浅谈城市地下空间开发中的关键科学问题与创新思路

城市地下空间开发是提高城市土地利用率,扩大城市容积率,增强城市综合承载能力,缓解交通拥堵,解决环境污染及洪涝灾害等“城市病”,促进城市可持续发展的重要途径。概述了目前我国城市地下空间开发中存在的问题及危害,分析了城市地下空间开发中涉及地下建筑结构与地质结构系统的关键科学问题：地质结构要素间的多场耦合作用机理不清;地质结构系统动态平衡的动力学机制不明;地质结构与地下建筑结构的互馈机理仍需深入探索;地下建筑结构的灾变机理及其演化的动力学机制不清;地下空间工程的灾害预测与动态调控机制有待深入研究。最后提出了相应的创新思路：研究施工扰动下地质结构的多场耦合作用机制与边际效应以及地质结构与地下建筑结构在多场耦合作用下的互馈机制和综合系统的动力学过程,概化其力学模型;厘清内外动力作用对地下建筑结构的边界效应及材料性能劣化机制,破解复杂地质结构环境下地下建筑结构灾变机理及演化过程,建立地下建筑结构与地质结构综合系统的灾变理论;建立城市地下空间工程灾害超前判识、预警预报与风险控制理论及安全防护理论体系,形成地下空间工程的防灾减灾机制。     

融合区域潜在落石源区识别的峡谷区落石危险性评价

山西壶关太行山大峡谷景区为中国最美十大峡谷之一,但景区落石灾害频发,严重威胁景区安全运营。本文基于高精度地形信息与岩土体强度特性,采用坡度角分布方法开展区域尺度潜在落石源区识别,并引入岩体破坏敏感性指标定量描述潜在落石源区失稳概率。然后,利用经验模型Flow-R模拟落石运动扩散过程,获取落石的传播概率与能量分布情况。最后,提出落石危险性双因子评价模型实现落石危险性定量评估。获得主要结论如下:(1)研究区内潜在落石源区面积为25.7 km2(35.7%),主要以条带状分布于峡谷两侧陡壁。其中岩体破坏高敏感性区为3.3 km2。(2)研究区落石高危险区面积达3.22 km2,主要威胁景区内游客集散地与交通线路,尤其在S327荫林线红豆峡入口处落石危险性最高。(3)野外调查验证结果表明了应用坡度角分布方法识别潜在落石源区的高效性与准确性,提出的双因子评价模型可为峡谷区落石危险性评估提供快速解决方案。本文提出的“区域落石源区识别-源区失稳概率分析-落石危险性评估”的一整套技术方案能够为类似的高山峡谷区落石灾害早期识别及风险防控提供技术参考。     

神经网络在工程场地稳定性评价中的应用

本文应用ＢＰ网络对厦门海沧开发区工程场地的稳定性进行了综合评价,其评价结果与实际情况吻合一致。为工程场地地质质量评估提供了科学依据,同时也表明人工神经网络是解决此类问题的理想方法之一。     

区域地震稳定性的区域地震动力学评价

运用区域地震动力学理论。分孕震、发震和应震等3个专题层,系统评价了渭河盆地地震稳定性。研究认为渭河盆地拥有多层立交孕震模式,当局部孕震单元满足发震动力学条件时,多以粘滑断错模式发震,同时因边界效应断块发生升降运动,对地震作用的地震响应模式可概化为下托上展。研究表明,区域地震动力学理论更全面深入地刻画了区域地震稳定性,是一种区域地震稳定性评价的有效方法。     

西安城区地裂缝破裂扩展的数值模拟

西安城区由于其复杂、特殊的地质条件,成为世界上地裂缝发育最典型的城市,这给建设中的西安地铁带来了全新的课题。隐伏地裂缝在黄土中的扩展机理,影响范围,影响程度等问题,都是西安地铁建设中所广泛关注和亟待解决的问题。为研究黄土中地裂缝的扩展机理和扩展特征,笔者结合大型物理模型试验结果,利用数值模拟的方法,建立了三维数值分析模型,进行了不同工况的对比分析研究。研究表明,采用数值模拟的结果与模型试验以及调查所见地裂缝带上建筑物的破裂形式基本一致,这说明用数值模拟进行地裂缝扩展分析是有效的。     

黄河大柳树坝址区域F201断层工程断错可能性及其效应分析

坐落于中卫—同心逆冲断裂带中间部位的黄河黑山峡大柳树坝址距F201发震断层垂直距离不足1.5km。在坝址区内,中卫—同心断裂带由数条断层组成,并可进一步分为主干断层、分支断层。这些断层与主干断层F201具有密切关系。统计表明,在青藏高原及其周缘地区,当发生7级以上破坏性地震时,距发震断裂两侧3~5km的范围内都有可能出现断层的分支破裂、次生破裂等错断效应。晚更新世以来沿F201发生过多次地震破裂事件,大柳树坝址处于7级以上地震时的分支破裂发生带内,因此存在工程错断可能。三维有限元数值模拟结果表明,F201发生错动时,坝址地段分支断层F93、F39、F40相对于F201的错动比率处分别达到14.38%、12.00%和9.84%以上。     

晋西公路黄土洞穴的危害及三维数值分析研究

黄土洞穴是晋西黄土高原发育的一种特殊地质灾害。文章在晋西黄土区调查基础上得出,黄土洞穴对公路的危害主要包括对路基路面的破坏、对路堤路堑边坡的破坏及对排水设施的破坏。文章运用三维有限元法分析黄土洞穴在自重环境下对公路路基路面的危害情况及洞穴周围剪应力的变化,得出基于洞穴位置与洞径大小双变量情况下的洞顶临界埋深求解方法,为公路洞穴的有效防治措施提供依据。     

黄土填方高边坡变形破坏机制分析

本文依据西北某油田倒班基地黄土填方高陡边坡工程勘察, 研究了该边坡的变形破坏机制, 通过对边坡工程地质条件及变形破坏分析, 建立FLAC3D地质模型, 采用数值模拟方法研究了边坡变形破坏机制。研究结果表明, 主要变形区或破坏区为陡坎周围至其沿坡面向下20～25m 的范围之间, 其破坏深度底界为全新世填土层Q4与原状黄土Q3接触面, 但要重点控制沿坡面向下20～25m 的范围之间的变形。数值模拟结果表明, 该边坡目前整体稳定性较好, 不会发生整体变形破坏。     

西安地裂缝场地地震效应分析

地裂缝是由内、外营力以及人类活动等因素的作用引致发生的一种地面破坏现象。在这种不良的地质条件下,必然会对场地的地震响应带来一定程度的影响。针对地裂缝场地地震效应研究和工程评价的不足,采用有限元法研究了地震荷载作用下,地裂缝对场地地震动效应的影响问题。分析得出了地裂缝对场地地表水平峰值加速度及反应谱的影响特征和影响范围,为地裂缝场地工程结构的抗震设防和地裂缝灾害避让提供了新的参考。     

黄土地质灾害研究中的关键问题与创新思路

我国黄土高原不仅是中华民族的发源地,也是世界上惟一的最年轻、且正在堆积的高原,它记录着240万年以来全球自然环境和气候变化以及地表灾害演化的丰富信息,每年全国有近三分之一的地质灾害发生在这一地区。本文概述了黄土地质灾害的危害现状,分析了目前黄土地质灾害研究方面存在的关键科学问题,并提出了当前应重点开展的研究思路和课题:研究黄土地质结构和黄土介质力学行为对灾害孕育的协同控制规律,概化黄土重大灾害的基本成灾模式;破解复杂动力作用下黄土重大灾害发生、突变、演化机制和灾害链演变规律;建立黄土重大灾害超前判识、预警预报与风险控制的理论及技术方法体系,形成黄土地区重大灾害减灾示范。