DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 杆塔基础是架空输电系统的重要组成部分，也是电网安全的最基本保障，其造价、工期和劳动消耗量在整个工程中都占很大比重，约占整个工期的50%，运输量约占整个工程的60%，费用约占工程本体造价的25%~35%，特殊条件下甚至超过本体总费用的50% [ 1 ] 。因此，杆塔基础工程对电网建设效率、成本、环境保护等都有重要影响。 众所周知，我国是一个多山的国家，随着国民经济和社会的快速发展，我国电网建设规模不断增大。随着输电走廊日趋复杂，越来越多的输电线路工程需建设在山区，甚至是分布在高山峻岭和无人区，极端天气时常出现、地质灾害频发，山区电网建设面临了新的机遇与挑战。 长期以来，由于输电线路距离长、跨越区域广，杆塔塔位呈点状分布，点多且分散，先进的基础施工技术应用与施工装备进场往往都受到地形、地质、道路运输条件的限制，使得我国当前输电线路基础主要还是人力施工为主，山区输电线路杆塔基础工程建设遇到的困难更加复杂。因此针对山区输电线路工程建设特点，开展杆塔基础选型优化显得尤为重要。同时，山区输电线路工程地基勘察是输电线路杆塔基础选型与设计的前提条件。但受到山区地形地貌和道路运输条件的限制，常规钻探和原位测试设备一般都难以到达现场，造成了山区输电线路沿线岩土工程勘测资料相对粗浅，对地基工程性质的了解有限，设计中地基参数多依靠工程经验“类比”或者直接采用相关技术标准的推荐参数，从而使得山区输电线路岩土工程勘察已成为工程设计的难点和薄弱点。本文将根据我国山区输电线路杆塔选型及其设计计算模型参数与所需要的关键地质参数，推荐输电线路工程岩土工程勘测方法与设计参数取值方法。
system: [SYSTEM]

user: 2. 山区输电线路杆塔基础型式 2.1. 挖孔基础 挖孔基础是我国山区输电线路工程中最普遍使用的一类基础型式，可分为岩石嵌固基础和嵌岩桩基础2种型式。岩石嵌固基础是指无土层覆盖或覆盖土层厚度较薄(一般小于0.5米)的浅埋挖孔基础。岩石嵌固基础可分为圆台型、直柱平底形扩底型、直柱锅底形扩底型3种型式，如图1所示。考虑到其计算模型及其施工安全性，岩石嵌固基础埋深一般不超过6 m。嵌岩桩基础是适用于无覆盖土层或者有覆盖土层且桩端嵌入一定深度基岩的挖孔基础，一般适用于杆塔基础荷载较大的塔位，基础埋深一般都超过6 m，根据其计算模型和施工安全性，嵌岩桩基础宜采用等直径直柱型式，如图2所示。 图1. 岩石嵌固基础 图2. 嵌岩桩基础 2.2. 岩石锚杆基础 图3为我国山区低电压等级输电线路工程常常采用的岩石锚杆基础型式，可分为直锚式和群锚式2种类，直锚式岩石锚杆基础适用于基岩直接裸露(一般小于0.3米)或覆盖层薄岩石地基，承台式岩石锚杆基础适用于有一定覆盖层的岩石地基中。此外，直锚式基础一般用于基础作用力较小塔位而承台式基础主要用于基础作用力较大塔位。 图3. 输电线路常规岩石锚杆基础 随着输电线路荷载越来越大，图3所示的传统岩石锚杆基础难以满足工程需要。此时，可根据大荷载输电线路塔位岩石地基覆盖层厚不同，采用图4所示的输电线路工程新型岩石锚杆基础型式 [ 2 ] 。 图4. 大荷载杆塔基础工程中的新型岩石锚杆基础型式
system: [SYSTEM]

user: 3. 山区输电线路杆塔基础承载力计算模型及其参数 3.1. 嵌岩桩基础 山区输电线路工程嵌岩桩基础的下压和抗拔承载力计算模型分别如图5所示，其下压极限承载力主要由覆盖土层中的桩侧阻力以及嵌岩段桩侧阻力和桩端阻力3部分共同组成，而抗拔承载力则主要由覆土层桩侧阻力和嵌岩段桩侧阻力2部分组成 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。考虑到上拔荷载作用下的岩土体泊松效应，通常需对土层和岩层的极限侧阻力乘以一定的折减系数进行折减，文献 [ 7 ] 建议该折减系数为0.7。 从图5所示的输电线路嵌岩桩及其极限承载力组成分析与计算模型可见，嵌岩桩基础设计与岩石地基承载性能相关的关键参数为嵌岩段岩石极限侧阻力和嵌岩段桩端阻力。大量的研究表明：嵌岩段岩石极限侧阻力和嵌岩段桩端阻力与岩石单轴抗压强度具有较好的相关性。鲁先龙等 [ 8 ] 收集整理了国外学者不同时期、不同地区、不同岩石强度和不同嵌岩条件下开展的嵌岩桩竖向下压承载力试验成果，分析了桩径、嵌岩深度、嵌岩深径比和岩石强度对嵌岩段极限侧阻力的影响规律，给出了根据岩石单轴抗压强度按式(1)计算嵌岩段极限侧阻力的方法。类似地，Zhang和Einstein [ 9 ] 给出了根据岩石单轴抗压强度按式(2)计算嵌岩桩极限端阻力的方法。 q s = 0.436 ( f u c s ) 0.32 (1) q p = 4.83 ( f u c s ) 0.51 (2) 式中：q s 为嵌岩段桩身极限侧阻力，MPa；q s 为嵌岩段桩端极限侧阻力，MPa；f ucs 为岩石单轴抗压强度，MPa。 从嵌岩段岩石极限侧阻力和嵌岩段桩端阻力计算表达式(1)和式(2)可知，对山区输电线路工程嵌岩桩基础而言，其最为重要的岩石地基设计的地质参数为岩石单轴抗压强度。 图5. 嵌岩桩及其极限承载力组成分析与计算模型 3.2. 岩石锚杆基础和岩石嵌固基础 上拔荷载作用下，图6所示的岩石群锚基础的破坏模式可能有5种情况，分别是图5所示的4种单锚基础破坏以及图7(b)所示的群锚基础的岩石整体剪切破坏 [ 2 ] [ 10 ] 。图6(a)所示锚筋自身拉断破坏主要取决于锚筋材料强度，而图6(b)所示的锚筋和细石混凝土的结合面滑动破坏主要取决于锚筋和细石混凝土间的粘结强度，该值一般由细石混凝土强度决定，上述两种破坏模式一般与岩石性质无关。图6(c)所示的细石混凝土和岩体的结合面滑动破坏取决于细石混凝土和岩体间粘结强度，该值一般根据岩石单轴抗压强度按照表1取值 [ 10 ] 。 图6. 岩石锚杆单锚基础的可能破坏模式 图7. 岩石锚杆和岩石嵌固基础滑动面模型 Table 1 Bond strength between fine concrete and rock mass τ f ucs (MPa) f ucs ≤ 5 5 < f ucs ≤ 15 15 < f ucs ≤ 30 30 < f ucs ≤ 60 f ucs > 60 τ b (kPa) 150~250 250~600 600~900 900~1500 1500~2500 表1. 细石混凝土和岩体间粘结强度 τ b 如图7所示，一般上拔荷载作用下的岩石锚杆单锚基础、岩石锚杆群锚基础和岩石嵌固基础的实际岩石整体剪切破坏面呈喇叭形的曲面，为计算简化，设计中通常假定这一曲面是中心轴对称而形成的旋转面，且沿曲面的剪切应力处处相等。为进一步计算方便，将实际曲面破裂面假设为直线型旋转曲，直线型母线与竖直方向夹角θ等于45˚。同时，在抗拔极限承载力组成中忽略倒锥体内岩体重量，采用提高岩体抗剪强度予以补偿，并将此岩体抗剪强度称为岩石等代极限剪切强度，记为τ s 。由此确定的岩石单锚基础、岩石群锚基础和岩石嵌固基础抗拔极限承载力由式(3)计算确定 [ 10 ] [ 11 ] ： T u = π h τ s ( h + D ) ＋ Q f (3) 式中：h为单锚、群锚或岩石嵌固基础的埋深；D对单锚为锚孔直径，对岩石群锚为群锚锚孔外接圆直径，对岩石嵌固基础扩底直径。 岩石等代极限剪切强度一般根据岩石单轴抗压强度按照表2确定 [ 10 ] 。 Table 2 Equivalent ultimate shear strength of rock mass τ f ucs (MPa) f ucs ≤ 5 5 < f ucs ≤ 15 15 < f ucs ≤ 30 30 < f ucs ≤ 60 f ucs > 60 τ s (kPa) 15~25 25~45 45~75 75~90 90~150 表2. 岩石等代极限剪切强度 τ s 因此，对山区输电线路工程岩石锚杆和岩石嵌固基础而言，其最为重要的岩石地基设计地质参数也是岩石单轴抗压强度。
system: [SYSTEM]

user: 4. 山区输电线路岩石地基勘测对策 4.1. 岩石地基勘测任务及其方法 目前，我国山区输电线路岩土工程地质勘测的主要目的和任务，是通过工程地质调查与测绘、物探、钻探、坑探、原位测试及室内试验等多种手段和方法，评价塔位地基稳定性情况，探明塔位岩土分布、地下水赋存以及塔位不良地质等方面的情况，合理进行塔位基础选型，并确定塔位地基参数设计取值。由于受到山区地形地貌和道路运输条件的限制，常规工程地质钻机一般都难以到达塔位现场。鉴于此，可采用质量轻、运输方便的山地轻便多功能钻机和邵尔背包型钻机为主，进行岩石地基勘测工作。 如前所述，岩石单轴抗压强度山区输电线路杆塔基础设计的关键地质参数。一般有两种方法可测试确定岩石单轴抗压强度：一是制作岩石试件在材料试验机上直接进行测试。该法测试精度高，但对钻孔取样要求高，试件加工要求严格。特别是对于较为破碎岩石，钻孔和制作满足要求的岩石试件较困难。二是利用点荷载仪进行测试，试验样品可直接采用钻孔岩芯，或从岩石露头、勘探坑槽中采取的岩块试样，加工要求不高或不需进行加工。点荷载试验可在施工现场随时提供数据，具有试验成本低、试验周期短的优点，可较好地适应山区输电线路工程岩石地基勘测特点。 4.2. 基于点荷载试验的岩石强度测试与地基参数取值 点荷载试验是一种使用便携式轻便仪器的强度试验方法 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 。国内外研究表明，点荷载强度指数与岩石单轴抗压强度间具有较好关联性。Broch和Franklin (1972) [ 16 ] 以及Bieniawski (1975) [ 17 ] 推荐的岩石单轴抗压强度和对应的点荷载强度指数之间线性拟合表达式如式(4)所示。 f u c s = ( 23.7 − 24.0 ) I s ( 50 ) (4) 式中：f ucs 为岩石单轴抗压强度，MPa；I s (50) 为直径为50 mm标准试件的点荷载强度指数，MPa。 国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics， ISRM) 1985年推荐了《测定点荷载强度的建议方法》，被广泛地称为ISRM方法 [ 18 ] 。ISRM方法明确指出岩石单轴抗压强度范围是20~25倍岩石点荷载强度指数。Sari M. (2018) [ 19 ] 通过统计1036组岩石单轴抗压强度f ucs 和对应的点荷载强度指数I s (50) 的试验数据，得到了岩石单轴抗压强度和点荷载强度指数之间散点分布图和对应的线性拟合关系如图8所示，岩石单轴抗压强度和对应的点荷载强度指数之间线性拟合表达式如式(5)所示： f u c s = 15.15 I s ( 50 ) (5) 图8. 岩石单轴抗压强度和对应点荷载强度指数间分布关系
system: [SYSTEM]

user: 5. 结语 山区输电线路杆塔基础选型设计与岩石地基勘测一直是我国电网工程建设中的难点和薄弱点。本文总结我国长期山区电网工程建设实践，根据山区覆盖土层厚度的不同，给出了山区输电线路岩石锚杆基础、岩石嵌固基础和嵌岩桩基础结构型式、适用条件、承载力计算模型与设计参数。结果表明，岩石单轴抗压强度是山区杆塔基础设计所需要的关键地质参数。 在山区输电线路工程建设中，建议首先采用工程地质调查与测绘方法，应用铁锹、镐、洛阳铲、轻便电动麻花钻等方法探明塔位覆盖土层及其厚度，为山区输电线路基础选型提供依据，并可进一步采用质量轻、运输方便的山地轻便多功能钻机和邵尔背包型钻机进行下卧岩石地基勘测工作。在此基础上，采用点荷载试验确定岩石单轴抗压强度，从而可根据规范和已有研究成果，获得山区输电线路岩石锚杆基础、岩石嵌固基础和嵌岩桩基础的关键设计参数。 本文推荐的基础型式选型设计与岩石地基勘测方法，是我国长期山区输电线路工程实践的总结，相关成果已经在行业规范和实际工程中得到应用，具有方便、快捷、安全、可靠的优点，可较好地指导我国今后山区输电线路工程建设实践。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 针对钢结构设计施工中存在的焊接空心球节点焊接缺陷问题，本文拟采用有限元分析软件ABAQUS，模拟分析研究无缺陷时空心球直径壁厚和钢管直径壁厚对焊接空心球节点钢管焊趾处应力集中的影响，以及钢管焊趾存在咬边时对焊接空心球节点应力集中的影响。结果表明，随着钢管咬边深度及锐度的增大，钢管焊趾处应力集中系数显著增大，导致钢管焊趾处的疲劳破坏，所以钢管焊趾处咬边应引起足够重视。拟合出关于钢管焊趾处咬边的应力集中系数的通用公式。 关键词 :焊接空心球节点，有限元分析，咬边，应力集中系数SCF Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 空间网格结构具有自重轻、跨度大、施工快、造型美观等优点，在我国各类建筑中应用广泛 [ 1 ] 。焊接空心球节点作为网架结构中的主要节点形式，被大量应用 [ 2 ] 。然而在其焊接过程中，焊接缺陷普遍存在。焊接缺陷对节点应力集中的影响特别大。在交变荷载的作用下，焊接缺陷导致的应力集中很容易产生疲劳裂纹。存在焊接缺陷的构件疲劳强度相比无焊接缺陷的构件要低很多。疲劳问题一直以来都是制约网架结构推广应用的重要原因 [ 3 ] 。 咬边是指在焊接过程中，由于焊条的运速过快、焊接电流过大、焊条角度不合理等原因，最终导致母材的一部分被熔化，而填充金属未能及时填补形成的，是焊接空心球节点中常见的焊接缺陷。由于焊接空心球节点中无缝钢管壁厚较薄，钢管焊趾处咬边会使钢管截面积显著减小，在咬边处也会产生应力集中，加速焊接空心球节点的疲劳破坏。因此研究焊接空心球节点钢管焊趾处咬边的意义重大。 众多学者对焊接空心球节点进行了一系列理论和试验研究。1990年，文献 [ 4 ] 对50余种不同构造细节的焊接空心球节点进行有限元分析。结果表明了焊接空心球节点的应力分布规律，应力最大值位于焊接空心球和无缝钢管的连接处，此处最大应力为径向应力；焊缝处应力集中的程度随节点相应构造尺寸呈规律变化，绘制出了相应变化规律曲线。文献 [ 5 ] [ 6 ] 研究了采用坡口焊的焊接空心球节点在弹性阶段下，单向受拉时球面应力的分布规律，并基于薄壳理论求出了应力集中系数的数值解。文献 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 定量分析了焊接空心球直径壁厚、无缝钢管直径壁厚以及焊脚尺寸对应力集中的影响并拟合公式，除考虑单个因素对应力集中的影响外，还分析了构造尺寸对应力集中的综合影响，求解出焊接空心球节点的应力集中公式。文献 [ 11 ] 提出了当管–球采用角焊缝的连接形式时的应力集中计算公式。 以上研究主要集中在球面焊趾处，对钢管焊趾处应力集中分布以及存在焊接缺陷时的应力分布规律研究较少。本文首先研究了无焊接缺陷钢管焊趾处的应力集中情况，再对钢管焊趾处存在咬边的情况进行研究，通过控制咬边宽度、深度、长度以及锐度，得出了钢管焊趾处的应力集中变化规律，并拟合出计算咬边情况下钢管焊趾处的应力集系数的通用公式，为工程实际减小焊接空心球节点应力集中系数提供了参考依据。
system: [SYSTEM]

user: 2. 有限元模型建立 依据《空间网格结构技术规程》有关规定：空心球外径D与壁厚T之比宜取25~45；空心球外径D与主钢管外径d之比宜取2.4~3.0；空心球壁厚T与主钢管的壁厚t之比宜取1.5~2.0。选用试件参数如表1所示。 Table 1 Non-defective steel pipe weld toe stress concentration analysis tabl 序号 空心球规格 钢管规格 d/t D/T SCF D/mm T/mm d/mm t/mm 1 350 10 152 5.5 27.6364 35 1.70665 2 380 10 152 5.5 27.6364 38 1.74942 3 400 10 152 5.5 27.6364 40 1.78048 4 420 10 152 5.5 27.6364 42 1.81366 5 450 10 152 5.5 27.6364 45 1.86294 6 400 8 152 5.5 27.6364 50 1.91307 7 400 9 152 5.5 27.6364 44.4444 1.84225 8 400 11 152 5.5 27.6364 36.3636 1.7277 9 400 13 152 5.5 27.6364 30.7692 1.6421 10 400 14 152 5.5 27.6364 28.5714 1.60775 11 400 10 135 5.5 24.5455 40 1.81022 12 400 10 145 5.5 26.3636 40 1.79037 13 400 10 160 5.5 29.091 40 1.7735 14 400 10 170 5.5 30.9091 40 1.76921 15 400 10 152 5 30.4 40 1.76247 16 400 10 152 6 25.3333 40 1.79598 17 400 10 152 7 21.7143 40 1.8568 18 400 10 152 8 19 40 1.91198 表1. 无缺陷钢管焊趾应力集中分析表 咬边情况下管球连接节点示意图如图1所示。本文利用有限元分析软件ABAQUS对焊接空心球节点建模。为简化计算并与静力或疲劳试验所采用的试件保持一致，利用模型几何形状、边界条件和外部荷载的对称性，只取一半球体建模，半球边界设为固定边界。焊接空心球与无缝钢管连接采用剖口焊，焊缝与母材视为各向同性的同种材料。假定材料在线弹性范围内工作，其弹性模量取E = 2.06 × 10 5 N/mm 2 ，泊松比取0.3。模型单元定义为实体单元，单元类型为C3D8R。本模型在进行有限元网格划分的时候，在远离焊缝区域的地方网格划分适当放宽，以减小计算成本，在焊缝处细化网格，网格大小取0.5 mm (图2)。荷载为1 N/mm 2 的轴拉力，施加在钢管端部的横截面上。
system: [SYSTEM]

user: 4. 结论 1) 通过ABAQUS有限元分析，研究了不同焊接空心球节点的直径与壁厚和无缝钢管直径与壁厚对焊接空心球节点钢管焊趾处应力集中系数的影响。分别进行单因素和多因素回归分析，得出无缺陷时钢管焊趾处应力集中系数的计算公式。 2) 研究了钢管焊趾处存在咬边缺陷对应力集中系数的影响，分别拟合了咬边深度、宽度及锐度对应力集中系数的影响公式。 3) 求得焊接缺陷咬边修正系数θ，得出钢管焊趾处存在咬边时的应力集中系数数值解，为实际工程提供了参考依据。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 文章首先对地下商业建筑入口空间相关的基础理论背景进行了阐述。然后选取了花城汇广场、地王广场、时尚天河广场、天环广场共四个广州地下商业建筑的入口空间，从其建筑墙体、门窗、洞口、屋顶等建筑外围护结构方面，以及竖向交通、垂直绿化、竖向广告装饰、小品等建筑构筑物这两个方面，对其入口空间的竖向界面进行了详尽的分析，总结归纳出广州地区地下商业建筑下沉广场式入口空间竖向界面设计上的一些比较具有共性的设计原则和方法，为今后的地下商业建筑下沉广场式入口空间竖向界面的设计提供一定的参考与建议。 关键词 :地下商业建筑，下沉广场式入口空间，竖向界面设计，广州 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 背景 1.1. 地下商业建筑的现状和发展趋势 1.1.1. 城市用地紧张 近年来，随着城市化进程的加速，一方面带来了城市的繁荣发展，另一方面也带来了城市人口的大幅度增长和城市用地的扩张，这必然造成城市生态空间和生存空间在用地上的矛盾。拥挤的人流，令人头疼的交通堵塞，越来越少的城市绿地使人们清楚地认识到有限的城市空间容量已不能满足现代城市发展的需求。于是，理性的人类把目光转移到尚无过多开发的地下空间。 1.1.2. 地下空间利用 人类利用地下空间有着悠久的历史，从古罗马的下水道到欧洲近代城市中的地下铁道以及日本东京的地下街等等，都是人类利用地下空间的极为精彩的例子。随着大城市的快速发展与兴建，地铁已经成为一种不可替代的地下空间交通方式，人们开始对城市地下空间进行大量的开发与建设。城市发展的未来是向地下进军，地下空间将成为人们活动的重要部分。 1.1.3. 商业向地下延伸 对于商业活动来说，在地下空间中进行是很适宜的。由于大量的人流转到地下去，对改善地面上的交通和环境都十分有利；对于气候严寒多雪或酷热多雨的地区，购物活动在地下更受居民欢迎。地铁的发展，使交通的可达性增强，能够吸引人流向该地区流动，从而给城市商业发展带来新的契机。 1.2. 广州地下商业建筑发展情况及分布 世界上很多国家都在积极开发地下空间，地下空间已经成为城市空间发展的主要方向之一。就中国的大城市而言，上海的地下空间面积就达到了2700万m 2 ，北京则达到了3000万m 2 。在广州，持续数十年的城市化进程导致中心城区人口激增，城区用地紧张，这也促使了广州市商业空间向地下发展。从近期看，广州市地下商场的开发步伐呈加速发展的态势，出现了地下商场开发潮。其中，广州的核心区“天河”是地下商业形式最集中的爆发地。 总体来看，广州目前已经完成开发的地下商业大部分都是沿地铁线路分布的，主要包括康王路板块、英雄广场板块、人民公园板块、体育中心板块等，且都依傍上下九、中华广场、北京路、天河等成熟圈。 1.3. 广州地下商业建筑布局类型 以所在位置和平面形态分类，可以把广州地下商业建筑布局类型分为以下四类。 1.3.1. 建筑扩大型 由高层建筑或公共建筑的地下部分拓展，平面形状与上部建筑发生关系，由上部建筑进入其中，有的也设有单独的出入口。以正佳广场、五月花地下商场等为例。 1.3.2. 街道型 多处在城市中心较宽阔的主干道下，平面为狭长形。这类地下街兼做地下步行通道的较多，也有的与过街横道结合，或与地铁站相连。广州地区以为“天河又一城”商业片区等为例。 1.3.3. 广场型 一般位于车站前的广场下，与车站或在地下连通，或出站后进入地下街。广场型地下街平面接近矩形，特点是客流量大，地下街主要起到将地面上的人与车分流的作用。广州地区以花城汇、地王广场、时尚天河等为例。 1.3.4. 复合型 即街道型与广场型的复合，兼有两类的特点，规模庞大，内部布局比较复杂。广州地区以流行前线、北京路地下商业等为例。
system: [SYSTEM]

user: 2. 研究对象的概念界定 2.1. 地下建筑与地下商业建筑的概念 2.1.1. 地下建筑 师晓静 [ 1 ] 在其论文中指出，参考《中国大百科全书》中城市规划、建筑园林卷，有光的定义如下： 主要是指建造在岩层和土层中的建筑。其实质是：人类为了缓和现代城市发展中的矛盾，改善城市生活环境，拓展城市的空间容量，开拓新的生活领域，人类合理开发和综合利用天然地形成和人工挖掘建筑的地下空间。 根据我国《民用建筑设计通则》(GB 50352-2005)的规定： 房间地平面低于室外地平面的高度超过该房间净高的1/2者为地下室。 房间地平面低于室外地平面的高度超过该房间净高的1/3，且不超过1/2者为半地下室。 地下室和半地下室都属于地下建筑。 2.1.2. 地下商业建筑的概念 从狭义上看是为了提高和解决城市中心区商业地带城市各种功能部分的综合利用效益和矛盾，而利用地下空间取得利益的商业设施，主要包括各种百货销售行业、餐饮、文化娱乐等。 从广义上看是指地下商业综合体，除了单纯的商业盈利性质，还包括其他多个城市功能的综合性地下公共空间，是由交通、商业及娱乐等组成的相互依存的大型地下空间的综合体，商业是其中主题之一。一般而言，地下商业综合体地段位置好，规模大，客流量大，并大多数与周围其他空间相连通。 2.2. 地下商业建筑下层广场式入口空间的定义 2.2.1. 定义 地下商业建筑 [ 2 ] 下层广场式入口空间是指地下空间的出入口是地上、地下空间的结合点；下沉广场式出入口是指将地上、地下空间竖向联系的梯段移出地下空间(如图1)，从而使得地下空间地坪面延伸至城市外部空间，将竖向交通置于城市外部开敞的空间内实现，此时，地上、地下的竖向落差围合的空间构成了下沉式的出入空间。 图1. 下层广场式入口空间形式示意图 2.2.2. 对下沉广场式地下空间出入口的界定还应包括如下要点 1) 出入口形式是广场性空间，而非线性空间。 2) 出入口区域的地坪：低于周边环境。 2.3. 下层广场式入口空间竖向界面的定义 林梓欣 [ 3 ] 在其论文中指出：开场的地上地平面与开场的地下地平面的竖向高差所连接的界面构成了下沉广场式入口空间的竖向界面。从建筑实体而言，它的形式既包括建筑墙体、门窗、洞口、屋顶等建筑外围护结构，也包括竖向交通、垂直绿化、竖向广告装饰、小品等建筑构筑物。
system: [SYSTEM]

user: 3. 研究意义 城市的立体化不断深化，功能空间的距离的拉大，对连接点的要求就越大，地下建筑入口作为与地上空间的连接体，其重要性尤为突出。出入口功用不只是提供人们的进出，从方向诱导设计的观点来看，地下建筑物外观给人的印象主要取决于出入口。对于地下商业空间而言，地下商业建筑下沉广场式入口空间是其非常重要的组成部分，而其竖向界面直接影响这使用者对建筑的第一印象，是使用者视觉最先接触的部分，也是设计的主要部分。 纵观国内各地的地下商业建筑入口空间的设计，仍然停留在功能设置与空间形态设计上，尤其是对出入口景观风貌仍存在许多不足，而针对下沉广场式入口空间设计的其相关的专项研究和系统资料比较稀少。通用的设计原则最后呈现出来的具体效果的好坏，这需要通过具体案例的实地调研来验证分析得出。因此，本文希望通过实地调研，总结归纳出地下商业建筑下沉广场式入口空间竖向界面设计上的一些比较具有共性的设计原则和方法，为今后的地下商业建筑下沉广场式入口空间竖向界面的设计提供一定的参考与建议。
system: [SYSTEM]

user: 4. 广州地下商业建筑下层式入口空间竖向界面设计的实例分析 素有“千年商都”美誉的广州，经过了多年的商业沉淀，随着广州经济的不断增长，市政建设的不断完善，已经形成了多个地段、多种类型和多层档次的商业格局，相继形成了十大商圈。我们选取得花城汇广场、地王广场、时尚天河广场、天环广场分别位于珠江新城商圈、东山商圈、天河商圈、天河商圈。文章选取了花城汇广场、地王广场、时尚天河广场、天环广场共四个广州地下商业建筑的入口空间，从其建筑墙体、门窗、洞口、屋顶等建筑外围护结构，以及竖向交通、垂直绿化、竖向广告装饰、小品等建筑构筑物等多个方面，对其入口空间的竖向界面进行了详尽的实地调研分析。 4.1. 花城汇广场 地理区位：位于珠江新城商圈内，地处城市中轴线，各个面都是商业展示面，在各个方向上都设置了出入口。交通优势：广州交通枢纽之一，交通网络十分发达，已经开通了地铁3号线和地铁5号线，每天能为区域吸纳数十万消费人流，与APM线相连，缔造商机无限。位置优势：位于珠江新城核心地段，CBD中轴线，距离天河城和正佳广场等大型MALL仅一尺之遥，将与天河城商圈构成广州21世纪商业制高点，是珠三角商户的必争之地 [ 4 ] 。 由于花城汇的入口较多，我们选取了其中几个比较有代表性的入口空间来研究分析(如图2)。 图2. 花城汇简单平面标注选取调研点的示意图 1号入口平面形态为圆形(如图3)，在入口空间的竖向界面设计上，一边是一组扶梯和一个2.5米宽的大台阶组成垂直交通，另一边界面的上面部分整体挑出1.5米宽，是大面积的墙体绿化和竖向条形的铺装相间隔分布，下面部分是透明的玻璃门窗，门窗之间还设有一片木格栅墙体，既是装饰作用，又有遮挡保护隐私的功能。整体来说，垂直绿化的效果以及小尺度分隔空间给人于亲近感，没有广告位的植入，只有几个标示大字，简单自然，效果颇好。 同理，本文研究发现：2号入口是花城汇北区端头最大的入口。在入口空间的竖向界面设计上，竖向交通由一组自动坡道是扶梯和两组2米宽的大台阶组成。与其他入口排布不同，2号入口空间把自动坡道式扶梯放在中间，两侧台阶。从现场调研情况来看，扶梯使用率相对其他入口比较高。在竖向的维护结构上，2号入口墙上也布置了墙体绿化，不过广告位、铺装墙体、绿化、以及上面的栏杆没有很好的结合设计，缺乏秩序，略显杂乱。 图3. 1号入口简单平面示意图和入口现场照片 9号路口是花城汇中区最大的入口。竖向交通由北侧台阶和南侧扶梯构成，在台阶上布置了大量绿化，景观优良，同时有很好的生态效益。在竖向维护结构上，小细条墙体垂直绿化带和大片的米黄色贴砖相间布置，简洁大方，整体感强，同时凸显中间的广告牌。 10号入口是整个花城汇广场最大的入口，广场尺寸约37 m*25 m。南北两侧均可进入，南侧中央大台阶，两侧自动坡道式扶梯，扶梯使用率明显高于台阶，台阶很少人走。北侧地面与广场扶梯连接，广场与地下二层连接。北侧的两组扶梯中间，设置一个巨大的电子屏幕，为广场的活跃元素，使得许多人驻足观看，增添广场的活力。东西两侧的墙体以大面积的广告为主，商业味道十足。由于广告的色调统一，广告虽多，却不显得杂乱，整体协调。立面上，竖向的米黄色贴砖柱子分隔门窗，符合人体尺度，两边的装饰中轴对称，与城市中轴线相一致。 11号入口是最南端的主入口，中间大台阶，两侧扶梯。在入口空间的竖向界面设计上，基本跟10号入口一致，有所不同之处在于东西两侧的墙上布置了悬挂式遮阳板，属于外饰型的入口形态，强调了入口空间。 4.2. 天环广场 地理区位：位于天河商圈的核心地带，在正佳广场与天河城之间，它是广州新的公共交通中转站。设计满足了使其成为多维度集会中心的要求，在地上和地下无缝连接，人们可以通过地铁和公交系统到达天环中心，空中的人行天桥将中心和周围区域连接起来。在天环广场入口空间的竖向界面设计中，广场共地下两层，通过台阶与扶梯组成主要垂直交通流线。与主体建筑流动曲线呼应，所有界面皆为曲线。田园式的布置了叠水、绿化、景观墙、广告、以及浅灰色的铺砖。通过不同颜色材质铺地、小灌木丛将广场划分开，形态自然，空间丰富，实地的体验效果很好。 在天环广场入口空间的竖向界面设计中(如图4)，广场共地下两层，通过台阶与扶梯组成主要垂直交通流线。与主体建筑流动曲线呼应，所有界面皆为曲线。田园式的布置了叠水、绿化、景观墙、广告、以及浅灰色的铺砖。通过不同颜色材质铺地、小灌木丛将广场划分开，形态自然，空间丰富，实地的体验效果很好。 4.3. 地王广场 地理区位：地处广州最负盛名的“东山商圈”，位于中山三路与较场西路间、英雄广场地下。交通便捷，地理位置优越，商场周边1公里半径范围内有近10间各类学校、大量高级写字楼及居民住宅区围绕，十几条公交线路及地铁1号线保证了其源源不断的客流。 图4. 天环广场的简单平面示意图和照片 地王广场入口位置与城市道路毗邻，通过前广场进行人流的引入及疏散。竖向交通布置很有特色，两侧布置台阶及扶梯，中央结合高差布置了三个喷泉跌水水池，在台阶与喷泉之间种植了大量的绿化。在台阶平台位置布置了供人休憩的茶座，非常人性化的设计。竖向墙面的色调为黑色，用亮色元素(红色灯笼、玫瑰色广告)点缀，既沉稳大方，又不失个性。在竖向界面的设计上，新颖大方，非常生活化，尺度把握的也很好(如图5)。 图5. 地王广场的简单平面示意图和照片 4.4. 时尚天河 地理区位：位于天河商圈的核心地带、黄金中轴中心、地铁交汇点，周边有百余条公交线路。南邻大型购物中心—天河城百货、正佳广场等；西临维多利广场、天河大厦；东邻财富广场、经贸大厦等大型商办楼；北邻为中信广场、广东火车东站等。 时尚天河的入口空间竖向界面整体色调同地王广场很一直，都是用黑色的贴砖作为背景，以此用亮色突出广告内容，这种方法也十分有效，值得借鉴。比较有特色的一点是，时尚天河入口墙上设计了一个风车和卡通人小品，趣味十足(如图6)。
system: [SYSTEM]

user: 5. 思考总结 通过对花城广场、天环广场、地王广场、时尚天河广场的入口空间竖向界面设计的探讨与分析，从建筑使用后评价的角度出发，总结出对地下商业建筑下沉广场式入口空间竖向界面设计的一些设计策略，归纳为以下几方面的思考。 图6. 时尚天河的简单平面示意图和照片 5.1. 有关竖向交通空间的设计策略 在竖向界面设计中，竖向交通占了很大一部分界面。下层广场式入口设计需考虑交通效率，因为广场最原始的存在功能就是交通集散，是对建筑内部流线组织的一种补充。因此在设计竖向交通时应该拿捏好分寸：保持广场通行区域的畅顺，不宜做过多的高差变化；而在广场一些活动空间、静态私密的部分则可利用立体化创造丰富的空间变化，吸引人的停留，增加广场活力。此外，在交通条件较为复杂的情况下，可以利用立体化的交通分流方式，能有效解决不同流线之间的矛盾。 5.2. 有关标识元素的设计策略 建筑出入口的标志性元素为人们提示着某一建筑的性质和领域。不同类型的建筑，由于空间内容，使用目的和服务对象的不同，在外部形象上有着鲜明的特征。而建筑的出入口往往是人们观察建筑时的视觉中心和重要的提示物，为了突出商场自身的形象，因而需要具有标志性和识别性。可以通过设置一些活跃元素，如建筑小品、电子大屏幕、喷泉、叠水池等，使得入口设计引起人们的注意，吸引更多的人流，带来更多的商机，也留给市民一个良好的印象。 5.3. 有关人性化的设计策略 人性化设计就是以人为本，从人的具体需求、心理行为特征出发进行空间设计，以满足人在空间中的活动为最终目的的设计思维模式。王惠 [ 5 ] 也强调应该从生理需求层面，应在物理条件方面塑造广场环境。物理条件即日照、温度、湿度、空气状况、声环境、风环境，是考量广场空间的环境舒适度的重要指标。因此，在设计中，要把握好广场的尺度，空间不能太局促，根据具体情况，在竖向界面上可以设置一些遮阳棚，既能引导人流，又能遮风避雨，起到空间过度的作用。 5.4. 有关广场整体元素协调性的设计策略 5.4.1. 广场与城市环境的协调 建筑的广场空间依存于一定的环境条件、并非独立存在的，是城市整体开放空间系统的重要节点，因此在竖向界面设计时需考虑特定的环境，融合到整个城市空间中，不破坏现有城市空间环境。 5.4.2. 广场内部构成要素之间的协调 广场与建筑空间形态、构成、尺度的协调；广场子空间之间的协调；广场的水平垂直界面形式、材料、色彩的协调；尽量做到相互呼应，协调统一。 但也有特例存在，例如在设置不同空间的序列组合时希望利用夸张的对比形成某种心理感受的变化，但在某方面强调差异化的情况下往往需要在其他方面保持甚至加强内在的联系，以免导致空间的脱节。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 岩体由于其构造的特异性，由其构成的边坡的安全分析显得尤为复杂。本文通过对现有岩体边坡的分析方法的讨论，引出基于颗粒流方法的随机裂隙模型，以期能够最大程度上模拟真实岩体的构造。以工程案例为基础，使用该方法建立裂隙岩体边坡模型，模拟分析岩体边坡逐渐破坏的过程，得出对工程实践有指导意义的结论。 关键词 :岩体边坡，颗粒流，随机裂隙模型，破坏 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 岩质边坡分析方法 岩体边坡在工程中往往以高大边坡的形式出现，其安全性分析对工程的意义很大。目前主流的边坡分析主要是针对土质边坡，并开发有多种本构模型，而在岩体边坡领域的可用方法较少。主要原因还是岩体的分析需考虑因素较多。受到岩性，构造，风化程度，裂隙发育程度等诸多因素的影响，尚没有一种本构模型能够完整地表现出岩体的特性。 岩体边坡的稳定分析分为定性及定量两种方法。但是由于岩体本身的构造复杂性，现实中不可能模拟出岩体实际的特征，定量分析也仅是最大程度地还原岩体真实的受力特征。 1.1. 定性分析 在工程中应用较多的定性分析方法主要为赤平投影法。将岩体的结构面特征反映在赤平投影中。将结构面与边坡坡面的关系划分为顺交坡、斜交坡、逆向坡及相应的组合边坡。不同的坡面特征反映的边坡安全度也不同。在赤平投影中，可以反映单一结构面、组合结构面及由结构面相互切割形成的岩体楔形体与坡面的关系，据此定性评价边坡的安全性。 1.2. 定量分析 岩体边坡的定量分析是将岩体特征进行了适当的假定及简化。目前使用较多的主要为以下四种。 1) 滑动圆滑法。建筑边坡规范 [ 1 ] 中对于无外倾结构面的岩体边坡，推荐以岩体的等效内摩擦角按照土体边坡的计算方法进行分析。实际多以土体的圆弧滑动模型进行计算。此种方法对结构面不甚发育，整体接近均质的软质岩体较适宜。 2) 折线滑动法。假定边坡沿某几个组合的结构面滑动。将滑动块体假定为刚体，给出滑动面的抗剪参数，以此计算边坡的稳定性。 3) 各向异性折减 [ 2 ] 。岩体因为结构面的切割，呈现各向异性特性。利用结构面的空间分布特性，统计出结构面空间分布上的连通率，对岩体本身的强度参数进行折减，进而得到岩体在各个方向上的强度特征，再利用数值计算软件进行分析。 4) 数值模拟。能够真实模拟岩体裂隙特征的方法主要为离散单元法。在离散元程序UDEC中使用蒙特卡洛法，引入随机裂隙模型可以很好地用于岩体边坡分析 [ 3 ] 。而颗粒流离散单元法在真实还原岩体特征上具有明显优势。将岩体分解为数量很大的颗粒的集合体，岩体的力学特征并不以简单的本构模型表示，而是用颗粒的接触力学行为反映岩体内部及各种结构面特性。用颗粒流程序不仅可以模拟岩体的力学试验 [ 4 ] ，也可以用于实际工程中。
system: [SYSTEM]

user: 2. 颗粒流软件及随机裂隙模型 2.1. 颗粒流软件 目前使用的颗粒流软件为itasca公司的PFC系列软件。PFC软件是利用离散单元法模拟球形颗粒的运动和相互作用的软件。它最早是被用来模拟颗粒状材料的行为；颗粒模型被用来代表单元的行为，而连续的方法则被用来解决真实的具有复杂变形模式的问题。颗粒间的相互作用通过接触本构关系来实现，数值边界条件的确定和试样的若干应力平衡状态通过迭代分析进行，直到使数值试样的宏观力学特性逼近材料的真实力学行为或者工程特性。颗粒流程序的数学实现方法见图1。 图1. 颗粒流数学实现过程示意图 PFC拥有以下三个优势。1) 它具有潜在的便捷性，PFC可以用颗粒模拟工程实体而不需考虑其本构特征；2) 本质上，PFC对物体的位移没有限制，即其可以任意大位移移动；3) 不像离散元软件那样，在PFC中，块体可以破裂。PFC在应用中也会存在一些问题，比如从微观上用颗粒来表现实体，对实体的计算要分解到每个颗粒上。对于一个项目用到的颗粒数量是很庞大的，对电脑的运算能力要求很高。颗粒的接触力学行为用到的参数很多，而这些参数的标定需要进行很多的前期工作。 2.2. 随机裂隙模型 PFC中引入了随机裂隙模型(DFN)来模拟岩体。岩体裂隙结构示意图见图2。粘性颗粒上覆盖裂隙，并插入光滑节理接触模型，以模拟综合岩体。DFN可以根据统计学上的裂隙分布特征生成反映实际岩体的裂隙模型。裂隙的一些特性比如抗剪参数，张开与闭合行为等在软件中可以很好的体现。
system: [SYSTEM]

user: 3. 基于颗粒流的岩体边坡破坏分析 颗粒流方法能够从微观上反映岩体的组成，以颗粒的相互作用来反映岩体内部结构及结构面间的接触。由此使用颗粒流方法能够直观的观察岩体边坡的破坏过程。曾有使用PFC2D软件构建含2条断续节理岩体及顺层断续节理岩质边坡模型来进行边坡破坏分析 [ 5 ] ，从细观力学角度深入研究其破坏过程中的力学机制。而从工程实际考虑，引入足够多的裂隙数量才能逼近真实岩体边坡的受力特征，据此进行的分析也更有针对性。 图2. 岩体裂隙结构示意图 3.1. 工程背景 该岩质边坡高度约30 m，设计中采用1:0.35的坡率放坡并锚喷加固。该边坡地层以石英砂岩为主，节理裂隙发育，岩体基本质量分级为III~IV级，岩体呈较破碎至破碎状。岩体主要裂隙为层面及二组结构面。结构面微张开，粘结性欠佳。 3.2. 模型建立 采用二维PFC软件进行模拟。构件模型尺寸如图3所示，模型标注单位为米。考虑裂隙的延伸长度、分布密度、裂隙产状等分布特征，对其进行了简化处理。将裂隙主要分为了三组，一组层面及两组呈共轭关系的结构面。各结构面的主要特征见表1。为了表现岩体边坡的破坏，在模型中忽略了锚喷加固支护结构。 3.3. 接触模型设置 用球体通过设置特定的连接来模拟岩体。球体的连接使用两种连接模型(见图4)。线接触模型(Linear Model)是颗粒流里的基础接触模型，用以模拟简单接触的情况。它只传递接触力，不考虑粘结等属性。平行粘结连接模型(Linear Contact Bond Model)用于模拟完整状态的岩块。连接模型考虑了颗粒之间的刚度、阻尼及传递的力和弯矩等接触参数，可以很好的表现出实际岩块的结构特性。因此先设定岩体为平行粘结连接，用以表现完整岩体。当岩体破坏后，重建的连接为线接触连接，以表现岩体碎块的搭接。 图3. 岩体边坡模型 Table 1 Structural plane characteristic parameter 倾角(˚) 粘聚力(kPa) 内摩擦角(˚) 特征 层面 52 100 30 硬质结构面，呈闭合状，结合一般 结构面1 68 70 25 硬质结构面，微张开，结合差 结构面2 60 70 25 硬质结构面，微张开，结合差 表1. 结构面特征参数 图4. 球体接触模型示意图(线接触模型及平行粘结连接模型) 结构面模型采用平面接触模型(Smooth-Joint Contact Model) (见图5)。该模型用于模拟平面摩擦的接触行为。首先模型表现为线弹性力学状态，具有粘结属性。当达到强度极限，粘结破坏，接触界面为线性摩擦状态。 图5. 结构面接触模型示意图(平面接触模型) 3.4. 岩体边坡破坏分析 硬质岩体的破坏大部分情况是受到结构面的影响而发生的。岩体受到结构面的切割形成很多弱联结的相对独立的楔形体。在受到扰动的情况下，最脆弱的部分先滑动，进而影响到与其相连的其它块体的平衡，这种影响逐渐向内部传递，最终导致大范围的跨塌崩落。从以下的模拟结果中可以直观观察破坏的进程。 3.4.1. 整体破坏的发生 受结构面影响的岩体破坏大体可分为四个阶段(见图6)。阶段1，边坡临空面小块体的破坏。此时内部岩体尚处于稳定状态，与失稳块体相连区域有轻微位移，破坏只发生在临空面上的较小范围；阶段2，破坏向内部传递。边坡临空面的小块体破坏后，又为后面的岩体形成新的临空面，后方受扰动岩体继续破坏，造成边坡浅层岩体的破坏；阶段3，大范围垮蹋破坏，在破坏向内部传递后，更大范围的岩体受到影响，导致更多的不稳定岩体出现，破坏进一步扩大，直至达到更深层的稳定岩体；阶段4，新的稳定状态，岩体的破坏已经停止，受到影响的岩体已达到新的平衡状态，或者位移至新的位置达到新的平衡，或者周围应力改变而达到新的平衡。在模拟图中，因达到最终稳定耗时很长，阶段4配图已经可以明显观察到深层的岩体已经很稳定，外层岩体垮落之后也会达到新的平衡。 图6. 岩体边坡破坏过程 3.4.2. 不稳定楔形体区域破坏分析 对失稳楔形体及其影响区域的位移及不平衡力进行监测。在PFC软件中监测的数值是对应一个区域的平均值，而不是一个具体的颗粒。 监测的楔形体为最初破坏发生时临坡面的失稳块体。在位移监测图图7中，4条曲线自上而下分别对应着楔形体外围上、外围左、下部、下部稳定区域。在破坏过程中，外围上部，外围左侧均处于不平衡状态，位移在逐步增加。楔形体下部初期位移较小，处于暂时平衡状态，随着周围岩体位移的增大，突然发生脆性破坏，下部稳定区域一直处于小位移的状态，直至达到新的平衡。 在不平衡力监测图图8中，楔形体外围上部、左部的岩体不平衡力均处于较高状态，破坏一直在发生。楔形体下部的岩体不平衡力在脆性破坏的瞬间突然增大，即尔持续保持较高状态，下部稳定区域岩体存在较低的平平衡力，状态较为稳定。 图7. 不稳定楔形体区域位移数据曲线 图8. 不稳定楔形体区域不平衡力数据曲线 通过针对破坏楔形体周围区域的位移和不平衡力的监测可以发现，在楔形体发生破坏的同时，周围脆弱联结的区域一直都在持续弯形中，在楔形体破坏发生后，此处影响区域进入后续的破坏进程中。楔形体下部暂时平衡状态区域，在破坏发生的瞬间，平衡状态被打破，也发生急剧破坏。较深层的稳定区域连接强度较高，自始均保持稳定状态。 3.4.3. 边坡坡体竖向应力分析 设置竖向应力监测点。图9中曲线上部近水平曲线为边坡顶部破坏区边界监测点，下部近水平曲线为边坡底部稳定区域监测点，变化较陡的曲线为边坡顶部破坏区内监测点。由图中可以发现，破坏区外应力受到破坏区的扰动，出现振荡变化，整体保持均值；而边坡顶部破坏区随着破坏的发展，呈现垮塌现象，以至于竖向应力逐渐降低，到破坏的第3阶段时趋于水平震荡；边坡底部监测同样受到破坏的影响呈现振荡变化，后期由于垮蹋物的堆积，竖向应力有所增加。 图9. 坡体竖向应力数据曲线
system: [SYSTEM]

user: 4. 结论 1) 由颗粒流软件基于随机裂隙模型对带有结构面的岩体的分析在现有针对岩体分析的方法中具有比较显著的优势。能够比较真实地反映岩体的实际受力状态。 2) 二维软件仅是真实情况在平面上的投影，对真实情况做了很大的简化。目前PFC三维软件对真实岩体的模拟，所需的颗粒数量及节理裂隙数量是很庞大的，对计算机的运算能力要求很高，由此三维颗粒流在真实岩体边坡的稳定性分析中使用较少。随着计算机能力的发展，对岩体边坡的模拟将愈接近实际。 3) 对硬质岩石形成的边坡，其破坏往往是由浅层薄弱楔形体率先破坏，继而引起深层岩体破坏。所以在针对此类岩体的边坡支护中，往往以加固薄弱楔形体为主，采用锚索挂网形式进行支护。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 本文主要综述了多孔吸附材料的种类、吸附机制及其主要用途。以离子交换型与配位型两大类型多孔吸附材料为介绍对象，深入阐述了其在分子结构、吸附作用力类型的特异性和复杂性。 关键词 :离子交换，配位，多孔材料，吸附作用力 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 吸附材料的定义及种类 吸附性材料主要是指那些对某些特定离子或分子有选择性亲和作用，使两者之间发生暂时或永久性结合的材料。吸附性材料被广泛用于环境保护过程中的空气和水的净化、工业上某些物质的富集分离、轻化工产品的脱色、混合物的分离等领域，是重要的工业产品。吸附性材料根据材料的结构和属性可以分成无机吸附材料，如分子筛、硅胶、活性炭等；有机吸附材料，如聚苯乙烯、葡聚糖凝胶、纤维素等。在有机吸附材料中主要都是高分子材料。合成高分子吸附材料主要包括离子交换树脂、高分子螯合剂、吸水性树脂、吸附性树脂等。近年来，得益于分子设计的发展，合成高分子吸附剂的研究和生产发展较快，涌现出大量具有高吸附容量、高选择性的合成吸附材料，极大地丰富了人类调控自然的能力和手段。 根据吸附性高分子材料的性质和用途，它们还可以具体分成以下几类。 1) 非离子型吸附树脂：这种树脂不含特殊的离子和官能团，主要依靠分子间的范德华力。非离子型树脂对非极性和弱极性有机化合物具有特殊吸附作用，在分析化学和环境保护领域应用中主要用于吸附分离气相和液相中的有机分子。 2) 吸水性高分子吸附剂：这种高分子材料具有亲水性网状分子结构，并可以被水以较大倍数溶胀，因此具有较大吸收和保持水分的能力。这种材料被广泛用于农业的土壤保湿和作为生理卫生用品等。 3) 配位聚合物：配位聚合物，又称无机–有机杂化材料，是高分子有机配体与金属离子通过配位键的结合形成的具有无限规整结构的化合物的统称，它结合了高分子和配合物两者的特点。这种高分子材料的骨架上带有配位原子或者配位基团，能够对特定金属离子进行络合反应，两者进而生成配位型聚合物。是由于其具有丰富的空间拓扑结构，以及独特的光、吸附等性质引起了研究者的广泛兴趣 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。金属–有机骨架化合物的设计合成、结构及性能研究是近年来十分活跃的研究领域之一，跨越了无机化学、配位化学、有机化学、物理化学、材料化学、生物化学、晶体工程学和拓扑学等多个学科领域。配位聚合物具有多重性质，如催化性能、手性、导电性、发光性、磁性、非线性光学性能和多孔性 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。金属的配位数由其外层空间和配位体提供的电子数决定。过渡金属单核有机配位化合物一般遵守16或18电子构型规则。单核金属与有机配位体的成键方式符合配位化学规律。通常，金属接受配位体通过σ键或π键输送的电子，过渡金属则通过d轨道向配位体反键轨道中反馈电子。 4) 离子型吸附树脂：这种高分子材料的骨架中含有某些酸性或者碱性基团，在溶液中解离后分别具有与正离子或者负离子以静电引力结合的能力。其典型的材料为各种离子交换树脂。它们被广泛应用于各种阴离子或阳离子的富集和分离，同时也被用于水的去离子和纯净水的制备等过程。
system: [SYSTEM]

user: 2. 离子交换吸附的应用 早在1850年科学家就发现了土壤吸收铵盐时的离子交换现象，但直到20世纪40年代，人工合成的离子交换树脂才使得离子交换成为一种现代分离手段。Sober和Peterson于1956年首次将离子交换基团[结合到纤维素上，制成了离子交换纤维素，成功地应用于蛋白质的分离 [ 7 ] 。从此生物分子的分级分离方法取得了迅速的发展。离子交换基团不但可结合到纤维上，还可结合到交联葡聚糖(Sephadex)和琼脂糖凝胶(Sepharose)上 [ 8 ] [ 9 ] 。近年来离子交换色谱技术已经广泛应用于蛋白质、酶、核酸、肽、寡核苷酸、病毒、噬菌体和多糖的分离和纯化。它的优点是：1) 具有开放性支持骨架，大分子可以自由进入和迅速扩散，故吸附容量大；2) 具有亲水性，对大分子的吸附不太牢固，用温和条件使可以洗脱，不致引起蛋白质变性或酶的失活；3) 多孔性，表面积大、交换容量大，回收率高，可用于分离和制备。 离子交换操作的过程和设备，与一般性的吸附剂基本相同，但离子交换的选择性较高，更适用于高纯度的分离和净化。目前，离子交换主要用于水处理；溶液(如糖液)的精制和脱色；从矿物浸出液中提取铀和稀有金属；从发酵液中提取抗生素以及从工业废水中回收贵金属等。 离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，如树脂，纤维素，葡聚糖，醇脂糖等，它的分子中含有可解离的基团，这些基团能与水溶液中的其它阳离子或阴离子发生交换作用。虽交换反应都是平衡反应，但在层析柱上进行时，由于连续添加新的交换溶液，平衡不断按正方向进行，直至完全反应。因此可以把离子交换剂上的离子全部洗脱下来，同理，当一定量的溶液通过交换柱时，由于溶液中的离子不断被交换而浓度逐渐减少，因此也可以把全部目标物分子交换并吸附于树脂上。如果有两种以上的成分被交换吸附于离子交换剂上，用解吸液解吸时，他们被洗脱的能力取决于各自解吸反应的平衡常数。吸附在离子交换剂上的蛋白质、核苷酸、肽等两性物质可以通过改变pH使吸附质失去电荷而达到解离，但一般采用的更多的手段是通过增加离子强度，使加入的离子与吸附质竞争离子交换剂上的电荷位点，使吸附质与离子交换剂分开。不同吸附质与离子交换剂之间形成电键数目不同，亲和力大小也有差异，因此需选择适当的解吸条件才能将混合物中的组分逐个洗脱下来，并最终达到分离纯化的目的。
system: [SYSTEM]

user: 3. 配位聚合物的配位吸附方式 配位聚合物，又称无机-有机杂化材料，是高分子有机配体与金属离子通过配位键的结合形成的具有无限规整结构的化合物的统称，它结合了高分子和配合物两者的特点。这种高分子材料的骨架上带有配位原子或者配位基团，能够对特定金属离子进行络合反应，两者进而生成配位型聚合物。由于其具有丰富的空间拓扑结构，以及独特的光、吸附等性质，引起了研究者的广泛兴趣 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。 配位化合物也称作络合物，其络合单元由中心过渡金属的原子或离子及其周围的分子和离子(称配体)按一定的组成和空间构型组合而成。中心离子M通常是含d电子的过渡金属原子或离子，具有空的价键轨道。配位体L通常是分子或离子，含孤对电子或π键。L → M表示配体分子通过配位作用与金属离子或原子相结合。金属配位化合物的配位数常见的有2、4、6、8，其中最常见是4和6两种。如下图1配位数为4的常见几何构型为正四面体和平面正方形；配位数为6的常为正八面体构型。 另外，金属族类离子或复合物还可作为骨架组成部分或侧链结合于聚合高分子内。按照Ciardelli学者的分类，它们的结合方式可分为如图2三种类型 [ 10 ] 。在I型聚合物内，金属离子或复合物与聚合分子之间以静电引力、配位作用或共价键方式相结合；在II型聚合物内，金属复合物以配位作用或共价键方式结合于聚合分子主链上；在III型聚合物内，金属离子或复合物通过空间作用效应埋藏于聚合物骨架之间。螯合作用是一个自发的过程，所以上述聚合物形成是一个自由能变减小的过程。目前有不少文献综述了金属类聚合物合成与性质方面的研究 [ 11 ] - [ 19 ] 。
system: [SYSTEM]

user: 4. 吸附作用力类型 配位聚合物和离子交换剂，均属于吸附性的高分子材料。它们对目标产物的吸附作用力不只局限于配位作用力或离子交换作用力，还包括金属离子与有机配体之间的其它弱的非键相互作用 [ 20 ] ，如静电作用，π-π相互作用、氢键、疏水作用和范德华力等，见表1。 图1. 配位分子存在的几种空间结构类型 图2. 配位聚合物的配位方式 Table 1 Potential acting forces and individual strength in coordination polymer 作用力类型 作用力大小(kcal/mol) 离子–离子相互作用 24~100 偶极–离子相互作用 12~50 偶极–偶极相互作用 1.2~12 阳离子–π 15~40 π-π (π堆积作用) 10~30 氢键 5~10 范德华力 1.2~10 疏水或僧水效应 — 表1. 配位聚合物内可能存在的几种作用力及其强度 1) 范德华力 范德华力是指分子偶极间的作用力。分子间的偶极分为永久偶极、诱导偶极和瞬间偶极。上述三种偶极间的作用将范德华力分为取向力、色散力和诱导力。a) 取向力：极性分子之间靠永久偶极–永久偶极相互作用产生的力称为取向力，仅存在于极性分子之间；b) 诱导力：诱导偶极与永久偶极之间的作用称为诱导力。诱导力既存在于极性分子与非极性分子之间，也存在于极性分子与极性分子之间。c) 色散力：瞬间偶极–瞬间偶极之间的作用为色散力。由于各种分子均有瞬间偶极，因此色散力存在于极性分子–极性分子、极性分子–非极性分子及非极性分子–非极性分子之间。 2) 氢键 以HF为例，F的电负性相当大，分子间的电子对偏向F，使H几乎成了质子，这种H与其它分子中电负性大、r小的原子相互接近时，产生一种特殊的分子间力氢键。氢键产生的两个必要条件：a) 与电负性大且半径小的原子(如F、O、N等)相连的H；b) 在H附近有电负性大半径小的原子(如F、O、N等)。根据Lewis酸碱理论 [ 21 ] ，溶剂与溶质之间的氢键作用可以分为氢键酸性和氢键碱性，氢键碱性指的是氢键受体(碱性)溶剂。 3) 疏水效应 弱溶剂化的粒子或颗粒对溶剂分子(如水分子)存在排斥作用，这种分子间相互作用称为疏水效应。水分子的相互作用强烈使得其他物质(弱极性分子)形成一个聚集体而被挤出水的相互作用之外。从能量角度，疏水效应分为两种情况：熵和焓。溶液中主体和客体的存在使得大量水分子结构中产生两个孔，主体和客体的结合形成配合物使得溶剂的结构有序性破坏减小，熵增加。焓效应是指客体把水分子从空腔内替换出来的稳定性作用。两者相比较焓占主要成分，对疏水效应起主导作用。 4) 空间作用 空间位阻效应主要指分子中某些原子或基团彼此接近而引起的空间阻碍作用，如酶反应中空间位阻会降低其催化活性。在配位化合物中，当向一个配体引入某些较大基团后，由于产生空间位阻，会影响它与中心原子形成配位化合物。每个原子在分子中占有一定的空间。如果原子太接近了，两个相邻的原子就会形成重叠的电子云(表现为斥力)，这可能会影响分子间的反应。