山东大学学报 (工学版)

活动断层下城市地铁隧道变形破坏与损伤

肖文斌,谢印标,郑扬,武科,陈榕,李秋雷,程睿哲

2023, 53(3): 1-13. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.354

摘要 ( 454 )

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依托某跨断层隧道工程, 建立断层-隧道-围岩的精细化三维数值模型, 考虑实际盾构施工中的注浆压力、顶推力、注浆时效硬化和材料的非线性行为。通过数值模型分析盾构隧道穿越不同宽度、倾角、倾向的断层破碎带时的变形机制、力学特性及损伤演化, 利用控制变量法分别改变断层的宽度、倾角和倾向来研究单一变量的影响。研究结果表明：隧道拱顶的变形和损伤面积与断层宽度的增加呈现正相关, 随着断层宽度的增加拱顶挤压现象更加明显, 但当断层宽度增加至一定限值时, 衬砌拱顶将脱离围岩向洞内凹陷, 拱顶的应力呈现先增大后减小的趋势；随着断层倾角的增加, 衬砌拱顶向洞内收敛量先增后减小, 初始损伤位置与断层倾角相关; 断层倾向增加使隧道的损伤范围和程度不断减小, 环向应力集中受断层倾向影响较明显, 随断层倾向的增加, 雷达应力图由“X”逐渐转变为“十”字形。在隧道选址阶段, 应尽量让隧道正交穿越断层且在穿越较宽的断层时提前采取预加固措施来保证隧道的安全稳定性。

含水率对土钉锚固土体抗剪性能影响

刘子豪,张建成,张波,范志鑫,李成新,杨惠茗,李景龙

2023, 53(3): 14-22. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.538

摘要 ( 368 )

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选取含水率为10%~30%的土钉锚固土,研究含水率对锚固土体抗剪性能的影响规律。研发一种室内制作锚固土试件的装置,对不同含水率的土钉锚固土试件进行直剪试验,分析含水率对土钉锚固土体抗剪性能的影响效果。利用电子显微镜观察不同含水率时土颗粒的排列结构,定性解释含水率对锚固土抗剪性能的影响机理。结果表明,锚固土的抗剪强度包含土体本身的抗剪强度和土钉对土体的加固作用。含水率对土钉的锚固效果有明显影响,为15%~22%时土钉能发挥最优抗剪加固作用,土钉的锚固作用可以减缓水对土体抗剪性能的削弱,降低土体突然破坏的概率。含水率变化会改变压实土体的颗粒排列结构,影响土体的剪切过程,进而影响土钉的抗剪加固效果。得到不同锚固条件下以含水率为自变量的抗剪强度经验公式,为工程中计算和校核锚固土的抗剪强度提供了一定的理论依据。

8度地震烈度区新民隧道出口处边坡的稳定性

王心泉,王智猛,牛犇,蒋恒,冯春

2023, 53(3): 23-30. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.218

摘要 ( 317 )

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为预防地震导致的滑坡对道路的危害,保证交通的安全性,基于连续-非连续单元法,根据新民隧道出口高陡岩质边坡地质资料建立数值分析模型,采用数值模拟方法对该高陡岩质边坡进行地震作用下的稳定性分析。研究表明,该处边坡在自然状态下处于基本稳定状态,在地震作用下,坡体前部出现破裂,出现岩石掉落情况。针对破裂岩体,对不同加固方式下的边坡安全系数进行分析,模拟发现隧道上方倒悬体在地震作用后具有较高的破裂崩塌风险,需进行重点加固。

P波入射含顺层结构面岩质边坡引起的振动

柴少波,史杰辉,阿比尔的,刘钦,宋浪

2023, 53(3): 31-40. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.506

摘要 ( 352 )

PDF (3228KB) ( 239 )

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假定岩体为开尔文非线性体、结构面法向满足Barton-Bandis模型、切向满足库仑滑移模型,基于时域递归法得到应力波在岩体和结构面中的传播方程。根据简化的边坡模型,结合应力波传播路径和时间延迟,对结构面与边坡坡面之间的多重反射波的传播情况进行分析,利用叠加原理得到边坡面上任意质点的法向和切向振动速度表达式。通过数值模拟对比验证理论分析的准确性,并对本研究理论和数值方法的适用范围进行简要说明。研究结果表明,结构面的刚度、监测点水平位置、坡角和坡脚竖向距离等均会对边坡振动放大效应产生一定的影响。从理论方面阐明岩体结构面对坡面质点振动放大效应的影响规律,为岩质边坡动力响应的深入研究提供理论依据。

济南非饱和土基坑支护设计

李连祥,李红波,韩刚,郭龙德,赵仕磊

2023, 53(3): 41-49. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.080

摘要 ( 352 )

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为推进非饱和土理论在基坑支护设计中的应用,建立非饱和土地区基坑挡土结构内力分析的平面杆系结构弹性支点法,针对济南非饱和土地区某基坑工程实例,进行控制吸力与围压的非饱和土三轴试验,利用同类项目现场基质吸力监测,获得夏秋、冬春季节济南非饱和土基质吸力分布规律,明确弹性支点法与PLAXIS 3D非饱和土参数的调用方法,得到非饱和土基坑支护结构的受力与变形。结果表明,非饱和土比饱和土基坑主动区最大土压力减小10%~20%,支护结构最大弯矩与剪力减少25%~60%,最大侧向位移减少60%,与基坑监测数据基本一致,证明非饱和土区域按照非饱和土理论进行基坑支护设计的正确性和必要性。提出并分析优化设计方向,建议优化围护桩墙刚度,去掉或调整第一道锚索或支撑位置,从而减少投资和工期,为非饱和土理论工程应用推广提供效益支持。

无内腹板式钢索塔锚固区的力学性能分析

王晓明,朱传超,许航,贺耀北,韩昭,李兆辉,黄春杨

2023, 53(3): 50-59. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.396

摘要 ( 334 )

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为了适应空间曲线塔柱的造型与受力,空间错位布设的拉索锚梁需要舍弃内腹板,增加自身长度直接焊接于索塔壁板。由于缺失了内腹板的对拉锚固作用,使得无内腹板式钢索塔锚固区的传力机理、承载能力具有明显特殊性。通过数值模拟方法对无内腹板式索塔锚固区进行弹塑性全过程分析,并用模型试验数据进行对比验证,研究无内腹板式索塔锚固区的力学性能并进行优化设计。结果表明,不设内腹板明显降低了拉索锚梁的刚度,无内腹板式拉索锚梁结构的极限承载力为11 130 kN,达2.8倍设计荷载,安全储备充裕,且未出现扭转现象。索力主要由拉索锚梁的支承板N1进行传递,支承板N1与索塔壁板间的焊缝是关键传力部位,可实现71%的索力传递,但此处易出现应力集中现象。增加边跨侧拉索锚梁B17支承板N1的厚度可改善结构的受力性能,有效减少应力集中。

围压作用下土-结构接触渗流特性

刘健,杨浩,崔晓琳

2023, 53(3): 60-68. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.598

摘要 ( 409 )

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针对土与结构接触渗流过程中颗粒流失问题, 基于渗流和围压联合作用下接触渗流破坏试验装置, 试验研究黏粒质量分数、围压、接触面粗糙程度3种因素对该条件下颗粒冲蚀过程的影响效果。渗流和围压联合作用下土-结构接触面颗粒冲蚀呈现渗流稳定阶段、颗粒迁移阶段、颗粒冲蚀阶段3个阶段。通过多因素方差分析计算3种因素对土-结构接触面颗粒冲蚀各条件指标的影响, 在95%置信区间内黏粒质量分数的影响性最大, 围压次之, 粗糙度最小; 采用准牛顿法进行公式拟合后, 提出接触面颗粒冲蚀条件影响公式。本研究成果可为含接触面基础设施设计提供数据支撑。

基于CFD的铣槽机泥浆运移规律数值模拟及施工优化

刘祥坤,李树忱,王修伟,田野,许京伟,魏清武,赵永曦

2023, 53(3): 69-77. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.144

摘要 ( 370 )

PDF (11961KB) ( 85 )

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以铣槽机泥浆运移过程为研究对象,利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)中的欧拉两相流模型,对泥浆管中的固液两相流进行模拟,并改变泥浆入口流速、泥浆黏度及密度等基本参数,得到不同参数条件下泥浆整体运移规律。结果表明:随着开挖深度增大,泥浆管压力损失减小,最大颗粒体积分数变化不明显;随着入口流速增大,最大颗粒体积分数呈现先减小后增大趋势,入口流速约为5~7 m/s时具有最小的颗粒堆积浓度;随着泥浆黏度及密度增大,泥浆运移时颗粒堆积情况减少,但泥浆黏度超过2.5 kg/(m·s)时,对泥浆携渣能力的提升作用减弱,泥浆管路压力损失明显增大;对比分析不同地层硬度导致颗粒直径变化对泥浆运移的影响,颗粒直径增大,颗粒堆积情况显著增加。根据模拟结果,对双轮铣地连墙施工提出优化措施,为解决泥浆循环过程中输送阻力大、管道淤堵等问题提供相应指导。

浅埋煤层开采诱发地下水渗流过程

李婧,张伟俊,李赟鹏,冯春,张一鸣

2023, 53(3): 78-87. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.451

摘要 ( 307 )

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针对榆神矿区覆岩层的红土层遇水展现出的裂隙张开-弥合效应,采用连续-非连续单元法(continuous-discontinuous element method, CDEM)研究表征黏性土层塑性变形特征的力学本构,对该地区黏土层中裂隙张开-弥合过程重现,并对浅层煤层开采诱发的水-力渗流过程展开分析。结果表明,红土层遇水膨胀,对周围土体产生挤压作用,部分裂缝会发生弥合现象,破裂度和导水裂隙带减少,土体体应变增大,整体位移上升,模拟结果的导水裂隙带高度与经验公式对比,相对误差为4%。与页岩水力压裂试验结果对比,裂缝发育面积、位置和厚度基本一致,验证了该模拟的有效性。

预应力混凝土空心板梁抗剪承载力分析

于洋,石南,高磊,赵国浩,张峰

2023, 53(3): 88-95. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.531

摘要 ( 506 )

PDF (8604KB) ( 74 )

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基于12片不同跨径预应力混凝土空心板梁的抗剪承载力试验,针对板梁破坏模式、极限承载力等开展分析,研究预应力混凝土空心板梁的抗剪性能,总结已有空心板梁抗剪承载力计算方法并通过试验结果进行校验。分析混凝土和箍筋的抗剪承载力,提出基于斜裂缝水平投影的抗剪承载力计算公式。研究结果表明,各试验梁均表现为剪压破坏,梁端钢绞线产生滑移。当梁剪跨比增大时,极限荷载减小,而加载点位移增大。不同方法计算得到的试验梁安全评价和离散度均是JTG3362规范最大,Marí模型最小;提出的考虑斜裂缝水平投影长度的抗剪承载力预测模型,抗剪承载力试验结果与预测模型比值为1.10,实现对空心板梁极限抗剪承载力的更准确预测。

纤维增强型桥面防水层优化设计与性能

曹卫东,任宪富,娄术荣,张同国,侯宗良,张吉哲

2023, 53(3): 96-103. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.165

摘要 ( 327 )

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为提高水泥混凝土桥面防水层的性能,采用复合改性沥青、玻璃纤维、单粒径碎石等材料设计一种纤维增强型桥面防水层。通过正交试验设计、剪切试验与拉拔试验研究复合改性沥青类型、纤维用量、沥青喷涂量与碎石覆盖率对防水层剪切强度与拉拔强度的影响,确定本研究范围内的最优方案。结果表明,纤维增强型桥面防水层的最优方案是复合改性沥青(脱硫胶粉质量分数为18%、SBS质量分数为2%的复合改性70号沥青),纤维用量为0.15 kg/m²,沥青喷涂量为2.5 kg/m²,碎石覆盖率为80%;推荐方案的剪切强度、拉拔强度、抗施工损伤性能、抗渗性能均满足规范要求,且优于常用的SBS改性沥青碎石桥面防水层。

配置HTRB600E高强钢筋装配式圆形桥墩的抗震性能

许英东,崔言继,朱志鑫,任晓倩,陈帅,张朋,付涛

2023, 53(3): 104-112. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.170

摘要 ( 363 )

PDF (9766KB) ( 194 )

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为提高预制装配式桥墩水平抗弯承载力,提出墩身内配置HTRB600E高强钢筋的预制装配式圆形桥墩,设计制作基于灌浆套筒连接的配置HTRB600E高强钢筋预制装配式圆形桥墩试件。对试件进行拟静力试验,分析配置HTRB600E高强钢筋预制装配式圆形桥墩的破坏形态、承载能力、耗能能力、刚度退化和位移延性等抗震性能指标,并与配置HRB400E的预制装配式圆形桥墩试件相对比,研究HTRB600E高强钢筋对预制装配式圆形桥墩抗震性能的影响。研究结果表明:相较于配置HRB400E的预制装配式圆形桥墩,配置HTRB600E高强钢筋的预制装配式圆形桥墩水平抗弯承载力明显提高,墩身初始切线刚度有所增大,加载初期墩身抵抗变形能力有所增强,耗能能力提高明显,刚度退化速率有所减小。配置HTRB600E高强钢筋对预制装配式桥墩抗震性能产生积极影响,减少墩身塑性损伤,优化桥墩整体抗震性能。

基础水平位移对输电塔受力影响及其限值研究

刘正伟,底尚尚,张丽娟,刘凯悦,田利,李萌菲

2023, 53(3): 113-120. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.405

摘要 ( 382 )

PDF (11862KB) ( 66 )

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运用有限元分析软件,建立桩-土-输电塔有限元耦合模型,基于输电塔杆件破坏失效准则,考虑不同基础组合工况,研究基础水平位移变化对输电塔受力影响规律,提出基础桩顶位移限值。研究结果表明,基础水平位移对输电塔塔腿杆件内力影响较大,线弹性阶段,杆件内力与基础水平位移呈线性关系;考虑杆件应力和破坏准则,得到两个典型基础桩顶水平位移限值为42 mm和69 mm。本研究可为输电塔基础设计提供指导。

矸石混合骨料混凝土力学特性及孔隙结构试验研究

李温,王海龙,张佳豪,杨虹,王磊,冯帅

2023, 53(3): 121-127. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.449

摘要 ( 472 )

PDF (3675KB) ( 279 )

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为研究煤矸石取代率对浮石轻骨料混凝土力学性能的影响,测定矸石混合骨料混凝土的立方体抗压应力-应变全曲线及内部孔隙结构,分析煤矸石取代率对矸石混合骨料混凝土的抗压强度、应力-应变全曲线形状、特征参数和内部孔隙结构变化特征规律。随煤矸石取代率增加,矸石混合骨料混凝土立方体抗压强度呈先上升后下降的趋势,劈裂抗拉强度呈现下降趋势;指数函数关系式较高精度表述不同取代率与劈裂抗拉强度的关系;通过峰值应力、应变和弹性模量等力学参数确定最优取代率为60%;随着取代率增加,混凝土内部微小孔隙总体积占总孔隙体积增加,大、中孔隙体积占总孔隙体积减少,浮石和煤矸石本身材料性质具有使混凝土内部孔隙增多的缺点,而煤矸石和浮石混掺减少了内部孔隙,优化了孔隙结构。

中度镉污染农田安全利用技术模式

吕城,刘倩,王坤,黄现民,于小晶,戴九兰

2023, 53(3): 128-137. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.362

摘要 ( 360 )

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为提出一个经济有效的镉污染农田安全利用技术模式，通过大田试验，比较土壤单独施用复合菌渣、叶面单独喷施糖醇锌和两者联用处理，对低镉积累小麦品种济麦22和高镉积累小麦品种周麦32收获期土壤pH及有效态镉质量分数、产量及其构成因素、籽粒镉质量分数的影响以及风险效益分析。结果表明：单独施用复合菌渣或与喷施糖醇锌联用处理使两个小麦品种土壤pH显著提高0.61~0.69，土壤有效态镉质量分数显著降低40%~62%；联用处理使两个小麦品种的穗粒数、千粒重和产量分别显著提高16%~19%、5%、23%~26%；3种处理措施使两个小麦品种籽粒镉质量分数显著降低46%~76%，且联用效果优于单一处理，尤其使济麦22农产品质量达到合格，且增加了经济效益。研究表明，土壤施用复合菌渣-叶面喷施糖醇锌-济麦22是一种可行的技术模式，为实现中度镉污染农田安全利用和农产品质量安全提供了技术支撑。

泰安大气VOCs的垂直分布特征及影响

葛衍珍,杨敏敏,吴婉琪,曹方方,崔然,李晓萌,赵欣然,王艳,陈建民

2023, 53(3): 138-146. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.416

摘要 ( 451 )

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为了探究大气挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)的垂直分布特征,利用GC-MS-FID连用仪,依托泰山进行泰安不同高度大气VOCs的研究,并分析臭氧生成的影响。研究结果显示,大津口(海拔330 m)总挥发性有机物(total VOCs,TVOCs)的体积分数最高,为72.6×10^-9,臭氧生成潜势(ozone formation potential, OFP)也最高,源于本地机动车芳香烃的排放,与高山地形也有关;其次为农大(地面,TVOCs的体积分数为61.4×10^-9)和玉皇顶(海拔1 534 m,TVOCs的体积分数为60.5×10^-9);扇子崖(海拔500 m)TVOCs的体积分数最低,为41.2×10^-9。不同站点大气中烷烃占比均最高,但VOCs的OFP优势物种不同。农大VOCs的OFP优势物种为烯烃,受交通和工业排放的影响较大;扇子崖和玉皇顶VOCs的OFP最低,其中扇子崖站点周围没有明显的排放源,且区域输送影响较低,玉皇顶主要受到高空大气输送的影响。揭示了大气VOCs的垂直分布差异,与排放源、区域输送和高山地形等都有关,也为山地城市大气VOCs和臭氧区域控制提供了数据支持和理论依据。

济南市社区居民血清中PFASs内暴露水平及影响因素

朱雨婷,严文保,徐菲,姜政廷,赵楠,丁磊

2023, 53(3): 147-154. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.398

摘要 ( 513 )

PDF (926KB) ( 241 )

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为了解中国一般人群体内全氟及多氟烷基化合物(per- and polyfluoroalkyl substances,PFASs)的暴露水平,通过超高效液相色谱串联质谱法测定济南市84名非职业暴露人群血清样本中19种传统和新型PFASs,并探究不同性别、年龄和身体质量指数(body mass index, BMI)参与者PFASs暴露水平的差异。研究结果表明:大多数种类的PFASs都能检出,其中全氟辛酸、全氟辛基磺酸和全氟己烷磺酸的中值质量浓度较高,分别为14.0、8.4和2.5 ng/mL,6∶2氯代多氟醚基磺酸这一新型PFAS的中值质量浓度也可达1.8 ng/mL,仅次于上述3种传统PFASs;大多数PFASs在血清中的质量浓度水平显著正相关,提示其有相似的来源、暴露途径和/或代谢过程;部分血清PFASs质量浓度在性别、年龄段、BMI组中存在显著差异。本研究为后续PFASs的人群暴露与健康风险研究的先导性研究。

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