项目名称：城市地下工程安全性的基础理论
首席科学家：张顶立 北京交通大学
起止年限：2010年1月-2014年8月
依托部门：教育部
一、研究内容
1、 关键科学问题的提出
无水亚硫酸钠随着城市地下工程建设规模的迅速增大，安全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发展，其中蕴涵着许多亟待解决的重大科学问题，开展系统的基础研究非常迫切。尽管在规范化管理、监控量测以及施工措施细化方面进行了有效的工作，但由于基于经验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，已成为对地下工程安全性实行科学化控制以及技术发展的瓶颈。
本质上，隧道施工引起的地层变形是工程灾害和安全事故发生的根源，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基础，而对地层材料及其结构特性的认识则是分析其演化过程的前提；城市地下工程由于其结构、环境、施工方法的特殊性也使得工程安全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行分析归纳关键科学问题。 地下工程中的灾害是由地层、结构物变形过大或发生破坏所致。结构物多为金属管线、混凝土结构、砌体结构、木结构等人造结构，其非连续性、非均匀性、流-固耦合特性都不明显，相对来说比较容易研究。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，因而，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。由于地质体与结构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结构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，这也是工程灾害和安全事故发生的根源，因而，第二个关键科学问题是地层-结构物动态相互作用关系及灾变机理，包括地层变形作用下的结构演化过程及破坏机理、灾变形
成机制等。对地下工程安全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基础上，引入灾害动力学和控制理论对灾变机理与控制进行研究，因而第三个关键科学问
题是城市地下工程安全性预测与过程控制原理，包括结构安全评价体系、基于灾害演化特点的安全性预测预报及控制。
2、关键科学问题的内涵
本项目以城市地下工程的安全性为研究对象，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、安全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结构的相互作用特征、灾害演化过程、结构劣化评价及灾害控制的研究，揭示地层变形机理及灾害形成机制，构建我国城市地下工程安全性评估和控制的系统科学理论，为我国城市地下工程的发展提供科学的理论依据。本项目拟解决的三个科学问题具体如下：
（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结构效应，建立土体多尺度模型，从宏、细观多个角度和结构稳定性的层面上分析地层的损伤破坏机理；建立地层破坏的判别准则，并基于典型地层条件对影响地层稳定性的主要因素进行系统分析，形成相应的评价指标体系；基于地层缺陷的影响分析，考虑不良地质体的尺度效应，建立不良地质体对地层结构稳定性的影响关系；根据地下工程的施工特点，依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，揭示不同沉降模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洞施工的相互影响，提出评价标准和评价方法；分析隧道围岩渐进破坏特点，描述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依据；考虑到工程尺度的影响关系，建立上覆地层的结构模型，用以确定基于安全性的合理埋置深度。
（2）地层与结构的动态相互作用关系及灾变机制
分析受扰动地层的变形及其传播规律，建立位移场计算模型；分别采用分离法和耦合法研究地层变形对结构的影响规律；动荷载作用下土体与结构的相互作用关系；建立地层变形与结构的动态作用模型，分析土体变形作用下的结构破坏机理及演化过程；结构变形、破坏对土体稳定性的影响规律；新建结构对既有结构的影响规律及评价方法，用以确定地下结构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-结构”作用关系，为地下结构防排水方案及结构荷载的确定提供依据；研究地层与结构的失效模式与失效机理，分析地下工程灾害形成的条件和判别准则；通过试验和模拟地下工程典型安全事故的演化过程，获取过程拐点，为事故的预测预报提供依据；建立地下结构及地面基础结构的劣化模型，为长期稳定性判别准则的确定提供参考；分析地下结构的破坏指标和标准，作为健康监测方案制定的依据。
（3）城市地下工程安全性预测与过程控制原理
研究施工影响范围内地层变形与结构稳定性的关系，用以确定地层破坏及其诱发安全事故的判别准则和标准；制定受影响建（构）筑物的变形控制标准，并根据预测结果对安全风险进行评价，给出安全性等级；基于非线性动力学理论，建立城市地下工程安全风险控制模型；研究地下工程与安全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结构变形的动态控制理论，形成“过程控制”的原理和方法；揭示地层加固和修复机理，探讨约束条件下的结构修复方法，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、模拟和系统集成的安全风险控制和灾变救护理论体系。
3、主要研究内容
漫步者s2.1m本项目的研究以揭示城市地下工程安全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避免重大安全事故为目的，采用岩土力学、结构力学、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交叉学科进行系统研究。为此，从
地层变形及其与结构的相互作用本质出发，重点对地层变形模式、灾变机理及控制原理进行研究，主要研究如下：
（1）多尺度土体与结构的破坏机理及演化过程
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基于地层的宏、细观结构及变形局部化的观点建立复杂地层的破坏模型，探索地层土体的失效模式。分别采用宏、细观结构理论，在工程尺度概念上将地层视为一个结构体，对结构的稳定性进行分析和评价，建立相应的判别准则，从而对地层的破坏过程作出描述，揭示地层破坏机理；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局部化效应，由此对地层的破坏发展过程进行描述；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述。
柔毛水杨梅主要包括：
1）不同尺度土体与结构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系，进行不同尺度地质体力学参数反演及识别方法研究，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。研究应变局部化的启动准则与土的非线性特性，再现地层渐进破坏过程，揭示其渐进破坏的尺度效应及场地土与城市基础设施动力相互作用机理，提出相应的破坏模式和分析理论。
3）尺度对地层及结构安全性的影响规律。针对地层中的典型不良地质体，通过与工程尺度的对比分析，揭示其影响规律，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）典型地层的破坏准则及评价体系。利用考虑大尺度场地和局部精细化计
算的三维多尺度数值模拟方法，研究土体结构尺度和施工尺度对工程安中文译音
