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水锤作用下饱和地基蓄排水隧道的动力响应

岩土力学 2024年

作者：黄超钱建固同济大学地下建筑与工程系

针对饱和土地基中深埋蓄排水隧道在水锤作用下的三维动力响应问题，建立了流体-衬砌-饱和土地基系统的频域有限元与边界元耦合模型。隧道内流体视为无黏性、微可压缩性流体，将隧道衬砌结构模拟为弹性介质，用弹性多孔介质模拟饱和土地... 详细信息

针对饱和土地基中深埋蓄排水隧道在水锤作用下的三维动力响应问题，建立了流体-衬砌-饱和土地基系统的频域有限元与边界元耦合模型。隧道内流体视为无黏性、微可压缩性流体，将隧道衬砌结构模拟为弹性介质，用弹性多孔介质模拟饱和土地基。采用频域有限元法分别求解隧道内流体和衬砌的动力控制方程；采用频域边界元方法求解饱和土地基的动力控制方程。基于流体-衬砌接触面和衬砌-饱和土地基接触面的位移一致、面力平衡及完全不透水边界条件，实现了频域有限元与边界元模型的耦合求解。与以往研究的对比验证新建模型的正确性。利用该模型计算了蓄排水隧道在水锤作用下的内水压（水锤荷载）和周边饱和土体的位移及孔隙水压力响应。结果表明：（1）水锤作用下的动力响应呈现出显著的周期性和衰减性；（2）土体径向位移幅值显著大于轴向位移幅值；（3）将地基简化为单相弹性介质会导致动力响应评估不准确；（4）水锤作用会对隧道周边广大的区域内造成显著的影响；（5）土体的渗透性越差，隧道内流体压力、土体位移和孔隙水压力的峰值越小。

关键词：水锤蓄排水隧道有限元-边界元饱和土动力响应

盾构隧道渗漏灾害中堵漏浆材作用机制试验研究

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隧道建设（中英文） 2024年第8期44卷 1632-1642页

作者：孙齐昊范森柳献同济大学地下建筑与工程系上海200092

注浆堵漏常用于盾构隧道渗漏事故的抢险过程中,合理的注浆能够有效封堵渗漏点,避免险情进一步恶化。为研究不同地层中隧道渗漏后不同堵漏材料的作用机制,基于不同地层侵蚀状态下盾构隧道发生渗漏险情后的发展特征,提出渗流型和空洞型2... 详细信息

注浆堵漏常用于盾构隧道渗漏事故的抢险过程中,合理的注浆能够有效封堵渗漏点,避免险情进一步恶化。为研究不同地层中隧道渗漏后不同堵漏材料的作用机制,基于不同地层侵蚀状态下盾构隧道发生渗漏险情后的发展特征,提出渗流型和空洞型2种渗漏事故类型;进一步考虑注浆材料物理化学性质的差异,将堵漏浆材划分为膨胀型和黏结型2种不同类型,从而通过模型试验研究不同类型浆液在不同渗漏事故类型中的作用机制。研究表明:1)注浆封堵的机制是浆液固化物通过膨胀性或者黏结性在接触面上形成较强的正应力,当接触面正应力超过水压力时,外部流水无法进入隧道内部,堵漏成功;2)渗流型地层中浆液扩散距离主要受到浆液凝结时间、地层渗透系数、浆液黏度、注浆压力、水力梯度等因素的影响,并通过试验给出浆液扩散距离的经验公式;3)渗流型地层中,油性聚氨酯反应生成固化物膨胀挤压周边地层,通过挤压力抵抗外水压力,水性聚氨酯的接触面挤压力小于油性聚氨酯,通过包水性消耗孔隙水,同时结合挤压力实现堵漏;4)空洞型地层中,油性聚氨酯固化物以自密封的形式、水性聚氨酯以黏结力和自密封共同作用的形式实现堵漏效果;5)空洞型地层中,堵漏注浆的浆液扩散过程受浆液及其生成物密度的影响,针对不同渗漏位置需要选用不同的浆液类型。

关键词：盾构隧道渗漏灾害堵漏注浆模型试验封堵机制

基于在机开挖离心模型试验的改进MSD法评估

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岩土工程学报 2024年第1期46卷 190-198页

作者：曹明洋马险峰同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

研发了一套应用于高离心力场条件下在机基坑开挖装置和支撑施加系统,开展了多支撑支护的黏土基坑开挖的离心模型试验。将开挖引起的墙后地表沉降与挡墙变形的试验数据与已发表的相关研究成果进行对比分析,证明了该套在机开挖装置和支撑... 详细信息

研发了一套应用于高离心力场条件下在机基坑开挖装置和支撑施加系统,开展了多支撑支护的黏土基坑开挖的离心模型试验。将开挖引起的墙后地表沉降与挡墙变形的试验数据与已发表的相关研究成果进行对比分析,证明了该套在机开挖装置和支撑系统可有效模拟实际基坑工程的土体开挖及支撑。在离心试验数据的基础上,对基坑体系的变形机制进行了修正,提出了全量变形机制计算的改进动员强度法(mobilizablestrengthdesign,MSD)。应用改进MSD法计算多支撑开挖的挡墙变形曲线,并将计算结果与现场监测数据对比。结果表明:改进MSD法预测结果与实测数据较吻合,论证了改进MSD法的有效性。

关键词：基坑开挖离心模型试验在机开挖装置改进MSD法

基于计算流体力学-离散元耦合的相对密实度对断级配土体渗蚀效应的影响研究

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岩土力学 2024年第1期45卷 267-283页

作者：张沛云木林隆黄茂松同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092

土体几何因素(粒径比、细粒含量、相对密实度等)不仅影响土体内部稳定性,同时对侵蚀进程有着重要影响。基于离散单元法(discrete element method,简称DEM)与计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)耦合方法,建立了内部... 详细信息

土体几何因素(粒径比、细粒含量、相对密实度等)不仅影响土体内部稳定性,同时对侵蚀进程有着重要影响。基于离散单元法(discrete element method,简称DEM)与计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)耦合方法,建立了内部不稳定土渗流-侵蚀三维计算模型。考虑细粒含量及相对密实度对内部侵蚀过程的耦合影响,对细观变量:土体孔径分布曲线、颗粒接触数目以及内部传力机制进行分析,以揭示细粒含量与相对密实度的影响的细观机制。研究结果表明:相对密实度的增加降低了侵蚀质量比,且该影响程度与细粒含量相关,细粒含量越高,相对密实度的影响更加明显;内部不稳定土体渗蚀后沿渗流方向可分为上游侵蚀区、中部稳定区及下游侵蚀区。土体渗透性在侵蚀过程中的增长幅度随相对密实度的降低而逐渐增加,随细粒含量的增加而增加;相对密实度对渗蚀过程的影响可归因于三方面:相同水力梯度下渗流流量不同,内部孔隙尺寸分布存在差异,以及细颗粒对土体内部应力传递的贡献不同。研究结果加深了土体几何因素对内部渗蚀过程影响的理解,并为宏观侵蚀本构的建立提供了参考。

关键词：渗蚀 CFD-DEM 相对密实度细粒含量传力机制

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地下结构地震响应分析的高效混合模拟方法

岩土工程学报 2024年第1期46卷 45-53页

作者：禹海涛王治坤同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092

数值模拟是地下结构抗震分析的重要手段之一,然而地震动输入及边界效应、模型尺度规模等因素均会影响数值模拟的计算精度和效率,并且存在计算尺度、计算时间、计算精度之间的矛盾,因此如何高效、精确地模拟地下结构与地层相互作用体系... 详细信息

数值模拟是地下结构抗震分析的重要手段之一,然而地震动输入及边界效应、模型尺度规模等因素均会影响数值模拟的计算精度和效率,并且存在计算尺度、计算时间、计算精度之间的矛盾,因此如何高效、精确地模拟地下结构与地层相互作用体系的地震响应仍是亟待解决的关键问题。基于区域缩减法(DRM)将边界元和有限元相融合的核心思想,旨在建立能够合理模拟地下结构-地层系统地震响应特征的高效混合分析方法。首先将地下结构-地层整体模型划分为近场地层-结构内域子模型和远场地层外域子模型,通过构造重合节点保证内域-外域耦合边界处的位移连续性;其次,基于边界元求解外域自由场或地形影响下的非自由场地震动特征,并采用DRM构造矩阵方程将外域动力响应转化为等效地震荷载,可以在保证地震动合理输入的前提下极大地缩减外域模型尺寸,进而实现对内域中地下结构地震响应的快速参数化分析;最后,设计了两组典型算例以检验该方法的可靠性和高效性。结果表明:对于无地形影响下的双线隧道地震响应模拟,通过与远置边界参考解对比验证了方法的有效性;对于受地形条件影响下的双线隧道地震响应模拟,本方法在保证精度要求的基础上极大缩减了包括地形在内的外域模型范围,相比远置边界法和传统黏弹性法,可使计算模型尺度分别缩减97%和83%,计算时间减少72%和58%。此外,该方法还可推广到斜入射地震动作用下地下结构的动力响应分析。

关键词：地下结构混合方法区域缩减法非自由场地震输入

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无纺土工织物过滤黏性土的长期渗透试验研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第4期52卷 121-127页

作者：杜春雪徐超杨阳李明艳同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

为研究无纺土工织物过滤黏性土在长期渗流条件下的反滤特性,采用不同单位面积质量(克重)的无纺土工织物和淤泥质粉质黏土,通过长期渗透试验,测量了土-无纺土工织物体系渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了... 详细信息

为研究无纺土工织物过滤黏性土在长期渗流条件下的反滤特性,采用不同单位面积质量(克重)的无纺土工织物和淤泥质粉质黏土,通过长期渗透试验,测量了土-无纺土工织物体系渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了土工织物滤层的反滤特性,并结合已有的无纺土工织物渗透系数的计算公式,提出了计算过滤后无纺土工织物渗透系数的等效孔隙率法.结果表明:土-无纺土工织物体系渗透系数随着渗透时间持续减小并趋于稳定,与时间之间符合幂函数关系;无纺土工织物滤层的透水性用渗透系数来表征,其被土粒堵塞后的孔隙率决定了渗透系数的大小;基于等效孔隙率的简化方法,计算过滤后无纺土工织物的渗透系数下降了一个数量级,但仍满足反滤准则中的透水性要求;建立的渗透系数随时间变化的幂函数关系式可以较好地反映无纺土工织物滤层的堵塞情况和透水性.

关键词：土-无纺土工织物体系反滤长期渗透试验渗透系数等效孔隙率

移动荷载作用下层状横观各向同性饱和土中排桩的隔振效应

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岩土工程学报 2024年第6期46卷 1263-1269页

作者：杨帅贾敏才同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

利用有限元-边界元耦合法评估了移动荷载下层状横观各向同性饱和土体中排桩的隔振效果。利用有限元法将排桩离散成单桩以及桩单元,基于Bernoulli-Euler梁理论得到桩的有限元矩阵方程;在桩-土边界,土体单元与桩单元进行了等节点离散,并... 详细信息

利用有限元-边界元耦合法评估了移动荷载下层状横观各向同性饱和土体中排桩的隔振效果。利用有限元法将排桩离散成单桩以及桩单元,基于Bernoulli-Euler梁理论得到桩的有限元矩阵方程;在桩-土边界,土体单元与桩单元进行了等节点离散,并以层状饱和地基的解析层元基本解作为核函数,利用边界积分法得到桩-土界面处地基的柔度矩阵;基于两阶段理论,将侧摩阻力响应与移动荷载直接引起的振动进行耦合,结合边界元法得到饱和地基的边界元方程;考虑Bernoulli-Euler梁和土体之间不发生相对滑移和脱开的位移协调条件,耦合有限元和边界元方程,得到排桩的动力响应方程;计算有无排桩隔振下某一观测点的位移,即可结合隔振理论分析排桩的隔振效率。在验证所提方法准确性的基础上,分析了桩长、桩身刚度、移动荷载速度以及横观各向同性参数对排桩隔振效应的影响。结果表明:最优桩长约等于2倍瑞利波长,超过该值隔振效果提高不大;桩与地基的刚度差越大,隔振效果越好;荷载速度超过剪切波速,桩基隔振表现反而更好。

关键词：层状横观各向同性饱和土排桩移动荷载隔振效应有限元-边界元耦合法

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上海深层黏性土的土样扰动评价方法

岩土工程学报 2024年第9期46卷 1880-1888页

作者：时振昊屠梓真钱建固黄茂松同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

通过室内试验准确获取土样原位力学性质,需借助土样扰动评价方法进行扰动评估。现有的土样扰动评价方法大多针对浅层土,缺乏深层黏性土的相关研究。基于上海深层黏性土一维固结试验及剪切波速试验,结合结构性黏土本构模拟,对比文献中其... 详细信息

通过室内试验准确获取土样原位力学性质,需借助土样扰动评价方法进行扰动评估。现有的土样扰动评价方法大多针对浅层土,缺乏深层黏性土的相关研究。基于上海深层黏性土一维固结试验及剪切波速试验,结合结构性黏土本构模拟,对比文献中其他黏土试验数据,分析了既有土样扰动评价方法对深层黏性土的适用性,提出了基于剪切波速且排除应力和密实状态影响的土样扰动评价指标,利用本文及文献数据验证了上述评价指标的合理性。结果表明:(1)深层黏性土block样与钻孔样存在显著的扰动差异;(2)对于扰动程度相同的土样,现有评价指标?e/e_0随取样深度增大而增大,可能造成对深层黏性土土样扰动的高估,且无法区分不同取样方法引起扰动差异;(3)以室内与原位剪切波速比V_(s,lab)/V_(s,in situ)为扰动评价指标,无法反映取样方法对上海深层黏性土的扰动差异,对其他黏土给出的评估结果沿深度离散性较大;(4)提出的评价指标可以克服取样深度的影响,对同一地区黏性土,可以较好统一量化取样方法引起的土样扰动程度。

关键词：深层黏性土土样扰动评价取样方法剪切波速

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消能抗震锚杆的研究进展与思考

地球科学 2024年第2期49卷 522-537页

作者：石振明谢可禄俞松波杜长城赵飞同济大学土木工程学院地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

消能锚杆在加固边坡工程、基坑工程和巷道工程中具有良好的支护和容错能力,已经被广泛地研究和应用.系统地介绍了传统消能抗震锚杆的研发现状.根据消能抗震锚杆在外荷载消失后是否可自行恢复,进一步将其分为变形不可自复位型锚杆和变形... 详细信息

消能锚杆在加固边坡工程、基坑工程和巷道工程中具有良好的支护和容错能力,已经被广泛地研究和应用.系统地介绍了传统消能抗震锚杆的研发现状.根据消能抗震锚杆在外荷载消失后是否可自行恢复,进一步将其分为变形不可自复位型锚杆和变形可自复位型锚杆,并就几种典型消能抗震锚杆的工作机理及优缺点做了分析.在此基础上,进一步总结了现有抗震锚杆技术存在的主要问题:现在消能锚杆结构存在设计缺陷、不同荷载力学作用机制导致锚杆力学响应存在显著差异、现有消能锚杆无法适应岩土体的动力变形.最后,基于抗震结构自复位性的特点,提出了一种具有自复位结构的新型多级消能抗震锚杆,该锚杆具有多级缓冲消能的特点,且能实现在外部荷载减小或消失时其消能部件变形可恢复的效果,有望为强震区、爆破区及高地应力区的边坡、隧道、矿井巷道等工程持续提供有效的支护力.

关键词：消能抗震锚杆边坡工程强震作用自复位结构工作原理工程地质