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湖南大学学报·自然科学版

湖南大学学报·自然科学版

2025年01期

本刊是由教育部主管、湖南大学主办的综性学术理论刊物，面向国内外公开出版发行。主要报道湖南大学自然科学领域最新研究成果，也适当发表国内外同行专家的优秀学术论文。

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| 速度放大型电涡流扭矩阻尼器的缓速性能研究

| 速度放大型电涡流扭矩阻尼器的缓速性能研究

由于展开速度过快，旋转机构展开到预定形态时常引起机构与限位装置碰撞而造成损坏，如SpaceX公司生产的猎鹰9号火箭在折叠支腿展开过程中，过大转角速度可能导致支腿销铰破坏.加装阻尼器可减缓机构转速，提升展开安全性，是火箭稳定着陆的前提与保证.传统位移型阻尼器不具备速度适应能力，在应用于机构展开时存在展开卡死风险；而传统高压油液阻尼器在高速运作下易引发漏液造成失效.电涡流扭矩阻尼器作为一类新型的速度型阻尼器，可用于减缓机构转动角速度，具有不需外接电源、无工作流体、耐久性强等优势，但因永磁体与导体板的相对运动速度小导致其耗能效率不高，限制了其在工程中的应用.为加强传统复合管电涡流阻尼器性能，本文提出了一种磁路优化后的复合管电涡流扭矩阻尼器.相较于传统的复合管电涡流阻尼器，本文提出的阻尼器有更小的磁漏和安装体积，此外，加入齿轮增速装置提升其工作转速，进一步提升耗能性能.基于COMSOL分析软件建立了电涡流扭矩阻尼器的有限元模型，分析了空气间隙、导体管厚度、背铁厚度等参数对扭转阻尼系数的影响；同时考虑安装空间尺寸，推导了电涡流阻尼力计算公式，提出了复合管电涡流扭矩阻尼系数估算公式.制造了速度放大型电涡流扭矩阻尼器样机和展开机构原理验证装置，并进行了冲击缓速性能测试.研究结果表明，对于特定的阻尼器参数，合理地对永磁体及导体板的厚度取值，能获得较大的扭转阻尼系数；本文提出的阻尼系数估算方法能精确描述速度放大型电涡流扭矩阻尼器在阻尼线性段的力学性能；采用质量为12kg左右的阻尼器样机可将试验展开机构在最不利工况下的最终动能耗散效率达41.6%，具有较强耗能效率优势.
| 交通循环荷载下橡胶混凝土阻尼耗能特性试验研究

| 交通循环荷载下橡胶混凝土阻尼耗能特性试验研究

橡胶混凝土是以橡胶颗粒为附加集料形成的混凝土，其独特的物理特性和强化效果使其在土木工程中日益推广应用.为了研究橡胶混凝土作为桩承式低路堤体系中桩帽的可行性，制备了不同橡胶颗粒粒径和体积掺量的橡胶混凝土试件，开展了系列静力抗压试验和循环荷载下滞回特性试验，获得了橡胶混凝土的抗压强度、滞回耗能、阻尼损耗因子、动弹性模量等力学性能指标及其随橡胶颗粒粒径、体积掺量的变化规律.研究发现，随着橡胶颗粒体积掺量的增加，橡胶混凝土试件抗压强度和动弹性模量逐渐呈指数形式降低至某一临界值，该临界值大小与橡胶颗粒粒径大小有关，粒径越小，强度越小，动弹性模量越小；而滞回耗能、损耗因子随橡胶颗粒掺量呈现二次函数变化趋势，先增长后略微下降，且在橡胶颗粒掺量8%~10%左右达到峰值，相较于加载幅值水平，颗粒粒径对能耗的影响较小.
| 缓冲层-桩板墙组合支护膨胀土边坡现场试验研究

| 缓冲层-桩板墙组合支护膨胀土边坡现场试验研究

为研究缓冲层对桩板墙结构支护膨胀土边坡的力学与变形特性的影响，以湖北当阳某铁路膨胀土边坡的桩板墙-缓冲层［包括聚苯乙烯泡沫（EPS）缓冲层和袋装砂石缓冲层2种］组合支护结构为对象，通过实施现场试验，分析气候环境作用下该组合支护结构中的土体湿度、桩身位移、板后土压力及桩与板弯矩的变化规律，揭示不同缓冲层情况下膨胀土边坡-缓冲层-桩板墙组合支护结构的相互作用及其协同的力学与变形关系.结果表明：相比于袋装砂石缓冲层，EPS缓冲层能够更有效地降低侧向膨胀压力，在本试验中测得最大消减率为69%. 同时，EPS缓冲层能够及时响应气候环境引起的膨胀土胀缩变化，继而动态改善板后侧向总土压力的分布，而袋装砂石缓冲层对气候环境的响应能力明显相对较弱.膨胀土边坡-EPS缓冲层-桩板墙结构三者之间能够形成稳定的协调相互作用，进而降低膨胀土膨胀特性对桩间板弯矩的影响.
| 木-混凝土螺栓连接力学性能试验及承载力计算模型

| 木-混凝土螺栓连接力学性能试验及承载力计算模型

连接节点的设计是保证木-混凝土混合结构中两种材料协同工作的基础.为研究常用工程木-混凝土螺栓连接节点的力学性能及破坏模式，分别选用正交胶合木（Crosslaminatedtimber， CLT）-混凝土螺栓连接和云杉-松木-冷杉（Spruce Pine Fir， SPF）规格材-混凝土螺栓连接作为试验对象，设计了27组单调加载试验和低周往复加载试验，归纳并对比了两类木-混凝土螺栓连接的典型破坏模式.结果表明：木-混凝土螺栓连接节点承载力大小与螺栓屈服模式相关，CLT-混凝土螺栓连接相较于SPF-混凝土螺栓连接更易发生双铰破坏，且CLT-混凝土螺栓连接具有更好的延性.基于对两类连接力学性能差异的影响机理分析，考虑钢垫板对承载力的影响，并引入CLT等效截面，提出了木-混凝土螺栓连接的承载力力学模型.计算结果与试验结果对比的平均误差为12.18%，表明计算值与试验值吻合良好，可为木-混凝土螺栓连接的设计与应用提供参考.
| 装配式局部活性粉末混凝土梁柱节点恢复力模型

| 装配式局部活性粉末混凝土梁柱节点恢复力模型

为了验证所提出的装配式局部活性粉末混凝土框架梁柱节点的抗震性能，对4个足尺节点进行了低周反复荷载试验，在试验的基础之上，针对节点的连接特点，提出了强度和变形计算方法，构建了平顶的三折线骨架曲线理论模型.通过理论计算得到试验滞回曲线各阶段曲线刚度值，并拟合得到试件在低周往复荷载作用下各级加载、卸载刚度与加载位移角的关系，进而根据滞回规则建立恢复力模型.计算结果表明：通过理论计算所建立的三折线骨架曲线和滞回曲线与试验结果均吻合较好，能够较好地反映该类连接节点在各阶段的受力特点，为弹塑性分析和抗震设计提供理论依据.
| 带悬臂板单箱双室薄壁箱梁畸变效应分析

| 带悬臂板单箱双室薄壁箱梁畸变效应分析

为研究带悬臂板单箱双室薄壁箱梁的畸变效应，基于板梁框架法建立了畸变控制微分方程，给出竖向偏心集中荷载作用下该方程的初参数解，同时还导出了带悬臂板单箱双室截面箱梁畸变框架惯性矩的具体解析式.利用解析理论对悬臂梁和简支梁算例进行分析，研究结果表明：解析解与已有文献和有限元计算结果均吻合良好，验证了解析理论的正确性；通过参数分析可知，中腹板厚度越大，双室箱梁的抗畸变变形能力越强，中腹板厚度的变化对边腹板横向弯矩的影响很小，但中腹板的横向弯矩随其板厚的增大而增大，当中腹板厚度与边腹板厚度相等时，中腹板的横向弯矩可近似等于边腹板横向弯矩的2倍.
| 混凝土边框率对结构保温一体化墙板热工性能影响的试验研究

| 混凝土边框率对结构保温一体化墙板热工性能影响的试验研究

为了响应国家“十四五”规划大力发展装配式建筑，提升新建建筑节能水平的号召，助力国家“双碳”目标的实现，研发了一种预制结构保温一体化复合夹心墙板.墙板四周设置实心混凝土边框作为连接件，以实现墙板的全干式连接.边框的存在形成显著的热桥，这在很大程度上决定了墙板的热工性能.确定边框率对墙板热工性能的定量影响，对于墙板的构造设计优化和实际工程应用具有重要指导性作用.因此，本文设计了6组具有不同边框率的墙板试件，采用标定热箱法对试件进行测试，定量地分析边框率对预制墙板热工性能的影响规律.试验结果表明：混凝土边框的存在，不仅延长了墙板热传递达到稳态的时间，还极大降低了墙板的热工性能.边框率为19.94%、30.85%、40.95%、50.26%和61.43%时，墙板热阻值分别降低了79.26%、84.28%、87.48%、89.36%和91.10%.为满足现行建筑节能要求，在实际工程应用中要将墙板边框率控制在20%以内.通过对现有墙板热阻值计算方法和试验结果的对比分析，推荐采用区域法作为带边框墙板热阻值计算方法.
| 特高压长悬臂输电塔横担结构竖向地震易损性分析

| 特高压长悬臂输电塔横担结构竖向地震易损性分析

±800 kV特高压长悬臂输电塔横担结构属于高位水平长悬挑结构，对竖向地震作用比较敏感，亟须开展横担结构的竖向地震易损性分析研究.鉴于此，提出一个考虑多重性能水准的特高压长悬臂输电塔横担结构竖向地震易损性分析框架.首先，以某特高压长悬臂输电塔为研究对象建立有限元模型，分析了结构的竖向动力特性；其次，根据横担结构根部主材的应力比建立横担结构轻微、中度和严重破坏时的多重性能水准；最后，基于概率地震需求模型对横担结构开展竖向地震易损性分析.分析结果表明：长悬臂输电塔在竖向地震作用下受高阶振型影响显著，对结构竖向响应贡献显著的前三阶竖向模态依次为第16、26和29阶模态；在竖向地震作用下，横担根部主材是横担结构的主要受力杆件；与考虑横担结构根部拉弯主材强度破坏相比，在给定竖向地震动强度下，考虑压弯主材失稳破坏的横担结构失效概率明显较大.
| 钢模块单元承插式柱-柱节点弯剪承载力研究

| 钢模块单元承插式柱-柱节点弯剪承载力研究

提出一种新型承插式柱-柱节点，采用内外套筒作为上下钢管柱的拼接构件，仅通过高强对穿螺栓拼装，可以满足建筑结构装配化的需求. 针对其在弯剪作用下的承载性能，设计并制作了三个足尺试件进行静力加载试验，获得了节点的受力特征、破坏模式、极限承载力和应变分布等. 建立数值模型，在验证数值模型正确性的基础上，对节点进行参数化分析，探讨了套筒灌浆、内套筒厚度、节点长度对节点极限承载力的影响. 试验和数值模拟研究结果表明：内套筒近端板处至第一根竖向螺栓前是节点域传力的关键部位；套筒灌浆和减小节点长度能够延缓节点核心区应变发展，但影响程度有限；当保证节点长度和内外套筒相对抗弯刚度比一定时，套筒灌浆可使连接受力性能更优，极限承载力提高19.3%；控制其他参数相同，节点长度越大，“杠杆效应”越强，抗弯承载力也随之提高，节点长度由300 mm增加至600 mm，极限承载力提高15.1%；内套筒厚度越大，截面承载力的安全储备越高，内套筒厚度由8 mm增加至12 mm，极限承载力提高31.4%. 基于“有限塑性发展强度准则”和“杠杆效应”理论提出了节点的抗弯承载力计算公式，通过和数值计算结果的对比，验证了计算式的准确性.
| 变截面波形钢腹板悬臂梁抗剪性能研究

| 变截面波形钢腹板悬臂梁抗剪性能研究

为了在变截面波形钢腹板悬臂梁的剪应力计算时考虑翼板、腹板以及组合箱梁截面转角差异，首先从翼板、腹板以及组合箱梁截面转角出发建立位移函数，采用能量变分法将翼板与腹板承剪进行剥离，利用弯矩等效分离顶、底板承剪；其次结合变截面波形钢腹板组合箱梁的梁段分析单元刚度矩阵及节点荷载列阵建立了剪应力求解程序；最后分析了悬臂梁在不同荷载工况下顶、底板及腹板剪应力与承剪比.结果表明：相较于有限元计算结果，考虑转角差异后顶板、腹板和底板承剪比计算结果较已有变截面剪应力计算结果精度最大可提高3.48%、3.43%和6.91%；悬臂梁各组件承剪比取决于荷载形式，梁端集中荷载作用下，顶、底板各自承剪比达到最大，分别为自由端的12.82%和固定端的60.81%；均布荷载作用下，腹板承剪比达到最大，为自由端的78.11%.
| 车辆参数对大跨钢管混凝土拱桥车桥耦合振动响应的影响规律研究

| 车辆参数对大跨钢管混凝土拱桥车桥耦合振动响应的影响规律研究

车辆运行会引起桥梁振动，随着跨径增大，桥梁非线性增加，车桥耦合作用愈加明显.本文以575 m大跨钢管混凝土拱桥广西平南三桥为研究对象，对其开展了脉动试验和现场无障碍行车试验，同时建立了精细化车桥耦合有限元模型，进行了不同车速、车重影响下的车桥耦合振动响应分析，探索其响应规律，并提取桥梁重要截面处的冲击系数与现行规范计算值比较，讨论现行规范对该桥的适用性.结果表明：计算结果与现场脉动试验结果吻合良好，不同工况下的动应变时程曲线变化趋势基本一致.车速在20 km/h~60 km/h范围内，该桥的动力响应与车速大小无明显关系，当车速超过60km/h时，挠度会随车速增加而急剧增大.车重增加会导致该桥最大动挠度增加，冲击系数减小，但桥梁实际的总响应并未减小.因此，严格控制过桥车辆的速度和车重，可有效降低行车荷载对桥梁的冲击效应.
| 基于Dynamo的Revit-Midas/Civil斜拉桥模型信息转换

| 基于Dynamo的Revit-Midas/Civil斜拉桥模型信息转换

BIM模型不支持有限元计算，且BIM模型与有限元分析模型数据交互困难，故BIM技术正向设计过程中存在建模效率低、模型修改困难等问题，无法做到BIM结构设计与有限元力学分析一体化，增加了结构模型建模与纠错成本.本文依托Revit和Midas/Civil软件平台，在Dynamo环境下采用IronPython语言设计了一套Revit-Midas/Civil的模型信息转换程序.以博士大桥主桥为对象，通过程序自动实现：1）Revit模型桥梁构件分解、截面特性计算、拉索及梁塔弹性连接处理，并转换成适用于Midas/Civil的语言格式MCT文件，实现了Revit向Midas/Civil模型信息自动转换；2）将有限元计算结果反馈到Revit模型中，对作用效应信息按数值大小赋予渐变颜色，实现了在BIM 模型中显示有限元分析结果的展示功能.本文程序可实现Revit-Midas/Civil模型信息转换，有效提高了BIM正向应用效率，弥补了BIM技术在桥梁结构分析方面的不足.
| 基于WIM数据的公路斜拉桥拉索疲劳可靠度评估

| 基于WIM数据的公路斜拉桥拉索疲劳可靠度评估

针对我国超重车辆荷载频发导致现行规范难以反映真实桥梁安全的问题，本文基于实测WIM数据构建了考虑冲击效应的车流荷载响应生成框架，采用复合极值理论外推随机车流响应，建立了一种考虑评估基准期影响的车辆荷载效应概率模型，提出了基于实测车流的斜拉索疲劳可靠度评估方法.以某双向六车道高速公路WIM系统为期三个月的实测数据为基础，对工程背景斜拉桥的拉索疲劳可靠度进行了评估，结果表明：在基于实测WIM数据外推的概率模型下，斜拉桥重载侧拉索的疲劳可靠指标在3.93 ~ 6.12之间，而其承载能力极限状态抗拉强度可靠指标在7.74~11.04之间；而采用规范荷载概率模型的疲劳可靠指标在4.35 ~ 6.18之间.对比说明：疲劳可靠度远低于抗拉强度可靠度，拉索评估基准期内的安全性主要受疲劳控制；相对基于实测WIM数据外推的评估基准期荷载，采用规范荷载会较明显地高估斜拉索的疲劳可靠度.
| 车流作用下大跨桥梁-伸缩缝一体仿真方法及动力分析

| 车流作用下大跨桥梁-伸缩缝一体仿真方法及动力分析

为实现车流过桥时的伸缩缝动力分析，针对桥梁-伸缩缝体系中主梁与伸缩缝尺寸相差悬殊、伸缩缝构造复杂、常规建模无法兼顾细部分析和计算效率的问题，提出桥-缝一体“十”字建模思路，建立了车-桥-缝分析系统，探究车流动态因素对伸缩缝动力响应的影响.首先，在厘清伸缩缝内部结构和构件运动关联的基础上，提出桥梁单元纵向划分、伸缩缝单元横向划分及梁端-伸缩缝多点约束有机连接的桥-缝一体“十”字建模思路，并建立背景桥梁的桥-缝一体有限元模型；其次，移动车辆荷载化并通过程序调用、编制衔接程序，实现车-桥-缝分析程序的贯通；最后，基于交通荷载调查数据，构建典型车流荷载工况，探究车重、车速、车辆分布等车流动态因素对车-缝结构的动态响应影响.结果表明：1）基于“十”字建模思路建立的桥-缝一体有限元模型，既满足计算效率又兼顾伸缩缝的细部构件.2）斜拉桥主梁跨中竖向位移与桥上移动车辆的车重有显著的正相关性，而与车速的相关性较弱；车列的车间距由50m减小到30 m，主梁跨中竖向位移极值增大约34%，桥梁所受车辆荷载越集中，主梁跨中竖向位移越大.3）伸缩缝从梁端到固定端的中梁累计滑移行程逐渐减小；单车工况下，车速、车重与伸缩缝纵向位移均呈正相关关系；车列工况时，伸缩缝的纵向位移最大值与车间距存在负相关性；车辆制动对伸缩缝动力响应的影响非常显著，对应伸缩缝1#中梁纵向位移响应是正常跑车工况的3.97倍.
| 基于大涡模拟的山区桥址风场及其对桥梁抖振响应的影响

| 基于大涡模拟的山区桥址风场及其对桥梁抖振响应的影响

为研究位于复杂山区地形的桥址区风场特性及其对大跨度桥梁抖振响应的影响，以山区某斜拉桥为工程背景，采用大涡模拟方法获取桥址区足量监测点的脉动风场特性；分别以传统谐波合成法模拟的脉动风场、规范建议的C类脉动风场与大涡模拟方法计算得到的脉动风场计算桥梁的抖振力，并对三者进行了抖振响应对比分析；研究了桥址区非均匀风场特性对桥梁抖振响应的影响.研究结果表明：位于山区地形的大跨度桥梁的平均风速、风攻角以及紊流强度等特性沿桥跨呈现明显的非均匀性，紊流强度比、脉动风速谱以及相干函数均与规范建议值不同，反映了规范建议值在复杂山区风场中的适用性有限.采用谐波合成法模拟脉动风场得到的抖振响应相比大涡模拟方法同步监测所得到的脉动风场下抖振响应偏不安全，采用规范建议谱模拟风场所得的抖振响应相较于大涡模拟方法所得的抖振响应在竖向位移结果上偏不安全，但侧向位移和扭转位移结果上却偏于保守.非均匀风速对主梁竖向、侧向及扭转抖振响应影响较大，而非均匀风攻角对主梁扭转响应也有一定影响.非均匀风速来流下，跨中竖向和侧向抖振响应谱明显高于均匀风速来流的，而跨中扭转抖振响应谱与均匀风速来流相比差距并不明显.
| 滑坡灾害影响下高速公路网络鲁棒性分析

| 滑坡灾害影响下高速公路网络鲁棒性分析

地质灾害的发生通常导致道路交通基础设施大面积故障，将对区域内的交通活动产生严重影响.为分析交通系统抵御灾害破坏的能力，本研究在考虑地质灾害对运输网络影响的基础上，提出了一种评估公路网络鲁棒性的方法.结合历史灾害数据，将灾害对道路交通的影响量化为网络中路段的受损概率，以路段受损概率和路段重要性指标定义了路段的脆弱性指标.运用渗流理论，通过模拟并比较网络在受到不同策略的攻击后鲁棒性指标的变化，从网络结构和性能两个方面评估了网络的鲁棒性.在结构方面，以通过网络连通子图规模找出渗流的临界阈值作为鲁棒性指标；在性能方面，以网络整体可达性评估渗流过程中网络整体性能变化.研究发现，网络在基于路段脆弱性指标的攻击下最为脆弱，结构和性能两个方面的评估结果均表明网络的主要组件占整体结构的40%~50%.同时，本研究以渗流的临界阈值和鲁棒性指标变化峰值识别出了可能的关键路段，提出通过对比不同路段对网络整体的影响，确定网络中有效关键路段的方法.本研究提出的从网络鲁棒性评估到网络关键路段识别的研究框架能够为评估和提升交通网络鲁棒性提供参考，并为交通运输网络的规划和管理提供理论支撑.
| 面向低光照环境的车辆目标检测方法

| 面向低光照环境的车辆目标检测方法

在智慧交通系统和城市安全领域中，准确获取车辆信息至关重要. 通过视频或图像等视觉识别手段可以直接获取车辆相关信息. 然而，在低光照环境下，图像亮度和对比度降低、噪声增加、图像细节特征易丢失，这些问题导致车辆目标检测算法的精度大大降低. 为此，提出了一种基于低光照图像增强算法和改进目标检测算法的车辆检测方法. 首先，利用图像增强算法ZeroDCE对低光照图像进行增强，以提升图像亮度；然后，利用改进的AFF-YOLO目标检测网络对增强后的图像进行车辆检测；最后，将本文方法在车辆数据集上进行测试，并分析不同低光照等级对于车辆检测精度的影响. 结果表明，本文方法能够有效提升车辆目标检测的精度，与低光照图像相比，增强后图像的目标检测精度mAP@0.5提升了4.9%，达到94.7%；而且光照强度越低，增强后图像的目标检测精度提升越显著. 研究成果可为低照度环境下的车辆检测提供参考.
| 地表超载作用下锈蚀盾构隧道结构易损性分析

| 地表超载作用下锈蚀盾构隧道结构易损性分析

地表超载是威胁盾构隧道结构安全运营的重要因素，且随着隧道服役时间的增长，钢筋锈蚀导致的盾构隧道性能劣化可能进一步加剧地表超载作用下结构损伤破坏的风险.鉴于此，提出了地表超载作用下锈蚀盾构隧道结构易损性分析方法，以软土地区某典型浅埋盾构隧道为例，建立了地表超载作用下锈蚀盾构隧道管片三维精细化有限元分析模型，考虑地层抗力系数与土体重度的不确定性开展了数值分析；在此基础上，以接头张开量为损伤指标，采用双参数对数正态分布模型建立了地表超载作用下锈蚀盾构隧道结构易损性曲线，揭示了超载和钢筋锈蚀率等因素对隧道结构易损性的影响规律.研究结果表明，隧道易损性概率随地表超载水平与钢筋锈蚀率的增大而增大；当地表超载较小时，钢筋锈蚀率对隧道易损性的影响更为突出；同一工况下，隧道腰部接头相较于拱顶或拱底接头具有更高的损伤概率.
| 动荷载作用下隧道锚承载性能及影响因素敏感性分析

| 动荷载作用下隧道锚承载性能及影响因素敏感性分析

为了更加合理地评价悬索桥隧道式锚碇的承载能力，探究隧道锚在动荷载作用下的失效过程，借助有限差分软件建立数值模型，提取并分析接触面应力应变分布形式，并与静力作用下结果进行对比，建立不同工况研究锚塞体参数与动荷载参数对承载力的影响.研究结果表明，动荷载作用下，锚岩接触面应力与位移分布形式与静载类似，但幅值与增长速率明显大于静载状态，拱顶方向和右拱脚向位移增加幅度分别达到36%和112%，且二者在7倍静力荷载幅值作用下，达到其位移差异变化的“门槛值”0.30 mm；动荷载作用下，隧道锚的极限承载力随着锚塞体扩展角、长度以及间距的增加均有所增加，其几何参数敏感性排序由高到低为锚塞体长度、锚塞体扩展角、锚塞体间距，动荷载频率对承载力的影响较小，动荷载作用下隧道锚极限承载力出现明显降低，平均降低幅度约为21%.动荷载作用下隧道锚承载性能及影响因素的敏感性分析为实际工程中隧道锚极限承载力的优化设计提供了参考.
| 隧道围岩透明相似材料强度特征与配合比研究

| 隧道围岩透明相似材料强度特征与配合比研究

随着透明化物理模型试验在隧道工程力学机制与变形特征研究中发挥越发显著的作用，同时满足透明度和相似原理要求的围岩相似材料成为保证试验结果与实际工程相契合的关键.本文基于正交试验数据的统计分析，总结配置的透明胶结土相似材料的强度特性，探索用于表征隧道围岩特性的相似材料配合比量化设计方法.首先，选取熔融石英砂、纳米级白炭黑、正十二烷混合15#白油为原材料，设计2因素3水平的正交试验，完成重度、内摩擦角及黏聚力数据的测定；然后，应用串联法分别拟合表示重度、内摩擦角、黏聚力与石英砂粒径、胶石比（纳米级白炭黑与石英砂质量比）之间相互关系的多元非线性回归方程；最后，通过多元回归方程的联合求解，完成石英砂粒径、胶石比和几何相似常数的确定.试验结果表明：1）所配置的透明胶结土相似材料的重度、内摩擦角和黏聚力数值的变化区间分别为16.13~12.53kN/m3、27.07°~14.82°和31~2.3 kPa，剪应力-剪切位移曲线均具有峰后平台型、峰后跌落型的特点；2）T检验和F检验的结果显示拟合得到的三个非线性回归方程自变量对因变量影响极其显著，方程本身真实可靠；3）将重度和内摩擦角的回归方程联立，解算石英砂粒径和胶石比，求得的石英砂粒径和胶石比数值代入黏聚力回归方程完成黏聚力的计算，计算黏聚力与原地层黏聚力的比值，得几何相似常数.构建了一种新型的相似材料配合比和几何相似常数量化设计方法.研究成果以期为隧道工程可视化物理模型试验设计提供理论支撑与数据参考.
| 基于椭球体理论粘性土层隧道松动土压力研究

| 基于椭球体理论粘性土层隧道松动土压力研究

准确预测隧道上覆土压力对隧道支护结构的设计和开挖方式的选择具有重要意义.Terzaghi土拱效应理论是基于滑移面为垂直面这一假设建立的，但实际情况中由于受到地层扰动的影响，滑移面呈现出曲面形状.为研究粘性土层滑移面演化规律及松动土压力分布规律，首先，采用数值模拟软件计算隧道开挖后上覆土压力，并分析粘性土下土拱效应演化规律；其次，根据隧道拱的破裂面规律，从椭球体理论出发，并考虑粘性土层中主应力轨迹线为圆弧对Terzaghi松动土压力进行修正；最后，将理论计算结果与已有的实验数据及有限元计算结果进行对比，验证了本文公式在粘性土层中应用的合理性，并进一步研究了地层损失率SL、内摩擦角φ、黏聚力c与隧道松动土压力的关系.研究结果表明：相较于无粘性土层，粘性土层滑移面的破坏程度更大，但两者滑移面变化规律基本一致.当隧道埋深比H/D≤1.5，出现三角形状滑移面，随着隧道埋深的持续增大，地层逐渐向内形成剪切面，最终形成塔形状滑移面；松动区内部侧土压力系数Kv在任意位置处都是不同的，且在Terzaghi建议的1.0上下浮动.对比浅埋隧道，深埋隧道的松动土压力受地层损失率SL的影响更大.粘性土层隧道上覆荷载呈“半葫芦形”分布，表现为从拱顶附近向拱腰逐渐减小；同时，在内摩擦角φ 较小的地层中，提高黏聚力c 有利于减小隧道上覆土压力.
| 砂岩剪切破裂面形貌特征及粗糙度各向异性

| 砂岩剪切破裂面形貌特征及粗糙度各向异性

岩体破裂面的形态特征是影响其剪切滑移破坏的重要因素，法向应力是岩体剪切破裂面形态特征的重要影响因素.为研究法向应力对砂岩剪切破裂面形貌特征和粗糙度的影响，首先开展了砂岩双面剪切试验，获得不同法向应力作用下砂岩剪切破裂面，然后对直剪试验中形成的剪切破裂面进行三维光学扫描，最后对不同法向应力作用下砂岩剪切破裂面进行三维重构.分析了法向应力对剪切破裂面粗糙高度特征参数的影响，基于各向异性参数研究了砂岩剪切破裂面粗糙度各向异性特征，研究了砂岩剪切破裂面分形特征与粗糙度的关系.结果表明，砂岩剪切破裂面粗糙高度期望值、标准差、均值和最大起伏差都随法向应力的增大而增大；剪切破裂面粗糙度表现出显著的各向异性，随着与剪切方向夹角的增大，砂岩剪切破裂面粗糙度先减小后增大；法向应力为压应力时，剪切破裂面粗糙度在与剪切方向成75° ~90°时取得最小值；剪切破裂面粗糙度极差和各向异性参数随法向应力的增大逐渐增大，剪切破裂面各向异性特征增强；砂岩剪切破裂面分形维数与粗糙度呈幂函数关系.

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