973项目城市地下工程安全性的基础理论研究

973工程-城市地下工程平安性的根底理论研究 - 图文 - 工程名称：起止年限：依托部门： 2023-973方案工程 城市地下工程平安性的根底理论研究张顶立 北京交通大学 2023年1月-2023年8月 教育部 1 首席科学家： 一、研究内容 1、 关键科学问题的提出 随着城市地下工程建立规模的迅速增大，平安性问题越来越受到社会的关注，而且也直接影响到学科领域的自身的开展，其中蕴涵着许多亟待解决的重大科学问题，开展系统的根底研究非常迫切。尽管在标准化管理、监控量测以及施工措施细化方面进展了有效的工作，但由于基于经历的工程技术理论没有从本质上认识灾害发生的规律，因此对事故预测和判断具有很大的局限性，已成为对地下工程平安性实行科学化控制以及技术开展的瓶颈。 本质上，隧道施工引起的地层变形是工程灾害和平安事故发生的根，因此施工扰动下的地层变形和破坏规律是灾害机制研究的根底，而对地层材料及其构造特性的认识那么是分析p 其演化过程的前提；城市地下工程由于其构造、环境、施工方法的特殊性也使得工程平安性面临更加复杂的条件。因此应从城市地下工程所处介质的特性、城市地下工程自身特性以及城市地下工程灾害类型三个方面进展分析p 归纳关键科学问题。 地下工程中的灾害是由地层、构造物变形过大或发生破坏所致。构造物多为金属管线、混凝土构造、砌体构造、木构造等人造构造，其非连续性、非均匀性、流-固耦合特性都不明显，相对来说比拟容易研究。而地层的变形与破坏更加复杂，而且影响因素多，且对灾害的研究不仅关系灾害发生时的状态，更关心灾害的演变过程，因此，对应的第一个科学问题是施工扰动下地层损伤演化规律及变形特点，包含的研究内容为地质体的初始状态、本构关系、变形理论、破坏理论。由于地质体与构造物的力学特性相差很大，且人类对地下工程稳定性的控制主要是通过构造物主动或被动对地质体的支护作用来实现的；同时地层在变形传递过程会与相邻构筑物发生作用，这也是工程灾害和平安事故发生的根，因此，第二个关键科学问题是地层-构造物动态互相作用关系及灾变机理，包括地层变形作用下的构造演化过程及破坏机理、灾变形成机制等。对地下工程平安性研究的宗旨是对工程灾害实行科学的控制，因此应在以上两个关键科学问题研究的根底上，引入灾害动力学和控制理论对灾变机理与控制进展研究，因此第三个关键科学问题是城市地下工程平安性预测与过程控制原理，包括构造平安评价体系、基于灾害演化特点的平安性预测预报及控制。 2 2、关键科学问题的内涵 本工程以城市地下工程的平安性为研究对象，围绕地层变形、破坏特点及演化规律、多体作用及灾变形成机制、平安性控制原理等关键科学问题，通过对施工扰动地层的破坏机理、地层变形传播及其与构造的互相作用特征、灾害演化过程、构造劣化评价及灾害控制的研究，提醒地层变形机理及灾害形成机制，构建我国城市地下工程平安性评估和控制的系统科学理论，为我国城市地下工程的开展提供科学的理论根据。本工程拟解决的三个科学问题详细如下： 1 施工扰动下地层损伤演化规律及变形特点 考虑到地层的非均质性和构造效应，建立土体多尺度模型，从宏、细观多个角度和构造稳定性的层面上分析p 地层的损伤破坏机理；建立地层破坏的判别准那么，并基于典型地层条件对影响地层稳定性的主要因素进展系统分析p ，形成相应的评价指标体系；基于地层缺陷的影响分析p ，考虑不良地质体的尺度效应，建立不良地质体对地层构造稳定性的影响关系；根据地下工程的施工特点，根据施工过程力学原理，通过试验及模拟建立起地层开挖与周围地层之间的动态关系，并考虑地层的蠕变特性；基于典型地层条件，建立施工扰动影响的地层沉降模型，提醒不同沉降形式下的地层变形演化机理，并提出沉降量的预测方法；应用非线性叠加原理分析p 群洞施工的互相影响，提出评价标准和评价方法；分析p 隧道围岩渐进破坏特点，描绘失稳演化过程和规律；建立地层变形的多尺度模型，为变形量的预测提供根据；考虑到工程尺度的影响关系，建立上覆地层的构造模型，用以确定基于平安性的合理埋臵深度。 2 地层与构造的动态互相作用关系及灾变机制 分析p 受扰动地层的变形及其传播规律，建立位移场计算模型；分别采用别离法和耦合法研究地层变形对构造的影响规律；动荷载作用下土体与构造的互相作用关系；建立地层变形与构造的动态作用模型，分析p 土体变形作用下的构造破坏机理及演化过程；构造变形、破坏对土体稳定性的影响规律；新建构造对既有构造的影响规律及评价方法，用以确定地下构造的保护范围和技术要求；研究水荷载及渗流场影响下的“土体-构造”作用关系，为地下构造防排水方案及构造荷载确实定提供根据；研究地层与构造的失效形式与失效机理，分析p 地下工程灾害形成的条件和判别准那么；通过试验和模拟地下工程典型平安事故的演化过程，获3 取过程拐点，为事故的预测预报提供根据；建立地下构造及地面根底构造的劣化模型，为长期稳定性判别准那么确实定提供参考；分析p 地下构造的破坏指标和标准，作为安康监测方案制定的根据。 3 城市地下工程平安性预测与过程控制原理 研究施工影响范围内地层变形与构造稳定性的关系，用以确定地层破坏及其诱发平安事故的判别准那么和标准；制定受影响建构筑物的变形控制标准，并根据预测结果对平安风险进展评价，给出平安性等级；基于非线性动力学理论，建立城市地下工程平安风险控制模型；研究地下工程与平安相关的性能参数正交完备集，建立这些参数的关键指标；基于施工过程力学和非线性力学建立地层及构造变形的动态控制理论，形成“过程控制”的原理和方法；提醒地层加固和修复机理，讨论约束条件下的构造修复方法，以便在必要时实行“过程恢复”和“工后恢复”；建立基于仿真、试验、模拟和系统集成的平安风险控制和灾变救护理论体系。 3、主要研究内容 本工程的研究以提醒城市地下工程平安事故及灾变的形成机理和演化规律为核心，以最大限度地降低或防止重大平安事故为目的，采用岩土力学、构造力学、工程地质学、隧道与地下工程、工程灾害学、非线性动力学以及信息和控制科学等综合穿插学科进展系统研究。为此，从地层变形及其与构造的互相作用本质出发，重点对地层变形形式、灾变机理及控制原理进展研究，主要研究如下： 1多尺度土体与构造的破坏机理及演化过程 基于地层的宏、细观构造及变形部分化的观点建立复杂地层的破坏模型，探究地层土体的失效形式。分别采用宏、细观构造理论，在工程尺度概念上将地层视为一个构造体，对构造的稳定性进展分析p 和评价，建立相应的判别准那么，从而对地层的破坏过程作出描绘，提醒地层破坏机理；同时考虑到各种因素的影响以及地层不均匀性引起的应变部分化效应，由此对地层的破坏开展过程进展描绘；考虑到地层中各种缺陷的影响，建立起评价体系，从而对其影响关系作出描绘。 主要包括： 1不同尺度土体与构造的力学效应及力学行为。研究地质体力学参数探测方法及量测系统，建立多尺度土体的内在联络，进展不同尺度地质体力学参数反4 演及识别方法研究，建立多场耦合变形的数值模型。 2地层变形的逐渐破损理论。研究应变部分化的启动准那么与土的非线性特性，再现地层渐进破坏过程，提醒其渐进破坏的尺度效应及场地土与城市根底设施动力互相作用机理，提出相应的破坏形式和分析p 理论。 3尺度对地层及构造平安性的影响规律。针对地层中的典型不良地质体，通过与工程尺度的比照分析p ，提醒其影响规律，建立不同尺度复杂地质体力学模型，给出确定地质体力学参数的方法。 4不良地质体对地层力学特性及变形特性的多尺度影响特点。利用度复杂地质体多尺度力学模型，研究不良地质体对地层力学的影响，重点分析p 特殊不良地质体对地层力学特性及变形特性的多尺度影响机理，建立不良地质体多尺度评价体系。 5典型地层的破坏准那么及评价体系。利用考虑大尺度场地和部分精细化计 算的三维多尺度数值模拟方法，研究土体构造尺度和施工尺度对工程平安性的影响机制与规律，分析p 典型地层的破坏准那么及建立相应的评价体系，量化平安评价体系。 2施工扰动下复杂地层的变形机制研究 应用施工过程力学的原理，建立施工影响的动态力学模型，并对地层变形和传播规律进展模拟和预测。重点分析p 施工引起的地层变形及其传播规律，建立不同地层受施工影响的沉降形式，对地层变形进展预测；考虑上覆地层变形的构造特点和时空效应，提出城市地下工程基于平安性的合理埋深的优化方法；研究施工行为造成的失水效应及其对地层固结的影响，建立三场耦合作用下地层变形演化模型；描绘地层位移与施工步序之间的动态关系；探究构造物及地面荷载对地层变形演化过程的影响规律。 主要包括： 1地层施工扰动的过程力学特性及控制原理。提醒开挖卸荷引起地层应力应变状态及其变化规律，建立起施工步序与地层变形的动态关系，对地层变形演化过程作出整体的描绘，提出地表沉降值的时效特征及控制原理。 2施工引起的地层固结及其影响作用。提醒施工降水引起的地层固结沉降特点，建立三场耦合作用下地层变形演化模型，提醒地层失水与施工扰动引起的综合作用结果。 5 第 9 页 共 9 页