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原文传递黄土隧道洞口段地震动力失稳机制及对策研究

论文题名：	黄土隧道洞口段地震动力失稳机制及对策研究
关键词：	黄土隧道;地震响应;失稳机制;抗震设防范围;振动台模型试验
摘要：	我国西部黄土地区具有特殊的地质环境，黄土厚度大，地震活动频繁，抗震设防烈度高，在西部交通基础设施不断完善，隧道数量快速增加的背景下，大量隧道工程随时面临着地震灾害的威胁。因此，对黄土隧道洞口段地震动力响应规律、失稳机制及对策的研究，具有重要的现实意义。　　本文结合隧道洞口段震害资料和相关研究文献，通过数值模拟和大型振动台模型试验，考虑坡高、坡角、入洞高程和地震波频谱特性等主要影响因素，以加速度、加速度放大系数、位移、小波包变换、模型破坏形态等为切入点，系统研究了黄土隧道洞口段地震响应规律，分析了洞口段地震动力失稳破坏特征，探讨了地震动力失稳机制和极限状态判别依据，提出了“多因素条件下黄土隧道洞口段设防范围估算方法”，取得以下研究成果：　　(1)数值模拟和模型试验结果均出现了隧道仰坡沿高程方向的地震响应先增大后减小的现象，说明接近坡顶处时，在土体对地震波的滤波衰减作用下，高程放大效应不再明显。　　(2)隧道的地震响应主要受围岩变形作用驱动，表现为隧道的洞口放大效应，同时隧道也会对围岩产生一定的约束作用，表现为坡面地震响应在隧道洞口附近时均出现一定程度的减小。　　(3)仰坡高度、仰坡角度和入洞高程是影响隧道洞口段地震响应规律的重要因素，对隧道洞口段地震响应强度与规律、破坏趋势与范围等均会造成影响。不同地震波的频谱特性也会造成地震响应强度的差别。　　(4)通过分析模型试验的变形破坏形态，将失稳破坏过程划分为“弹性变形阶段”、“塑性变形损伤累积阶段”、“局部破坏阶段”和“整体破坏”四个阶段，不同的“阶段”对应着洞口段土工结构整体动力特性的变化。　　(5)加速度峰值的变化能够实时反映洞口段土工结构的变形破坏状态，也对应着输入地震波强度的变化，不同的是，加速度放大系数的变化能够反映模型内部状态或特性的变化，当加速度放大系数曲线突增时，表示岩土体进入下一阶段变形破坏前的极限状态，曲线波动剧烈的测点处一般会最先破坏。　　(6)通过对加速度响应信号进行小波包变换得到的不同频段能量占比分析，将第一、第二频段能量占比E1与E2差值变化趋势的改变作为判定岩土体变形临界状态的指标：当E1、E2差值达到最大时，标志着模型处于整体失稳破坏前的极限状态，当E1、E2差值由增大开始减小时，标志着模型已处于整体破坏过程当中，当E1不再占据主导（小于50%）时，可以认为土工结构完全失去强度和承载能力。　　(7)通过拟合得到了隧道洞口段设防范围分别与坡高、坡角、入洞高程关系的二次函数，分别求解后取平均值，得到考虑多因素条件下黄土隧道洞口段设防范围，通过算例验证，证明该方法是基本合理可行的。
作者：	孙文
专业：	岩土工程
导师：	梁庆国
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2021