基于流固耦合理论水下隧道冻结壁厚度优化研究

水下隧道对冻结壁厚度设计有特殊要求,针对珠机城际轨道交通项目下穿马骝洲水道段联络通道冻结壁设计改进问题,基于流固耦合分析理论,利用有限差分数值计算方法对水下隧道冻结壁稳定性进行研究,通过对不同厚度冻结壁响应情况的对比研究,实现对于冻结壁厚度的优化设计。研究表明：(1) 相较无渗流模型,流固耦合模型冻结壁应力分布规律相同,但整体量值增大明显,水的作用不可忽略;(2) 水的存在使冻结壁受力趋于“均匀”,应力集中现象缓解,但高剪应力区范围扩大,使其剪切破坏风险加大,且冻结壁受力形式有从受压向受拉改变的趋势,对结构稳定不利;(3) 冻结壁在流固耦合作用下变形加剧,且随厚度减小而愈发显著,模型厚度达到2.0 m以上时变形基本稳定;(4) 流固耦合模型塑性区多集中于两侧拱脚区域,3.0 m和2.5 m模型整体完好,2.0 m模型两侧拱脚出现相向发展塑性区,1.5 m模型塑性区厚度接近贯穿,1.0 m冻结壁拱脚已形成明显贯穿破坏;(5) 综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有重要的推广应用价值。     

考虑接触非线性的西安明城墙稳定分析

西安明城墙是由内芯土和外包墙组成的人工黄土边坡。强度折减有限元法是分析土坡稳定性、确定土坡最小安全系数的有效方法,但应用该方法计算城墙的安全系数时,却难以处理外包墙上的潜在破坏面对城墙稳定性的影响。根据外包墙破坏的实际情况,假设了不同形式和位置的潜在破坏面来模拟外包墙的破坏形态,通过考虑软化性能的界面本构方程,应用强度折减有限元法确定了外包墙的最危险破坏形态,并基于此破坏形态研究了影响城墙稳定性的主要因素,可为古城墙的稳定性评估和保护修缮提供依据。分析表明,城墙内芯土潜在滑动弧可简化为一条直线,其顶点位于坡肩内约3 m处;城墙沿该滑动弧的安全系数满足稳定性要求;外包墙的破坏形态和砂浆强度、外包墙与内芯土之间的摩擦系数是影响城墙变形破坏的主要因素。     

基于流固耦合理论水下隧道冻结壁厚度优化研究

水下隧道对冻结壁厚度设计有特殊要求，针对珠机城际轨道交通项目下穿马骝洲水道段联络通道冻结壁设计改进问题，基于流固耦合分析理论，利用有限差分数值计算方法对水下隧道冻结壁稳定性进行研究，通过对不同厚度冻结壁响应情况的对比研究，实现对于冻结壁厚度的优化设计。研究表明：相较无渗流模型，流固耦合模型冻结壁应力分布规律相同，但整体量值增大明显，水的作用不可忽略；水的存在使冻结壁受力趋于“均匀”，应力集中现象缓解，但高剪应力区范围扩大，使其剪切破坏风险加大，且冻结壁受力形式有从受压向受拉改变的趋势，对结构稳定不利；冻结壁在流固耦合作用下变形加剧，且随厚度减小而愈发显著，模型厚度达到2.0 m以上时变形基本稳定；流固耦合模型塑性区多集中于两侧拱脚区域， 3.0 m和2.5 m模型整体完好，2.0 m模型两侧拱脚出现相向发展塑性区，1.5 m模型塑性区厚度接近贯穿，1.0 m冻结壁拱脚已形成明显贯穿破坏；综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度，成果直接应用于4#联络通道冻结法施工，经现场监测表明该优化方案有效、可行，对类似工程冻结壁厚度设计具有重要的推广应用价值。     

古建筑基座渗漏监测及诱因分析

为研究某古建筑基座渗漏特征及其诱因,采用现场调研、水分场原位监测、室内试验和数值分析方法,针对基座水分场开展了系统研究,深入分析了基座渗漏病害根源、降雨期间基座内部水分场的时空分布特征和水分迁移规律。结果表明,古建筑基座渗漏的根源是降雨影响,与基座外侧的花坛浇灌用水无关,基座顶部以下2.0 m范围内易于受到降雨的影响,且水分有由基座顶部向基座底部迁移趋势,揭示出：基座顶部的海墁以下防渗层可能失效,基座内部夯土可能形成渗流通道;在2个水文年内,基座外墙以内的3.0 m范围内夯土基本达到饱和,易受到降雨影响而出现泛碱、掉皮、渗漏等现象,10个水文年后水分向基座劵门拱圈部位夯土迁移,并形成稳定水分场,在渗透压力下劵门拱圈部位形成流痕和墙皮脱落现象;通过多手段综合分析,能够深入了解基座病害的演化规律和形成机制,为类似古建筑基座的防渗漏修复措施的确定能够提供科学的参考。     

三峡库区典型岩溶岸坡危岩体失稳模式和长期稳定性分析CSCD

三峡库区地质环境复杂,受库水位升降作用影响岩溶岸坡消落区岩体劣化,加快了岸坡不稳定性发展。文章以三峡库区黄岩窝危岩体为研究对象,现场详查了消落带岩体劣化现象,计算了危岩体的长期稳定性数值。研究表明:黄岩窝危岩体存在垂直岩溶带和底部渗流带;底部渗流带处于消落带部位,存在软弱区和岩体劣化现象。考虑库水位和暴雨时岩溶水压岸坡稳定性系数为1.69,危岩体处于稳定状态。随着岩体劣化导致底部软弱区岩体参数不断下降,稳定性系数年均下降约0.01。预测在约57个周期性水位变动之后黄岩窝危岩体变为欠稳定状态,62个周期后发生失稳破坏。危岩体的破坏模式是顶部出现岩块倾倒崩落和底部软弱区贯通之后发生滑移的复合式破坏,与野外调查定性认识基本一致。研究结果对库区类似的地质灾害预警和防治有着重要的指导意义。     

考虑岩体劣化的库岸典型危岩体破坏过程与长期稳定性分析

自三峡库区蓄水以来, 岸坡消落带岩体劣化趋势明显, 加速了岩质岸坡向欠稳定和不稳定发展, 潜在崩塌涌浪灾害威胁长江航道安全。以三峡库区板壁岩为例, 采用抗剪强度折减法分析在岩体劣化工况下危岩体的破坏过程与长期稳定性。结果表明: 在自然工况下, 板壁岩危岩体处于稳定状态; 在库水+岩体劣化工况下, 中部锁固段处拉应力集中, 拉张裂缝逐步向顶部主控裂缝及底部基破碎带延展并相互贯通, 可能发生滑移-剪切破坏; 在库水+岩体劣化+强降雨极端工况下, 约40个水文周期后, 岩体强度下降30%, 板壁岩危岩体的稳定性系数降至约1.14, 处于欠稳定状态, 建议进行工程防治, 提高危岩体稳定性, 以保障航道安全。研究结果可为三峡库区板壁岩及类似危岩体的防灾减灾工作提供科学合理的依据。      

邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟

软土中采用暗挖法开挖隧道往往会引起土体变形,由于城市中暗挖隧道多建在建筑物高度集中的地区,土体变形对邻近既有建筑物的损伤不容忽视。采用二维有限元方法对邻近中、低层建筑物(采用整体基础)工况下的暗挖隧道施工进行了模拟和分析,建筑物长15 m。研究结果表明：建筑物的存在会增大隧道开挖引起的地面沉降和衬砌的受力与变形,同时隧道开挖也会使邻近建筑物产生附加应力和变形。当隧道轴线与建筑物轴线的水平距离 0 m时,建筑物相对安全;当 时,建筑物会产生朝向隧道一侧的倾斜。当 为2.5～20 m时,产生较大的地面沉降,建筑物的首尾沉降差较大,建筑物较危险;当 为30～40 m时,建筑物的存在对隧道施工的影响较小;当 40 m时,建筑物的存在对隧道施工的影响可以忽略不计。由于基础的存在,建筑物的最大弯矩、轴力和剪力的变化量较小,增大量在10 %以内。     

ANSYS在土洞演化预警中的应用

以桂林某高速公路为工程依托点,在全面分析现有高速公路覆盖地区的岩溶土洞的监测预警技术的基础上,选取TDR监测技术作为主要研究手段,并用ANSYS模拟了TDR监测全过程。模拟结果表明,在基岩面以上厚5.0 m左右的土层中发育有土洞且直径3.0 m以上时,可能对地面造成破坏,当土层厚度不变（5.0 m）,梁的截面尺寸一定（8 cm×6.5 cm）,土洞沿基岩面慢慢往上发育时,随着土洞发育直径的不断增大,地面变形也就越明显,且变形趋势呈缓慢的直线型; 当土洞直径为2.0 m,埋深为4.0 m,或土洞直径为4.0 m,埋深为3.0 m时,梁埋深从2.0 m开始,其变形趋于平缓;当土洞直径为3.0 m时,埋深为3.5 m,梁埋深从1.0 m到3.0 m,其变形量基本相当;当土洞直径为5.0 m,土洞顶板埋深为2.5 m,梁埋深分别为1.0 m、2.0 m,其基本保持一致,分别为6.74×10－2 m、6.75×10－2 m,即达到极限平衡状态,说明监测梁布设在距离土洞顶板2 m范围内时,可比较有效地监测到土洞变形破坏的演化趋势。      

山前平原土壤水资源评价层的实验研究

根据冉庄水资源实验站资料,分析土壤水分布特征。实验提出当地下水埋深为2m时,土水势剧烈变化带在0~1.4 m。地下水埋深超过10 m时,土壤水剧烈变化带为0~2.2 m。地下水埋深为8 m时,2 m以下的土壤水资源量仅占全剖面的11.1%,3 m以下的土壤水资源量仅占全剖面的8.1%。本地主要作物为玉米、小麦。玉米最大根深在1.0~1.5 m,小麦最大根深在2.0~2.5 m。综合分析,得到河北省山前平原地下水大埋深区土壤水资源评价层厚度为2.5~3.0 m。     

基于极限应变判据-动态局部强度折减的边坡破坏演化数值模拟

岩土材料具有极限应变特征,其值可以通过室内试验或数值模拟方法求得。边坡岩土体主要为剪切破坏,可采用极限剪应变作为材料破坏的判据。事实上,边坡岩土体强度参数劣化并非整体性的,而是一个渐进性局部损伤至整体失稳的过程。本文基于极限应变判据,建立了边坡破坏的动态局部强度折减方法,此方法对边坡中超过极限剪应变值的单元进行强度折减。通过不断折减计算过程中产生的超过极限剪应变值单元,直到坡内超过极限剪应变值的单元贯通,认为边坡整体发生破坏。将该方法应用到实际边坡工程中,计算结果和边坡破坏模式及变形监测数据基本吻合。此方法在分析边坡渐进性破坏及稳定性评价方面具有较好应用前景。     

关中盆地城市群发展中几个关键基础地质问题

关中盆地属于断陷盆地,地质构造复杂,活动断裂发育,地震活动频繁,城市建设中面临一系列重大基础地质问题。在搜集分析关中盆地1 000多个各类钻孔数据的基础上,对关中盆地城市群1∶5万综合地质调查中实施的主要钻井和剖面进行研究,探讨了城市群发展中面临盆地形成演化与活动断裂规避、第四系下限与关中盆地三维地质结构重建、水系演化与城市发展、历史时期古洪水事件与海绵城市建设等基础地质问题。研究表明:①关中裂陷形成于中晚白垩纪,始新世开始成湖,经过多次断陷与隆起,形成2个沉积中心,到上新世时湖泊扩展达到最大范围,盆地第四纪以来仍处于持续、缓慢的下降接受沉积过程,受秦岭持续构造隆升的影响,沉积中心由南向北迁移,这将对城市群布局产生重要影响。关中盆地城市群建设要回避断裂交汇处、端点和断层运动的枢纽部位。②建议将绿三门组划为上新统,不宜划分到第四系,三门组的形成时代是穿时的,在关中盆地第四系与地下空间规划的时候需要进行关注和纠正。③城市规划建设要遵循河湖演化的自然规律和区域地质地貌特征,千年、百年一遇的洪水水位分别高于河漫滩7m和2.2m,最大年降水量超过900mm,但季节分布不均,可作为城市防洪水和海绵城市建设的设计依据。     

浅析过钻头测井面临的挑战及应对策略

本文研究了时下热门的过钻头测井技术。过钻头测井技术是21世纪以来新兴的测井方式,不同于以往的电缆测井和随钻测井。过钻头测井主要是在水平井、大斜度井段实施测量,自该技术开发以来,解决了多种技术难题。同时,过钻头测井技术也暴露出各种问题,主要就体现在(1)抗温抗压性能;(2)垂向分辨率和测量精度;(3)测量项目。本文着重介绍了这三个方面的认识与看法,提出了一些解决方案,并简要叙述了过钻头测井技术的发展方向。     

毛乌素沙地风沙滩区降水入渗响应研究

为研究毛乌素沙地地下水浅埋区降水入渗补给滞后响应时间,确定补给滞后的影响因素,为该地水文生态保护与地下水资源评价提供科学依据,以陕北毛乌素沙地风沙滩区为研究区,基于原位试验数据和相关分析法,分析土壤含水率和地下水位对降水入渗的响应机制,运用土壤水均衡分析探讨降水入渗响应与各影响因素的关系式。结果表明,小雨型降水土壤含水率响应深度为0~10cm,中雨型为10~90cm,大雨型与暴雨型均>90cm。最大响应深度z与降水量P显著线性相关。在地下水位一定的前提下,随着前期累计降水增大,当前降水入渗响应深度也增大,前期累计降水对当前降水入渗的影响时段在144 h以内。雨后土壤水分与地下水补给均存在滞后。入渗响应滞后时间与土壤深度呈正比,与降水强度和土壤初始导水率的差成反比。     

山区城镇地质灾害调查与风险评价方法及实践

山区城镇化、新农村建设、乡村振兴和脱贫攻坚大都面临着地质灾害的威胁,开展大比例尺地质灾害调查和风险评价,从源头控制地质灾害风险具有重要的战略意义。笔者在试点调查与评价的基础上,提出了一套山区城镇地质灾害调查与风险评价的思路和技术方法。山区城镇地质灾害调查与风险评价按照目的和比例尺精度的不同可分为3个层次:①区域远程地质灾害调查与风险评价,评价山区城镇遭受远程地质灾害的可能性,比例尺为1∶50 000。②城区地质灾害调查与风险评价,调查山区城镇周边区域每个斜坡和沟谷,评价其变形失稳的可能性及危害程度,比例尺为1∶10 000。③场地地质灾害调查与风险评价,评价重大工程建设、旅游景点等重要场地周边斜坡和沟谷变形破坏的可能性及危害程度,比例尺为1∶5 000~1∶2 000。对每个层次地质灾害调查与风险评价的内容、方法和过程进行了阐述,并以陕南秦巴山区和陕北黄土高原区典型山区城镇为研究区,建立了山区城镇地质灾害调查与风险评价应用示范。     

关中盆地城市群地下文物遗迹精准探测——以茂陵为例

关中盆地是华夏文明重要发祥地,拥有厚重的历史文化底蕴,留下灿烂的地下历史文化遗迹,但因其隐藏于地下,观赏性不强,制约着具有世界影响力的历史文化旅游品牌的打造。以举世闻名的茂陵为探测区,采用无人机航测、地面调查、高密度电法、地质雷达、高精度磁测及微重力等地面无损探测技术,对帝陵进行了精准探测,发现茂陵地宫位于封土堆之下距水平面约30~40m深,呈东西长约100m,南北宽约60m的矩形体;地宫基本完整,未坍塌;探测出南墓道、东墓道和北墓道的位置和深度与考古钻探探测出的结果基本一致。在此基础上利用3D Max软件平台等,可虚拟再现汉武帝茂陵辉煌规模及地宫形态。向游客展现汉武帝茂陵地宫的结构、景观以及时代与地域背景,将大幅度提升旅游产品品质。     

黄土水敏性及其时空分布规律

黄土是一种具有水敏性的特殊土,天然状态下可以长期保持直立高陡的状态,遇水后呈现出崩解、湿陷、滑动、流变等变形行为。开展黄土的水敏性特性及其时空分布规律研究,对指导黄土高原工程建设和防灾减灾具有重要的现实意义。笔者在非饱和土力学的框架下,引入吸应力的概念,对黄土的水敏性及其力学机制进行解释,即水敏性的本质是,随着含水率的增大,土体内部吸应力逐渐减小,对应不同的外界边界条件时,产生崩解、湿陷、滑动、流变等不同的宏观变形行为。在黄土高原从西到东、从北向南不同空间位置的黄土剖面的不同的层位,系统采集黄土样品,基于TRIM试验测试技术,开展样品的土-水特征曲线与吸应力特征曲线测试。试验结果表明,脱湿与吸湿条件下的各曲线呈现相同的变化规律,均存在3个明显的特征段。黄土对水的敏感程度随其沉积年代和在黄土高原分布位置的不同,呈现出规律性的变化。空间上,从西向东、由北向南,水敏性增强;时间上,沉积年代由老到新,水敏性增强。     

负压对抽采钻孔孔周煤体瓦斯渗流特性的影响

抽采负压是影响钻孔孔周煤体瓦斯渗流规律的重要因素之一,为了深入研究负压变化对煤体瓦斯渗流特性的影响,通过设计瓦斯渗流特性相似模拟试验平台对孔内瓦斯流动规律进行测定,并运用数值软件对孔周煤体内瓦斯渗流状态进行分析,结合上述结论对钻孔孔周煤体瓦斯渗流特性进行研究。结果表明:抽采负压提供孔周煤体瓦斯向钻孔内渗流的动力,负压值设定为25~35 kPa时,可保证雷诺数集中分布在10~20之间,其低速紊流状态有利于瓦斯高效抽采;随着抽采时间的增加,负压对瓦斯的引流作用逐渐减弱,瓦斯流量随时间呈现负指数衰减规律,煤体渗流速率饱和值处于7.41×10^-6-1.30×10^-5 m/s之间;煤体内部黏滞阻力对瓦斯渗流存在抑制作用,随着抽采负压的增大,孔口负压上升趋势比孔周煤体内负压上升趋势更快,说明抽采负压变化对钻孔孔口负压的影响更为显著。     

用微波炉快速测定黄土含水率最佳烘干时间的确定

以往现场测定黄土含水率的方法主要有烘干法、酒精灼烧发、比重计法、碳酸钙气压法等。微波炉的出现给含水率测定带来新的途径。微波炉烘干是否破坏了有机质,测试数据是否有效,最佳烘干时间是多少成为不可逾越的问题。笔者以延安地区黄土及红黏土为研究对象,采用微波炉烘干和常规实验室烘箱烘干方法,对比了不同烘干时间的土样含水率,确定了土样含水率达到稳定时的烘干时间。结果表明:微波炉烘干达到10min后,其结果与烘箱烘干法一致,方法有效;微波炉设定高火力,延安马兰黄土(Qp3)烘干时间为7min,离石黄土(Qp2)烘干时间为8min,对新近系N2b-j组红粘土烘干时间为10min;与烘箱烘干法相比,波炉烘干法可现场测试,省去了送样和和长时间烘烤时间,显著提高了工作效率,可作为工程施工及地质调查现场快速测定含水率的方法。     

洛川典型剖面黄土的非饱和参数测试与分析

土-水特征曲线是反映非饱和土基本特性的本构曲线,是土质斜坡非饱和渗流和力学机制分析中的重要参数。但受限于实验设备和测试技术等条件的限制,使得土-水特征曲线的测试耗时长、难度大,且多数测试方法难以实现全吸力范围内(0~106kPa)的曲线测定,间接获取土-水特性曲线的模型拟合法,通常又存在因参数多解性而导致的结果失真等问题。现有的黄土高原非饱和特征曲线测试结果多集中于马兰黄土(L1),而其下的几十层黄土、古土壤的测试尚基本属于空白。笔者基于TRIM试验测试技术,对洛川黄土剖面的29层黄土-古土壤序列进行测试,获取了土-水特征曲线、吸应力特征曲线和渗透系数函数等系列参数,建立了黄土高原非饱和黄土工程特性标准剖面。通过对各参数综合分析发现,各物性参数在垂向上随深度呈现相似的变化规律,且均在黄土-古土壤的接触带参数变化较大;粘土矿物成分和孔隙结构特征是影响非饱和土-水特征曲线的重要参数,且与曲线参数α、n存在一定的非线性关系。     

中国地质环境脆弱性评价

中国地质环境具有先天脆弱性,空间分布存在巨大差异,对于区域生产力布局、工程建设、国土空间开发等社会经济诸多方面具有很大的影响。本研究基于ArcGIS平台,采用层次分析法构建包含地质构造、地表形态、组成物质三大类9个一级指标的地质环境脆弱性评价指标体系;将地壳稳定性、断裂带分布、海拔高度等9个脆弱性指标图层进行线性变换归一化处理,得到各指标标准值图层;运用因子相关分析法,分析9个脆弱性指标间相关性;应用主成分分析法,将相关性显著重复的要素删去,重新组合成一组新的互相无关的综合脆弱性要素;以主成分要素对应的方差贡献率作为权重,应用综合指数模型,完成地质环境脆弱性综合评价;在区位理论及空间统计的支持下进行进行分区,将全国划分为微度、轻微度、轻度、中度、重度和极度等6类脆弱区;综合分析中国地质环境脆弱性分布的空间特征及区域差异。研究结果表明,总体脆弱是中国地质环境的突出特征,中度至极度脆弱区面积约占中国全国土地面积的1/3,这是中国国土空间开发所面临的自然基础条件;中国区域地质环境脆弱程度呈现西北高东南低、西南高东北低且镶嵌式分布的总体空间格局,大致以贺兰山-六盘山-邛崃山-乌蒙山一线为界,此线以西地区地质环境脆弱程度高,此线以东地区地质环境脆弱程度低。