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原文传递寒区隧道在不同水分条件下边仰坡稳定性研究

论文题名：	寒区隧道在不同水分条件下边仰坡稳定性研究
关键词：	寒区隧道;边仰坡;稳定性;水-热-力耦合;有限元折减法
摘要：	对于常温状态下边坡稳定性的研究，国内外学者已经积累了大量的经验。寒区隧道的边仰坡由于存在冻融过程，引起水分场、温度场以及应力场之间的相互影响，其受力的复杂程度远远高于常温状态下的边坡，这使边坡工程的安全稳定性分析更加复杂。然而，目前关于寒区隧道的研究大多集中在冻融状态下隧道衬砌结构及围岩的水-热-力响应方面，对寒区隧道在水热环境下边仰坡的稳定性缺乏深入研究。　　本文主要采用理论分析、数值模拟相结合的方式，对不同水分条件下、不同坡率下的边仰坡稳定性进行了深入的研究；研究中考虑了水-热-力三场耦合效应对边坡稳定性的影响，并对不同工况下的边坡稳定性变化规律进行对比分析，主要内容及成果如下：　　（1）通过饱和-非饱和土的Richards方程以及带相变的温度场微分方程，以水-热耦合的结果作为稳定性分析的前提条件，对土体的冻结、融化状态下影响其力学参数的主要因素进行分析，分别采用温度及水分作为控制因素，结合有限元强度折减法，建立了寒区隧道洞口段边仰坡稳定性分析模型。　　（2）以某寒区隧道为背景，分析了在不同水分条件下边仰坡温度场、水分场、应力场的分布规律，结果表明：随着初始含水率的增大，边坡的最大冻结深度与最大融化深度均有所增加，且初始含水率较大的边坡坡体最高温度与最低温度均有所降低；整个模拟过程中边坡同一测点含水率的增大速率与减小速率都有逐渐加快的趋势，边坡表层测点的水分略小于初始未冻水体积含量，边坡底部（隧道顶部）的测点水分略大于初始未冻水体积含量；边坡表层应力值的变化速率逐渐放缓，内部应力值基本符合逐渐增大的趋势。　　（3）对洞口段边坡稳定性与水分条件的关系进行计算分析，结果表明：在不同初始含水率条件下，一年内每个月的边坡稳定系数变化均与时间密切相关，具有周期波动性，且均随着初始含水率的增大逐渐减小；在冻结过程中，随着初始含水率的增大，安全系数的增长速率也随着冻结深度的增加而加快；在融化过程中，随着初始含水率的增大，安全系数的减小速率随着融化深度的增加逐渐放缓。在失稳形态上，初始含水率为8%、15%时，边坡失稳的有效塑性滑动面形状相似，但滑动面下侧位置有区别；初始含水率为22%时，边坡失稳的有效塑性滑动面增加，二级边坡也出现滑面，说明随着初始含水率的增加，滑动面有由深向浅发展的趋势。　　（4）为进一步研究寒区隧道洞口段不同坡率对边坡稳定性的影响，分别选取四种坡率建立不同坡率的边坡模型进行计算分析。结果表明：初始含水率的大小对边坡稳定的影响随着坡度的提高逐渐减小，即坡率成为控制边坡稳定性大小的主要因素；但随着初始含水率的增加，同一坡率的边坡在破坏形态上发生变化，即滑动面有由深向浅（从一级边坡到二级边坡）发展的趋势，滑动带的出现也更加明显。
作者：	张凡
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