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原文传递含小净距隧道岩石边坡地震动力响应特性与稳定性研究

论文题名：	含小净距隧道岩石边坡地震动力响应特性与稳定性研究
关键词：	含小净距隧道岩质边坡;地震动力特性;振动台试验;数值模拟;极限分析上限定理
摘要：	边坡在地震作用下的失稳破坏是山区主要的地震灾害之一，其地震响应规律与动力稳定性已成为岩土工程领域的热点研究问题。受地形地貌、道路选线和隧道选型等因素的影响，越来越多修建在强震区的高速公路出现了下伏小净距隧道的岩土边坡。含小净距隧道边坡由于临空侧岩土体薄弱，且小净距隧道的存在极大地劣化了边坡的力学环境，增加了边坡内部地震波传播及作用的不确定性，地震作用下极易坍塌失稳。因其特殊的结构形式，目前并没有引起岩土工程界和地震工程界的广泛关注，关于其在地震作用下的动力响应和稳定性的计算和判识方法需要系统而深入的研究。本文以国家自然科学基金“含地下洞室（群）岩石边坡地震灾变行为与抗震性能评价”(编号:51204215)项目为依托，基于大型振动台试验对边坡在地震作用下的动力响应特性进行了研究，并对边坡的响应规律和稳定性进行了数值模拟分析和极限分析。本文的研究成果对深入了解含小净距隧道边坡在地震作用下的动力响应特性，地震稳定性判识及抗震设计优化有一定的指导意义。主要研究内容及成果如下: 　　(1)大型振动台模型试验方案设计　　根据相似理论，完成了模型的相似关系设计。根据试验目的和研究内容，确定了模型箱类型、模型边界的处理方法、监测内容和监测点的布置方案等，完成了含小净距隧道边坡模型的设计与制作。根据试验所研究的强震区地震烈度，选定了试验加载的地震类型及地震动强度，确定了试验加载方案。　　(2)含小净距隧道边坡地震动力响应特性分析　　利用大型振动台模型试验对含小净距隧道岩石边坡的加速度响应基本规律、频谱特征和动位移响应规律进行了研究，对比分析了不同地震波类型下，不同激振强度和激振方向下边坡的加速度和动位移响应规律。研究认为，受小净距隧道和输入地震波的耦合作用、围岩级别、结构面组合和激振方向等因素的影响，加速度放大系数与动位移峰值沿坡面呈现出明显的非线性变化特征。　　(3)含小净距隧道边坡地震动力响应特性数值模拟　　采用MIDAS GTS/NX有限元软件分析了含小净距隧道岩石边坡的加速度动力响应特性，与振动台模型试验结果进行对比研究。在此基础上，对模型边坡的位移场，应力场，有无隧道对边坡动力响应的影响进行分析。通过改变输入地震波的地震动参数，研究了边坡在不同类型地震波作用下的加速度响应规律。研究认为，在地震作用下隧道围岩拱脚拱肩、中夹岩、坡脚处更容易发生拉伸破坏和剪切破坏。　　(4)含单洞隧道边坡的水平屈服加速度和地震稳定性极限分析　　基于拟静力法和塑性极限分析上限定理，推导了含单洞隧道边坡的地震稳定性系数和水平屈服加速度的上限解，该上限解考虑了隧道位置、隧道埋深、支护结构抗力、地震惯性力系数、岩体的粘聚力和强度折减系数等因素。并对地震稳定性系数和水平屈服加速度的影响因素进行了敏感性分析和影响程度分析，为含小净距隧道边坡的极限分析提供了新的思路。研究认为，在进行抗震设计时应综合考虑各因素的敏感性和影响程度。
作者：	牛家永
专业：	土木工程
导师：	江学良;杨慧
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中南林业科技大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文