论的研究提出的较高的需求。应对此需求，2005年至今研究的重点逐步转向基础研究，为申报项目的研究提供了基础。实现理论突破以后，所形成的全新技术将会提高到一个更高的层次。本项目的参加单位近年来也对城市地下工程的环境影响、控制、地下结构耐久性开展了系统的研究，尤其对土体的结构特性及跨尺度特性、变形测试等问题进行了大量的研究工作，对某些特殊地层变形特点进行总体提升，可作为本项目的工作基础。
4. 近年来，我国地下空间的开发规模居世界首位，在地下工程和风险管理的学术研究上积累了较多的研究成果，同时也培养了一支老中青结合的高水平研究队伍。本项目通过多部门学科交叉研究，组建由年轻学者领头、多名院士指导和几十位骨干研究者参与的高水平队伍，将在城市地下工程安全性基础理论研究上取得突破和创新成果，实现我国城市地下工程安全性评估与控制的跨越式发展，并培养一支具有自主创新和有国际影响的研究团队。
（五）各课题间相互关系
为有效地开展研究工作，本项目拟设臵以下6个相对独立、但又彼此联系的课题开展研究：
1．多尺度土体与结构的破坏机理及演化过程 2．施工扰动下复杂地层的变形机制研究 3．多场作用下的多体相互作用机理 4．城市地下工程灾变演化规律及预测
5．复杂环境作用下地下结构的长期安全性及其预测方法 6．灾害环境下地下工程安全性控制原理和方法
六个课题以项目的总体目标为龙头、总体科学思路为主线，按照各自的特点，在研究内容上各有侧重，形成一个依次递进、互相关联的有机整体（图）。第一个课题重点揭示城市地下工程中土体结构的破坏力学特性；第二课题揭示城市地下工程施工中复杂地层的变形机理及传递规律；课题三研究多场作用下的多体相互作用机理。课题一、二、三是整个项目的基础。课题四、五分别研究施工期和使用期城市地下工程灾变演化规律及预测，是项目的核心研究内容。课题六研究复杂环境作用下地下结构的安全性及其预测方法、灾害环境下地下工程安全性控制原理和方法，是实现总体目标的关键性课题。
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课题一 课题二 课题三 土力学 结构力学 施工力学 工程地质 土力学 动力学 破坏模型 变形模型 相互作用模型 课题四 课题五 施工扰动下地层变形与破坏的演化机理和特点 灾害动力学 灾害动力学 地层与结构的动态相互作用及灾变机制 工程建设安全性控制理论 工程服役期 安全控制理论 课题六 控制理论 城市地下工程安全性预测与过程控制原理 城市地下工程安全性控制原理
图 项目课题设臵及其关系
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四、年度计划
研究内容 预期目标 1.确定试验设备研制、购臵和改造的基本思路，初步确定试验方法并论证其可行性；完成颗小型粒细观力学测试装臵的研制与开发，完成小型颗粒细观力学测试装臵的详细实验方案, 初步完成无线智能量测系统. 2.分析总结城市地下工程典型土层特征、新建工程与既有结构相互作用特点、多场耦合基本特点、常见事故类型及原因等；对典型工程进行土层及结构概化，对典型土体取样；完成几种代表性土样基本物理特性和三轴应力应变实验极其结果分析 3.确定数值计算方法及软件开发的基本方向，对其中的关键部分进行可行性分析。 4.城市地下工程地层沉降模式和目前的控制水平，确定出安全事故中地层变形的影响要点；形成典型地层过程破化和变形演化的基本认识，对施工力学的转换过程进行描述. 5.分析各种城市地下工程灾害发生的特点及其引发的次生灾害类型，建立城市地下工程灾变分类。 6.探明地下结构耐久性的影响因素，提出振动对地下结构的动力形态，掌握地下结构荷载的迁移特性以及近接施工对地层的扰动，构建城市特定条件下地下结构健康与安全状态的监测原理。 7.揭示城市地下工程建造过程及运行过程中的结构物与环境介质、环境结构物的耦合响应； 发表SCI和EI收录论文30篇以上。 1.启动项目，制定详细的实施方案，项目分解并明确分工。 2. 开展专题的城市地下工程案例调查，对不同典型地区、典型工程地质条件下的工程案例进行系统调查、分类、分析,收集和分析我国已建城市地下工程的相关资料，包括应力变形监测数据和典型事故案例。 3.调研国内外颗粒细观力学测试技术，研制室内小型的颗粒材料细观力学测试设备，研究测试技术与和测试方法；制订土体及土-结构接触面基本特性试验方案以及计算软件开发方案。 4.选定2～3个典型城市地下工程为课题依托，进行详细地分析和典型土体的取样,进行现场参数测定,第 并从现场钻取几种代表性土样，进行 基本物理特性和三轴应力应变实验；一 针对不同的工程条件进行3～5台室 内模型试验，重点研究隧道施工的过年 程力学特点和变形演化规律； 5.讨论城市地下工程灾害的诱发因素及其相应的施工方法，分析各灾害发生的特点及其引发的次生灾害类型；根据不同的灾害损失后果，建立城市地下工程灾变分类。 6.研究地下结构耐久性的影响因素、列车动荷载曲线、列车荷载对地下结构的动力作用、地震和爆破作用地下结构的动力响应、地下结构荷载特性、近接施工对地层的扰动、城市地下结构健康与安全状态的监测原理。 7.建立能够考虑城市地下工程设计与建造过程的复杂性、能够考虑地下结构与环境介质、环境结构物耦合作用的精细化分析模型。 18
研究内容 预期目标 1.初步完成部分应变局部化的实验，并完成相应的数据分析;完成有限元分析程序的编制和调试;初步完成多场耦合变形的理论与数值模型的建立;初步完成非连续、非均匀介质力学模型的建立及其计算方法研究，初步完成相应的程序开发和调试;完成现场资料的整理和分析 2.分析含水量、结构性和应力路径等不同组合条件下土体以及土－结构接触面的变形和强度特性；发展适用于城市地下工程的土体以及土-结构接触面本构模型，能适用多场耦合和复杂应力路径变化等城市地下工程的主要特点；分析交通荷载等动力作用对土体及地下结构的影响特点，结合实测资料分析和多场耦合动力有限元计算，研究动荷载下土体与结构的动力反应及对周围环境的影响；采用有限元-无网格法耦合以及扩展有限元等新兴数值计算方法，发展可用于进行渗透变形和土体裂缝等常见城市地下工程破坏现象的数值模拟计算方法. 3.提出地层细观结构在施工扰动影响下的安全性评价方法，并在典型工程中进行应用；考虑到地层固结和施工扰动影响，建立起细观结构失稳与宏观地层变形之间的动态作用关系. 4.获得灾变条件下地层及结构的失效模式、主要影响因素及演化过程。建立典型的地层与结构灾变演化模式。 5.提出地下结构不同阶段的划分原则和依据，探明列车振动对地层的影响规律以及各环境和人为因素对结构性能劣化的影响机理，提出隧道结构损伤的控制性损伤变量，分析地层水环境变化对既有结构物的影响特征，建立地下结构健康监测的方19
1.用所研制的颗粒材料细观力学小型测试设备研究应变局部化物理和几何机制及其与土体物理特性的相关关系;开发能分析微小应变到大应变破坏的有限元分析程序;建立多场耦合变形的理论与数值模型;开展非连续、非均匀介质力学模型及其计算方法研究；在选取一个地下工程现场，监测地表和地下的变形。 2.对选取的代表性土样和土-结构接触面进行基本性质试验，研究其在复杂条件下的变形和强度特性；根据试验成果，发展适合于城市地下工程土体以及土-结构接触面的本构关系；城市地下工程土体与结构动力相互作用研究；发展城市地下工程典型破坏过程数值模拟方法；设计模型试验设备并进行部分试验。 3.对典型地层结构的失稳过程和失第 稳机理进行模拟和仿真以及现场实 测和模拟试验，并对多个细观结构模二 型的整体效应进行模拟，建立综合效 应与细观结构稳定性之间的关系；建年 立几种典型的地层细观结构模型，对稳定性性进行分析，分析其主要影响因素和关键指标，取得相应判据和标准 4.利用相似模型试验模拟城市地下工程典型灾变演化状态，分析灾变条件下地层及结构的失效模式及主要影响因素；采用离心机模型试验分析城市地下工程渐进性灾变破坏过程及引发的灾害演化过程；采用数值模拟方法及灾害调查结果，对典型灾变的演化过程进行验证。 5.地下结构不同阶段的划分原则和依据、列车振动对地层的影响规律、各影响因素对结构性能劣化的影响机理、隧道结构损伤的控制性损伤变量、地层水环境变化对既有结构物的影响特征、地下结构健康监测的方法。
研究内容 预期目标 6.进行地下结构与环境介质、环境法。 结构物耦合作用的损伤与恶化模型6.获得任何风险发展为破坏的的研究分析；提出地层与结构的变形演变机理，建立地下结构安全性的评标准控制体系。 价体系；得出不同地质条件、不同工法条件下的地层与结构变形、变位的中期评估。 控制标准； 申请发明专利1-3项。发表SCI、EI论文35篇以上,提交中期总结报告 1.研制室内中尺度力学测试设1.完成中中尺度力学测试装臵备，研究测试技术和测试方法;研究的研制与开发，初步完成部分中尺度地下水渗流与地质体裂隙\\孔隙分布土体的实验；建立不同土体的渗流模规律相关性;对不同尺度的试验及工型;完成验证理论和数值模型合理性程实例进行数值模拟，监测地表和地和正确性，初步完成建立多尺度土体下的中期变形和渗流量 变形和破坏的一般演化规律;完成现2.复杂大型地下暗挖车站力学场中期资料的整理和分析 转换过程的研究，重点分析结构转换2.建立起复杂大型地下空间结构过程中的地层变形演化特点以及群的设计计算方法，开发施工过程的优洞效应的作用规律，为大型地下结构化设计软件，并实现地层变形的预测的开挖方式的设计以及参数确定提和过程仿真；针对软弱地层条件，开供依据；通过细观结构失稳、地层固发复杂洞群施工引起地层变形的控结和施工扰动综合影响的分析，建立制设计软件和平台； 起地层沉降模式下地层变形的预测3.完善适用于城市地下工程的第 理论与方法。 土体及土-结构接触面本构模型；采 3.完成土体及土-结构接触面本用有限元-无网格法耦合以及扩展有三 构模型的建立；继续开发城市地下工限元等新兴数值计算方法，发展可用 程典型破坏过程数值模拟方法；整合于进行土-结构体破损和土层塌陷等年 已有计算软件，开发适合于大型非线常见城市地下工程破坏现象的数值性结构多场耦合计算的数值计算方模拟计算方法；开发大型非线性系统法；进行部分1g模型或离心模型试的求解方法、多场耦合作用下的多种验。 参量的时空分布解法、与本构模型和4.结合不同地层类型（土层或岩整体算法相适应的应力修正方法等； 石）分析城市地下工程地层变形与结4.获得在变形土体作用下的结构的相互作用模式；分析不同地层变构破坏规律和特点，不同结构型式的形作用下，不同结构型式的失效模失效模式；结构不同失效模式下的灾式；结构不同失效模式下的灾变机变机理。 理。 5.获取地下结构处于不同劣5.地下结构处于不同劣化阶段的化阶段的力学性能，探明列车振力学性能、列车振动对地中邻近动对地中邻近建筑物的影响和建筑物的影响，施工爆破对既有结施工爆破对既有结构物的影响构物的影响特征，地下结构灾变溃损特征，建立损伤演化模型，提出
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