,比较了不同界面倾角和含水率条件下变倾角组合体破坏模式和抗剪强度的差异性,然后结合室内试验抗剪强度参数,通过数值模拟方法比较不同界... 详细信息

为研究不同界面倾角及含水率对桩–土界面的阻滑效果,首先基于变倾角组合体三轴不固结不排水试验,比较了不同界面倾角和含水率条件下变倾角组合体破坏模式和抗剪强度的差异性,然后结合室内试验抗剪强度参数,通过数值模拟方法比较不同界面倾角和含水率对桩–土界面的阻滑效果,并基于塑性变形理论确定临界含水率w_(max),最后依托工程案例对抗滑桩截面进行优化。结果表明:界面倾角和含水率是导致变倾角组合体破坏模式和抗剪强度差异的主要原因,当含水率较低时,适当增大倾角能提高组合体试样的抗剪强度;当土体含水率较小时,随着桩侧倾角的增大,桩–土界面阻滑效果呈现先增加后降低趋势,当桩侧土体含水率较高时,桩–土界面倾角越大,桩–土界面阻滑越小;当考虑桩间土拱效应时,适当增加抗滑桩桩背受压区三角形截面,作用在桩侧摩擦拱上的等效集中荷载最大可降低33%左右。相关研究成果对抗滑桩的设计具有借鉴意义。

关键词：抗滑桩桩–土界面倾角含水率土拱效应数值模拟

甘南境内高速公路干扰区生态修复适宜草种的活力及其应用

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草业科学 2023年第10期40卷 2501-2512页

作者：王林苏永祥银才让马林田沛甘南藏族自治州交通运输局甘肃甘南747000 种质创新与草地农业生态系统全国重点实验室/兰州大学草地农业科技学院甘肃兰州730020

为向青藏高原地区(比如甘南州高速公路干扰区)生态修复提供高活力草种及合适的利用途径,本研究选取包括青海、甘肃、宁夏收获的3种中华羊茅(Festuca sinensis)、垂穗披碱草(Elymus nutans)、早熟禾(Poa annua)、无芒雀麦(Bromus inermis... 详细信息

为向青藏高原地区(比如甘南州高速公路干扰区)生态修复提供高活力草种及合适的利用途径,本研究选取包括青海、甘肃、宁夏收获的3种中华羊茅(Festuca sinensis)、垂穗披碱草(Elymus nutans)、早熟禾(Poa annua)、无芒雀麦(Bromus inermis)、紫羊茅(F.rubra)、芨芨草(Achnatherum splendens)和醉马草(A.inebrians)9种禾本科植物,以及草木樨(Melilotus officinalis)、红三叶(Trifolium pratense)、多变小冠花(Coronilla varia)、沙打旺(Astragalus adsurgens)4种豆科植物为试验材料,在活力检测筛选的基础上,将试验材料播种到收集的卓合高速公路建设工程弃土(浅层黑土、深层黄土)且添加不同的改良剂(菌肥、草木灰以及两者混合添加)中。结果表明:仅中华羊茅、醉马草、红三叶和多变小冠花种子发芽势较高,且显著高于其他种子的发芽势(P甘肃和宁夏产地的中华羊茅、醉马草、红三叶和多变小冠花发芽率在60%以上,而其他8种植物种子发芽率均较低;种子发芽指数仅醉马草和沙打旺较高,显著高于其他种子(P<0.05);种子活力指数为3种中华羊茅、醉马草、红三叶和沙打旺较高;青海产地的中华羊茅、垂穗披碱草的胚根和胚芽长以及幼苗含水量显著高于其他禾草(P<0.05);不同土壤类型和改良剂对禾草萌发、地上地下生物量有显著影响(P<0.05),具体表现为浅层黑土的发芽数较高,土壤改良剂中草木灰能显著提高4种牧草种子总萌发率与总生物量(P<0.05),表明黑土更适宜于4种牧草的生长,且同时添加草木灰有益于禾草的生长。研究结果为高寒地区公路工程建设中合理建植当地乡土草提供了理论和实践基础。

关键词：禾本科豆科幼苗生长工程弃土土壤改良剂萌发生长

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渐进式滑坡锚索抗滑桩预应力张拉值计算

工程科学与技术 2024年第1期56卷 138-147页

作者：侯小强王新飞贾洪璐安玉科周重任侯云龙兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070 中建路桥集团有限公司河北石家庄050000 甘肃省交通规划设计院有限公司甘肃兰州730030 甘肃省工程地质研究院甘肃兰州730030

依据渐进式滑坡蠕变特点,现有锚索抗滑桩计算模型针对渐进式滑坡桩–锚–土三者相互作用过程考虑较少。针对这一问题,将渐进式滑坡缓慢失稳的变形特征和预应力锚索抗滑桩从空载到满载动态工作过程相结合,利用Winkler弹性地基梁理论,优... 详细信息

依据渐进式滑坡蠕变特点,现有锚索抗滑桩计算模型针对渐进式滑坡桩–锚–土三者相互作用过程考虑较少。针对这一问题,将渐进式滑坡缓慢失稳的变形特征和预应力锚索抗滑桩从空载到满载动态工作过程相结合,利用Winkler弹性地基梁理论,优化了锚索抗滑桩桩–锚变形协调条件,考虑桩后土压力渐进变化过程,构建不同工况桩–锚–土协同工作的计算模型,推导了预应力锚索抗滑桩施工阶段初张拉值的计算方法。结合工程算例和有限元软件数值模拟结果,为获取较高精度的计算数值,采用MATLAB软件编译程序进行计算分析。结果表明:1)渐进式滑坡“稳定–蠕动–失稳”阶段性变形特点决定了预应力锚索抗滑桩“空载–加载–满载”三阶段桩–锚动态内力变形过程,明确了各阶段桩后可能存在的土压力模型,单纯进行满载阶段锚索拉力设计不符合渐进式滑坡实际作用机理,进一步证明施工阶段锚索预应力张拉值设计的重要性;2)渐进式滑坡推力由尚未产生的初始空载阶段至完全作用的满载阶段,两阶段并非互相独立存在,二者通过桩–锚变形协调条件相互作用,表明了施工阶段抗滑桩预应力张拉力值大小受满载阶段桩锚内力及变形大小的影响;3)依据渐进式滑坡锚索抗滑桩动态内力变形过程,保证抗滑桩受荷段和锚固段内力大小均衡相等,优化了满载阶段全桩弯矩平衡设计原则,确立了以静止土压力作为施工阶段预应力张拉值设计标准,对比表明,此计算方法优于其余4种现有算法,同时有限元数值模拟结果与本文算法贴合度较高,进一步验证了此计算方法的合理性和可靠性。研究成果可为渐进式滑坡中预应力锚索抗滑桩的设计计算和施工提供技术指导。

关键词：渐进式滑坡锚索预应力桩锚协调变形土压力状态锚索设计拉力

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第4期55卷 1654-1664页

作者：余云燕杜乾中罗崇亮丁小刚李永鹏兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070 甘南藏族自治州交通运输局甘肃甘南747000

为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积... 详细信息

为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。

关键词：红层泥岩填料三轴CU蠕变试验蠕变特性分数阶微积分非线性蠕变模型

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公路隧道装配式仰拱结构形式优化设计

河海大学学报（自然科学版） 2023年第4期51卷 55-64页

作者：刘泾堂王迎超邱成虎曲龙袁文广杜耀辉郝英甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司甘肃兰州730030 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 甘肃公航旅天庄高速公路管理有限公司甘肃天水741000 兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070

为研究公路隧道装配式仰拱结构形式及其受力变形特征,基于收集的国内外不同装配式隧道结构应用案例,对钻爆法公路隧道预制仰拱结构形式进行优化设计,并分析了其受力特征;针对钻爆法公路隧道断面特点,以甘肃省某高速公路隧道工程为例,从... 详细信息

为研究公路隧道装配式仰拱结构形式及其受力变形特征,基于收集的国内外不同装配式隧道结构应用案例,对钻爆法公路隧道预制仰拱结构形式进行优化设计,并分析了其受力特征;针对钻爆法公路隧道断面特点,以甘肃省某高速公路隧道工程为例,从施工难度、施工速度、防排水能力、造价成本等方面对弧形、箱型预制仰拱结构形式进行综合比选,并分析了仰拱分块数量、仰拱厚度以及幅宽对箱型预制仰拱结构的最大位移、混凝土损伤破坏、钢筋应力的影响。结果表明:箱型预制仰拱为较为合适的仰拱形式,7分块、上部厚度20 cm、下部厚度40 cm、幅宽1.2 m的箱型预制仰拱结构形式最为合适;装配式仰拱和二衬结构调整,改善了隧道受力,对保证整体支护结构稳定作用明显。

关键词：公路隧道钻爆法装配式仰拱结构形式数值模拟