江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室依托中国矿业大学,实验室是中国矿业大学第二个江苏省重点实验室,是中国矿大服务江苏发展的又一科技创新平台。实验室定位于应用基础研究,以土木工程环境灾变与结构可靠性重大基础理论和关键技术问题研究为目标,紧密围绕国家和江苏经济社会发展的迫切需求,在地质环境灾变规律与结构抗变形、侵蚀环境灾变规律与结构耐久性、高温环境灾变规律与结构抗火性、地下工程环境灾变与结构可靠性等四个科学技术前沿研究方向开展研究。

地质环境灾变规律与结构抗变形

随着地下资源的开采和地下空间的开发利用,所引起的地表变形问题日渐突出。地表变形导致地面土木工程结构发生变形、开裂、倾斜乃至倒塌性灾变,严重影响其正常使用性能和安全性能。

本方向的主要研究内容包括:

1)地表变形对地面工程结构作用机理的研究

开展地表变形对地面工程结构作用机理的研究,揭示地表变形引起结构响应的规律,建立地表变形区地基-基础-上部结构协同作用理论模型。

2)地表变形与地震作用耦合作用下的结构失效机制研究

开展地表变形区工程结构受地震作用引起的失效机制研究,建立现有结构在地表变形和地震耦合作用下的灾变程度评估体系,逐步形成地表变形作用与地震作用耦合条件下的工程结构设计理论。

3)抗地表变形和抗地震双重保护技术研究

开展建筑物抗地表变形和抗地震双重保护研究,开发具有抗地表变形和抗地震作用的新型结构体系,提出抗地表变形和抗地震双重保护的有效措施和加固技术。

侵蚀环境灾变规律与结构耐久性

随着我国经济建设规模和建设领域的不断扩张,大量土木工程结构已经和即将建造在海洋环境、盐湖环境、盐碱环境、除冰盐环境、腐蚀工业环境、高湿大气环境及特殊工业环境等各种侵蚀环境中,侵蚀环境作用引起的耐久性问题相当突出,体现在土木工程科学研究领域,已逐渐将其重心由结构强度问题转到结构耐久性问题。

本方向的主要研究内容包括:

1)侵蚀环境作用机理与定量模型研究

土木工程力学作用已有较完善的定量模型,但侵蚀环境作用尚处于经验设计阶段,这使得土木工程结构的全面定量可靠性设计无法开展。

开展前述各种侵蚀环境作用的物理、化学过程与机理研究,形成模拟作用相似理论,建立作用过程定量模型,为进一步研究侵蚀环境作用响应问题奠定基础。

2)侵蚀环境作用响应规律与定量模型研究

开展侵蚀环境作用响应研究,揭示结构响应规律,建立结构响应定量模型,为进一步研究侵蚀环境作用下结构抗力衰变问题奠定基础。

3)结构抗力衰变定量模型与全寿命周期设计理论研究

开展侵蚀环境作用下结构抗力衰变规律与定量模型研究,完善结构性能评估和加固修复理论,确立结构全寿命周期设计理论。

4)侵蚀环境作用与地震作用耦合下结构可靠性研究

开展侵蚀环境作用累积损伤条件下地震作用引起的结构失效机制研究,形成侵蚀环境作用与地震作用耦合条件下的现代工程结构可靠性设计理论。

5)煤矿地面工业环境中混凝土结构损伤劣化研究

在现有研究基础上进一步增加现场检测的样本数,深入分析劣化机理,开展物理模拟方法研究,定量分析煤矿地面工业环境中钢筋混凝土性能退化规律,研究剩余寿命。研究煤矿地面工业环境中在役混凝土结构修复加固及维护方法,建立最佳加固时机模型,研究煤矿地面工业环境中加固后混凝土结构二次或多次性能退化以及剩余寿命问题。

高温环境灾变规律与结构抗火性

开展工程结构的抗火研究是一顶十分紧迫的任务。在高温环境下,混凝土会发生高温损伤、爆裂、钢筋和钢结构软化,从而引起土木工程结构变形乃至连续倒塌等灾变,将会造成极大的危害。地下工程火灾发生于地下受限空间中,其威胁生命和财产安全情况比地面建筑更具严重性。地下工程火灾的烟气流动和地面建筑火灾的烟气流动规律有明显区别;而且地下工程人流疏散和烟气散发更为困难。

本方向开展如下研究工作:

1)高温环境下烟气流动与温度场分布规律研究

开展地上与地下建筑布局和烟气流动、温度分布的相关性研究;建立地上与地下工程火灾温度场分布规律与数学模型,开展地下、大型工程防火设计与评估;研究地下工程焰火人工引导和疏散的工程设计方法,对可能发生火灾的计算机模拟或已发生火灾的计算机重演;获得地下工程防火、消防有效技术与措施。

2)高温环境下材料本构关系演化规律研究

开展建筑材料在高温环境下本构关系演化规律研究,研究火灾害中热传递的方式(热传导、热辐射和热对流)对材料破坏的机理;研究受火温度、骨料类型、冷却方式、静置时间对材料性能的影响。

3)火灾作用下结构失效过程研究

开展工程结构在火灾作用下失效过程研究,研究工程结构耐火性能,提高工程结构抗倒塌能力;对荷载作用下新型结构构件的受火过程进行全过程和实时研究,改进和完善相应构件的抗火设计方法。

4)灾后工程结构评估和灾后结构修复研究

开展灾后工程结构评估和灾后结构修复的可靠性、耐久性研究,研究灾后结构加固技术和加固结构的抗火、抗震性能退化规律。

本方向将深化地面建筑和地下工程焰火流动蔓延规律、温度分布规律的研究,获得复杂建筑、地下工程防火设计与评估方法;通过火灾作用下结构失效的全过程研究,提高建筑物抗倒塌能力;根据火灾害中材料破坏的机理,提出灾后工程结构评估和灾后结构修复理论和技术,为土木工程减灾防灾提供理论支持和技术保障。

地下工程环境灾变与结构可靠性

随着城市地下空间开发建设步伐的日渐加快,在不稳定的软土层中修筑地铁、隧道等地下工程,特别在暗挖施工遇到高水压下的流砂时,人工地层冻结技术是一种有效、快捷、环保的方法。在城市地下空间建设中,土层低温环境问题已引起土木工程界重视。

本方向的主要内容包括:

1)土层人工冻结基础理论研究

开展城市地下空间建设中有关冻土力学特性、特殊条件下冻结壁结构的形成机理、冻结壁结构与周围土体的非线性相互作用规律等问题的系统研究。

2)土层人工冻结设计方法研究

开展冻结壁结构在外荷载及受力状态的物理模拟和数值计算方法的研究,群孔温度场试验研究,冻土试样强度与冻结壁整体强度关系试验研究,土结冰温度的试验研究。

3)土层人工冻结监测技术研究

开展冻结过程中的冻结壁位移和应力监测,冻结专用低温管材的研制及其连接方式的研究,开发冻结管断裂预警系统,冻结管低温性能模拟试验研究,人工冻结过程的检测与控制。

4)地下结构工程全过程结构可靠性研究

从施工期间及正常使用维护阶段对地下工程进行全过程地下结构可靠性检测、评价,开展结构维护修复技术研究。