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小半径曲线隧道下地铁运行对粉砂土层引起的振动响应规律

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地球科学 2023年第6期48卷 2415-2426页

作者：王晓睿刘旭张昕张俊然华北水利水电大学地球科学与工程学院河南郑州450045

小曲线地铁盾构隧道位于粉细砂层中对于列车运营水平及竖向循环荷载的响应较为敏感,特别是离心水平荷载,而郑州大部分地层以此地质构成为主,因此地铁在长期运营状态下,由于粉细砂土层的动力响应导致的砂土层沉降,给列车运行会带较大隐患... 详细信息

小曲线地铁盾构隧道位于粉细砂层中对于列车运营水平及竖向循环荷载的响应较为敏感,特别是离心水平荷载,而郑州大部分地层以此地质构成为主,因此地铁在长期运营状态下,由于粉细砂土层的动力响应导致的砂土层沉降,给列车运行会带较大隐患.进行了长期孔隙水监测,并利用MIDAS有限元计算平台建立地铁道床-衬砌-土体耦合动力模型进行相互验证,研究了单列列车运行与双向会车、不同隧道埋深时对隧道周围土层的振动响应规律.结果表明,孔隙水压力在列车运营初期较大,后期逐渐减小并稳定,其中受到上下班高峰期、季节性气候,以及地下水位的影响,孔压可能造成小幅度上升,但总体趋势是下降.由于荷载叠加效应,双向列车同时经过会使孔隙水压力增幅大于单向列车运行的情况,在隧道下方的最大沉降发生在隧道左端,离隧道越远沉降量越小;在地下水位一定时,隧道埋深与孔隙水压力大小成正比,与隧道周围土体沉降成反比.

关键词：小半径曲线段粉细砂土层循环荷载孔隙水监测:数值模拟工程地质.

地铁列车振动作用下盾构隧道及周边土体动力响应规律研究

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地球科学 2023年

作者：王晓睿秦文茜于怀昌华北水利水电大学地球科学与工程学院

为研究小半径曲线段列车荷载作用下隧道周边土体动力响应的影响，以郑州地铁一号线为背景，对孔隙水压力、水位进行现场实测，采用有限元软件MIDAS开展数值分析，研究列车振动荷载下隧道周边土层动力响应变化规律。研究结果表明：列车... 详细信息

为研究小半径曲线段列车荷载作用下隧道周边土体动力响应的影响，以郑州地铁一号线为背景，对孔隙水压力、水位进行现场实测，采用有限元软件MIDAS开展数值分析，研究列车振动荷载下隧道周边土层动力响应变化规律。研究结果表明：列车运营过程中，振动荷载的施加是导致孔隙水压力变化的重要原因；埋深越深孔压越大，随时间增长孔压逐渐减小；距隧道越近土体动力响应对列车振动的反应越敏感，土体中孔隙水压力变化幅度和速率、竖向变形峰值均越大；小半径曲线隧道底部土体的动力响应随列车运行速度的增加而增大；土体产生的超孔隙水压力逐渐消散，可以预测随列车振动对周围土层不会产生变形危害。

关键词：小半径曲线振动荷载动力响应孔隙水压力数值分析

地震作用对砂土中土拱效应影响的模型试验研究

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应用基础与工程科学学报 2023年

作者：孙常新胡江凡裴书锋张玉洁臧东升黄文辉华北水利水电大学地球科学与工程学院

土拱效应对地下结构的抗震稳定性具有重要影响，目前有关地震作用对土拱效应影响的研究较少。通过改进后的试验装置重复经典trapdoor试验，并对土拱效应的土体模型施加地震作用，研究了土拱效应的发展阶段与影响范围、土拱效应影响下的... 详细信息

土拱效应对地下结构的抗震稳定性具有重要影响，目前有关地震作用对土拱效应影响的研究较少。通过改进后的试验装置重复经典trapdoor试验，并对土拱效应的土体模型施加地震作用，研究了土拱效应的发展阶段与影响范围、土拱效应影响下的土压力分布与土体位移以及土拱效应在地震作用下的变化，分析了地震作用对土拱效应的影响机理，讨论了土拱效应的变化对地下结构抗震稳定性的影响。研究结果表明：土拱效应的发展过程可以分为初始阶段、过渡阶段和稳定阶段，土拱效应的影响范围沿trapdoor中心对称分布，宽度为2B（B为trapdoor宽度），土拱效应影响范围内的土压力非均匀分布，trapdoor区域上的土压力从边缘到中心逐渐增大，固定区域上的土压力从边缘到中心逐渐减少；土拱效应影响下的土体可以分为塌落区、土拱区和稳定区，土拱区破坏导致土拱效应在地震作用下发生衰退，土体埋深越小和trapdoor位移越大时，地震作用对土拱区的破坏越大，土拱效应的衰退越严重；存在土体的临界埋深3B和地层损失平均高度的理想范围1.3%B～4.2%B，当土体埋深大于临界埋深且地层损失的平均高度控制在理想范围内时，地下结构上方的土拱效应发展程度最大，地震作用对土拱效应的影响最小，最有利于地下结构的抗震稳定性。

关键词：地下结构抗震土拱效应地震作用 Trapdoor模型试验砂土 PIV 土体位移

含软弱岩层反倾岩质边坡地震动力响应与破坏模式

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地球科学 2022年第12期47卷 4373-4389页

作者：刘汉东赵亚文董金玉杨兴隆景茂李鹏举罗嘉铭华北水利水电大学地球科学与工程学院河南郑州450046

以鲁甸地震诱发的红石岩崩塌滑坡为研究对象,通过大型振动台模型试验和3DEC数值模拟,研究了含软弱岩层的反倾岩质边坡的动力响应和破坏失稳模式.研究结果表明:水平加载下,随频率增大PGA放大系数先减小后增大,在接近坡体自振频率8 Hz的... 详细信息

以鲁甸地震诱发的红石岩崩塌滑坡为研究对象,通过大型振动台模型试验和3DEC数值模拟,研究了含软弱岩层的反倾岩质边坡的动力响应和破坏失稳模式.研究结果表明:水平加载下,随频率增大PGA放大系数先减小后增大,在接近坡体自振频率8 Hz的波形加载下,坡体动力响应最为剧烈,软弱岩层对不同频率的横波具有放大和吸收作用,对5~10 Hz的横波放大效应明显,对15~20 Hz的横波则明显吸收;竖向加载下,随加载正弦波频率的增加,PGA放大系数先增大,25 Hz时PGA放大系数减小,随后又继续增大,在频率为30 Hz时PGA放大系数达到最大,在5~30 Hz范围内软弱岩层对纵波均具有一定的放大效果;双向加载下,坡体水平和竖向PGA放大系数分布与单向加载一致,但双向加载下坡体部分位置动力响应加剧,部分位置动力响应则受到抑制.含软弱岩层的反倾岩质边坡破坏过程可以分为6个阶段:坡体内部轻微损伤-软岩挤出、软硬岩交界上方硬岩拉裂-硬岩裂纹向上延展-软弱岩层挤压滑动-层面和纵向节理贯通形成滑面-边坡破坏.在软弱岩层的反倾岩质边坡中,软弱岩层具有对地震波的放大吸收、折射反射作用,影响着边坡的动力响应特征,软弱岩层的挤出破坏导致上部岩体岩结构面松动开裂,是该类岩质边坡破坏发展的主要原因,对该类边坡需应注意对软弱岩层进行加固防护,减小边坡的动力破坏.

关键词：软弱岩层反倾岩质边坡结构面动力响应破坏模式岩土工程

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花花岩组滑坡堆积体蠕变特性研究

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2023年

作者：董金玉景茂赵亚文华北水利水电大学地球科学与工程学院

花花岩组滑坡是一种堆积体滑坡，该滑坡滑体由松散的土石堆积体组成，在滑坡缓慢变形中具有明显的蠕动特点。为研究该滑坡堆积体的蠕变特性，确定滑坡堆积体的长期强度指标，对滑坡坡体堆积体进行了直剪蠕变试验。试验结果表明，滑坡堆... 详细信息

花花岩组滑坡是一种堆积体滑坡，该滑坡滑体由松散的土石堆积体组成，在滑坡缓慢变形中具有明显的蠕动特点。为研究该滑坡堆积体的蠕变特性，确定滑坡堆积体的长期强度指标，对滑坡坡体堆积体进行了直剪蠕变试验。试验结果表明，滑坡堆积体在直剪蠕变试验中具有减速蠕变和稳态蠕变过程，在较大水平荷载作用下会进入加速蠕变。采用Burgers模型以及改进后的Burgers模型对蠕变曲线进行拟合，结果表明，改进的Burgers模型对非线性的加速蠕变过程拟合效果更好，拟合曲线更接近实际蠕变曲线。通过过渡蠕变法确定了滑坡堆积体的长期强度范围。

关键词：堆积体滑坡堆积体蠕变模型长期强度

基于自然电位的裂隙-基质系统溶质运移试验研究

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华北水利水电大学学报(自然科学版) 2023年

作者：王展闫亚景赵贵章丁力刘少康李文曦华北水利水电大学地球科学与工程学院

为了精细刻画岩石裂隙溶质运移过程及特征，试验构建了长×宽×高为0.20 m×0.03 m×0.50 m的砂箱模型，模型中间为裂隙，模型两侧为基质，两者共同构成了裂隙-基质系统。通过自然电位这一无损、快捷监测手段，开展不同粒径基质渗流速... 详细信息

为了精细刻画岩石裂隙溶质运移过程及特征，试验构建了长×宽×高为0.20 m×0.03 m×0.50 m的砂箱模型，模型中间为裂隙，模型两侧为基质，两者共同构成了裂隙-基质系统。通过自然电位这一无损、快捷监测手段，开展不同粒径基质渗流速度下溶质运移试验，研究裂隙-基质系统溶质运移特征。结果表明：①在试验流速为0.0097～3.1959 mm/s时，裂隙-基质系统内裂隙渗透系数为5.5×10-2m/s，与基质渗透系数2.4×10-3m/s、3.5×10-4m/s相差不大，水流符合达西定律；随着基质粒径的不断减小，当裂隙渗透系数5.5×10-2m/s与基质渗透系数3.6×10-5m/s相差约3个数量级时，水流由达西流向非达西流转变。②在3种不同粒径的基质条件下，沿溶质运移方向，随着基质渗透系数的不断减小，裂隙域和基质域电极测点SP峰值不断减小，到达峰值的时间逐个增大。③随着流速的不断增大，裂隙域和基质域电极测点SP峰值出现时间提前且同一系统流速下的裂隙域电极测点SP峰值出现时间与基质域的相比较短。④通过SP峰值时间与溶质运移距离可以量化流速。计算所得流速值略小于系统测量流速值，其相关性拟合优度R2均大于0.99，其中利用裂隙域电极测点自然电位数值计算所得的流速误差在10%以内，相对于基质域，流速计算精度更高，这与试验现象高度吻合，为探究裂隙-系统中的溶质运移过程提供了参考。

关键词：自然电位溶质运移裂隙-基质系统非达西流

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顾及空间非平稳性的地质灾害易发性评价

安全与环境学报 2023年第12期23卷 4392-4401页

作者：王小东马静茹袁广祥华北水利水电大学地球科学与工程学院郑州450046

传统的地质灾害易发性评价,通常将整个研究区进行全局的易发性评价,但忽略了空间非平稳性带来的局部差异。为了探究由于地理位置变化而引起的相同评价因子在不同局部区域对地质灾害发生的重要程度的变化,提高地质灾害易发性评价的精度,... 详细信息

传统的地质灾害易发性评价,通常将整个研究区进行全局的易发性评价,但忽略了空间非平稳性带来的局部差异。为了探究由于地理位置变化而引起的相同评价因子在不同局部区域对地质灾害发生的重要程度的变化,提高地质灾害易发性评价的精度,采用地理加权回归(Geographically Weighted Regression,GWR)模型将研究区进行区域尺度分割,以得到各评价因子空间自相关性较低的局部区域,并选取坡度、坡向、高程、岩组、距断层距离、距水系距离、距道路距离、年平均降雨量8个评价因子建立地质灾害易发性评价指标体系。采用信息量模型对全局和局部区域分别进行易发性评价,得到全局和区域尺度分割的易发性评价结果。结果显示:与全局模型相比,GWR-信息量模型具有更好的预测性能(AUC为0.896);GWR-信息量模型充分考虑了不同区域内的地质灾害影响因子对地质灾害易发性的影响,削弱了某些在全局模型中影响性较高但在局部区域影响性较低的因素对评价结果的影响。因此,运用GWR-信息量模型进行易发性评价更符合实际,更适于指导研究区风险管控与防灾减灾工作。

关键词：公共安全地理加权回归信息量模型地质灾害易发性评价

基于声发射时空演化的岩石全应力–应变曲线阶段特征分析

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岩石力学与工程学报 2018年第A02期37卷 4086-4099页

作者：邓绪彪刘远征邢矿于怀昌华北水利水电大学地球科学与工程学院

岩石单轴压缩变形破坏全过程的应力阶段划分及其声发射特征,有助于预测加载岩石所处的应力状态。本文以粉砂岩为例,从声发射事件累积曲线、频率时间散点图、空间分布特征3个方面,确定岩石全应力-应变曲线七个阶段的声发射特征。首先,对... 详细信息

岩石单轴压缩变形破坏全过程的应力阶段划分及其声发射特征,有助于预测加载岩石所处的应力状态。本文以粉砂岩为例,从声发射事件累积曲线、频率时间散点图、空间分布特征3个方面,确定岩石全应力-应变曲线七个阶段的声发射特征。首先,对声发射事件上述3个方面的各种几何特征进行初步归纳,定义了AE平台、AE阶梯、主频带、贯频、加密集聚等特征,可更细致地表现声发射的演化规律。其次,通过粉砂岩FSA单轴压缩实验的声发射定位,得到全应力-应变过程7个阶段声发射的时空演化特征,发现声发射事件累积曲线、频率时间散点分布、AE事件空间分布的组合特征可以独立地识别七个阶段。细观机制分析表明,来自于应力的裂隙机制和原始裂隙构形的尺度、方位,对各应力阶段声发射综合演化特征有重大影响。类似于地震弹性回跳理论,岩样峰前软化段(第四阶段)的构造集聚形成剪切局部化,导致了峰后应力跌落主破裂的发生,更多声发射由弹性能释放造成的裂隙损伤过程激发,峰前软化段的声发射特征(AE大平台、AE阶梯,纵向AE主频线变稀疏、变贯通,多区加密集聚型)可以作为岩石破坏前兆。最后,进行不同岩性声发射时空演化特征的比较,发现声发射特征受细观裂隙激发超声振动这一物理过程的控制,粗硬的矿物颗粒、较强的颗粒胶结强度、分布均匀的微构造,容易被激发出更多的声发射事件、更多的频带和贯频。因此,应用声发射时空演化特征监测识别岩石的应力加载状态时,必须系统地考虑岩石结构构造对细观裂隙过程的影响。

关键词：岩石力学岩石破坏声发射全应力-应变曲线频率细观机制

信阳牢山寨花岗岩岩体节理发育特征及构造应力分析

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科学技术与工程 2022年第28期22卷 12278-12290页

作者：王伯林黄肖潇孟令超吴琦李亚军袁广祥赵贵章冉涛任明浩华北水利水电大学地球科学与工程学院郑州450046

信阳牢山寨花岗岩岩体位于大别造山带北麓,北淮阳构造带内,属燕山晚期第一次岩浆侵入的产物,主要岩性为中粒二长花岗岩。研究区规划为五岳抽水蓄能电站上水库,明确花岗岩的节理特征及构造应力场对水库的防渗处理和设计施工具有重要的指... 详细信息

信阳牢山寨花岗岩岩体位于大别造山带北麓,北淮阳构造带内,属燕山晚期第一次岩浆侵入的产物,主要岩性为中粒二长花岗岩。研究区规划为五岳抽水蓄能电站上水库,明确花岗岩的节理特征及构造应力场对水库的防渗处理和设计施工具有重要的指导意义。统计分析了库区范围内的351条节理,查明节理的优势方位为NNW-SSE向,倾角均为大倾角,节理面在浅部风化较为强烈,风化程度随深度增加而降低;节理张开度主要是微张-闭合,充填物主要为石英脉、岩屑和泥质,透水性较差。利用共轭剪节理的配套和分期,反演得出研究区构造应力演化史:燕山晚期主应力方向为NEE-SWW,至喜山期主应力方向转变为近E-W向;此两期构造应力与大别山地区构造运动应力方向一致。在喜山期之后,研究区主应力方向转变为NNE-SSW,此为该地区小范围的构造应力场特征。水压致裂法试验测试得出研究区构造应力略大于自重应力,属于低应力场区域。压水试验结果显示,随着深度的增加,岩体透水率降低,但在节理密集段其透水率伴随节理的发育而增大。表明研究区近地表中-强风化花岗岩岩体,风化程度高、卸荷严重、节理裂隙发育,岩体较破碎,透水率较大;随着深度的增加,岩体的风化程度降低,卸荷减弱;同时,自重应力和围压的增加迫使岩体节理张开度减小,NNW和近NWW向、填充度小的节理成为深部岩体的主要透水通道。因此,水库设计中应针对该类型节理进行防渗处理。

关键词：花岗岩共轭剪节理地应力构造应力分析渗透性