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冻融循环作用对寒区隧道边仰坡稳定性影响的研究
| 论文题名： | 冻融循环作用对寒区隧道边仰坡稳定性影响的研究 |
| 关键词： | 寒区隧道边仰坡;冻土;冻融循环;水热力耦合 |
| 摘要： | 寒区隧道边仰冻融灾害形成的原因、作用机理机制以及影响因素较为特殊和复杂，在冻融循环作用下的寒区隧道边仰坡内部水热力变化规律及其稳定性影响分析的研究尚为不多。本文将采用理论分析与有限元数值模拟相结合的方式，针对在冻融循环影响下寒区隧道边仰坡稳定性进行了深入的研究，主要研究内容如下： (1)对寒区边仰坡的稳定性在冻融作用下的影响因素、失稳类型进行了分析，探讨了冻融循环分别对土质边仰坡以及岩质边仰破的影响，并介绍了常用的寒区边仰坡稳定性分析评价方法。 (2)本文在多孔介质传热理论、理查兹方程理论以及固体力学理论的基础上建立了水热力三场耦合模型，通过COMSOLMultiphysics大型有限元数值模拟软件，采用顺序耦合的方式，实现了水热力三场耦合的求解，并建立了隧道边仰坡典型侧断面的二维仿真模型。 (3)以青海某隧道边仰坡工程为背景，分析了在冻融作用下温度场、水分场及应力场等的分布特点和变化规律，得到在冻融过程中，安全稳定系数随冻结深度与融化深度增加的变化关系分别成正比与反比。边仰坡表层受外界环境温度影响最为明显，其温度变化、水分变化的反应速率最快，随着距离坡表深度的增加，受外界影响变化的反应速率逐渐下降。通过常温状态下与冻融作用下的边仰坡稳定性进行对比分析得到，冻融作用对边仰坡稳定性有着较大的影响，在冻结时稳定性有所上升，而在融化时其稳定性下降，这是由于融土与冻土之间形成了冻融交界面，水分被迫改变流动方向，沿着此交界面顺流而下，这也就降低了土体的力学性质与强度，从而引发边仰坡发生失稳破坏。当边仰坡处于临界状态时，其滑动面呈圆弧状，从坡脚沿着冻融交界面延伸至坡顶。 (4)通过强度折减法计算分析了冻融循环次数、不同初始含水率以及不同边仰坡坡度三种主要因素对寒区隧道边仰坡稳定性的影响，得到随着冻融循环次数的增加，边仰坡的稳定性越低，且第一次冻融后的安全稳定系数下降幅度最大，之后趋于平缓。当冻融循环次数一定时，初始含水率越大，其安全稳定系数越小，且下降幅度随着冻融循环次数的增加在逐渐变小；在相同的冻融循环次数下，坡度越大，其稳定性越差，反之亦然。 本文采用理论研究和有限元数值模拟相结合的方式，对寒区隧道边仰坡稳定性在冻融循环作用下的影响研究，可为寒区隧道边仰坡相关课题以及实际工程建设研究提供理论依据。 |
| 作者： | 李军平 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 刘志强;赵录学 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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