落石冲击棚洞结构冲切特性研究

落石是一种严重的山区地质灾害,而棚洞作为主要防护落石的工程措施之一,研究落石冲击下棚洞结构动力响应特征具有重要的现实意义。以经典Hertz理论为基础,假设落石为球形刚性体,棚洞结构为梁结构,建立落石冲击力学模型,理论推导得到不同尺寸落石以不同速度冲击不同厚度砂土垫层材料下棚洞板的最大冲击力计算公式,并得出不同工况下棚洞板被冲切破坏时落石的极限冲切速度,结果表明：总体上,落石对棚洞板的冲击力随垫层厚度增加而减小,但垫层厚度不能无限增加,过厚的垫层自重较大,使棚洞板受力较大,垫层材料厚度在0.5～1.5 m厚之间较为合理;落石尺寸和冲击速度越大,棚洞板受力越大,有限厚度的垫层材料只能承受一定限度的冲击能量,当冲击能量超过垫层材料的极限承受强度时,垫层不再耗散能量;分析棚洞板冲切破坏条件可知,无垫层时,很小的落石冲击速度使棚洞发生破坏,可见,合理的垫层厚度对防治落石具有重要意义。     

辽宁省喀左县道虎沟山坡崩塌地质灾害防治工程设计

近年来,辽宁西部低山丘陵区崩塌落石地质灾害频繁发生,喀左县道虎沟村崩塌地质灾害为典型的上部陡崖危岩崩落下部斜坡落石滚动崩塌地质灾害。辽西地区常用的崩塌地质灾害防护结构多为圬工结构,圬工结构存在很多缺点,综合考虑道虎沟村崩塌的地质环境条件,分析崩塌地质灾害特征,通过多种治理方案比选,确定采用SNS主动防护系统和被动防护系统联合使用的治理方案,通过分析和计算确定主动防护系统和被动防护系统型号。本文为类似崩塌地质灾害治理方案选择及SNS防护系统选型提供参考。     

高位落石作用下不同缓冲层与钢筋混凝土板组合结构动力响应

2008年“5.12”汶川特大地震诱发了大量的震裂山体危岩崩塌灾害。这类危岩发育位置高、冲击能量大,存在主动加固措施难以实施且被动防护网防护能级不足的问题,为此在汶川、芦山、九寨沟地震灾区逐渐广泛使用桩板拦石墙结构用于防治高位崩塌落石,取得了非常好的效果,但同时也存在部分桩板拦石墙墙后因未设缓冲层或挂废旧轮胎而被落石直接撞击并损毁的现象。为避免落石直接与此类钢筋混凝土（RC）板碰撞造成刚性破坏,工程上常采用就地开挖的碎石土、砂土作为缓冲层以减缓落石冲击力,为研究冲击作用下不同类型缓冲层消能效果及RC板的动力响应特征,基于室外搭建的落石冲击试验平台,开展了不同缓冲层及其相互组合的系列落石冲击试验。结果表明,总厚度相同前提下,EPS泡沫-砂土组合缓冲层的消能效果最优,其次为碎石土,砂最差。与其他两种缓冲层消能方式相比,落石锤与组合缓冲层碰撞过程中发生多次反弹且接触时长远大于其他两种;相同的冲击工况下,EPS中心位置压溃并下陷,且产生大量辐射状宽大裂缝;组合缓冲层能够有效减小RC板的跨中位移,在3,5,7 m冲击高度下,比砂作为缓冲层时跨中位移减小了37%~46%。在R4落石锤冲击下,RC板跨中位移显著增加且产生明显塑性位移,随冲击能量增大跨中裂缝自下而上延伸,RC板最终破坏时表现为典型的弯曲破坏特征。     

基于崩塌滚石运动特征的防护网动态响应规律

为获取被动柔性防护网在不同崩塌滚石运动特征下的动态响应规律,以鲁甸803地震震后崩塌滚石造成防护网损坏现场为例,通过无人机倾斜摄影技术实现地质调查,采用Rockyfor3D获取研究区落石的运动特征,并通过被动柔性防护网有限元模型,对不同落石冲击形式下防护网的动态响应规律进行研究.研究显示区内落石弹跳高度普遍在1~2 m,优势路径上的落石会形成稍高速低弹跳的范围冲击.在范围落石冲击下,防护网绳索最大拉力增加可达123.7%;在低弹跳落石冲击下,绳索最大拉力增加可达181.2%.范围落石冲击会导致防护网网面耗能的降低,并导致上拉锚绳拉力的增大.防护网下一级支撑绳对不同落石弹跳高度的响应较为敏感,部分高弹跳落石会对上拉锚绳和上一级支撑绳产生影响.      

基于重庆某高速公路的岩崩落石数值模拟与防护研究

重庆某高速公路边坡因岩层裂隙切割、岩体差异风化、岩体卸荷等原因,形成陡崖和危岩。陡崖上发育的危岩崩塌方向均为线路所在方向,严重影响线路安全,因此合理设置防护措施十分必要。由于落石属于概率事件,具有很强的随机性,所以其冲击动能、弹跳高度以及拦石网受到落石冲击时,拦石网与防护对象之间的安全距离难以准确确定。通过现场调查、理论分析、并利用rockfall软件对岩崩落石进行稳定性分析,设定危岩体的碰撞恢复系数、坡面摩擦角度和坡面粗糙度等参数,获得边坡潜在的落石坠落轨迹,为被动防护网的设计防护等级、高度和安装位置提供依据。     

落石冲击混凝土棚洞力学特性研究

落石冲击棚洞结构作用过程复杂,缺乏统一的落石冲击力表达式。首先,将落石简化为刚性球体,基于Hertz接触理论,推导得到落石冲击力半正弦算法的理论表达式,考虑落石冲击下棚洞的非弹性特征,根据落石与材料碰撞过程中落石加速度曲线特征,采用函数拟合法推导得到落石法向冲击下其冲击力的理论计算方法;然后,基于ANSYS/LS-DYNA软件建立落石冲击棚洞数值计算模型,研究不同冲击速度下落石冲击棚洞动力特征;最后,与现存常见的多种方法进行对比,得出以下结论：Hertz半正弦法得到的落石冲击力远大于函数拟合法和数值法,而函数拟合法和数值法得到的落石冲击力时程曲线相接近,表明函数拟合法更能反映落石与棚洞接触碰撞动力关系;对比其他计算方法可以得到,Hertz算法适用于分析无能量损失下的弹性碰撞问题,而Logistic算法适用于材料大塑性变形的情况,弹塑性接触理论结果和动力有限元结果存在差异,而采用函数拟合推导的计算方法得到的落石最大冲击力和落石冲击作用时间与动力有限元法更接近,更能反映落石冲击棚洞动力响应特征,推导的落石冲击力计算方法可为工程实践中棚洞防护设计提供理论参考。     

基于线黏弹性接触的落石冲击地面参量理论研究

落石与坡面或者防护结构接触过程中冲击参量随时间变化特征是描述落石碰撞过程的重要指标,对于揭示落石与坡面相互作用机制以及采取合理的防护措施具有重要的意义。在现有的相关设计规范中,并没有给出关于落石冲击力时程关系的计算方法,仅参照有关规范或经验方法确定一个落石最大冲击力值。为此,首先基于线黏弹性接触理论,建立落石冲击地面力学模型,根据位移-速度组合初始条件以及速度-加速度组合初始条件分别推导得到两种落石冲击特征参量理论解析解;然后基于 ANSYS/LS-DYNA 非线性动力学软件,建立落石冲击地面三维数值模型,研究球体落石冲击地面力学特点;最后将理论结果对比室内试验和已有的研究成果,得出以下结论：（1）Hertz 弹性接触理论结果中各参量变化在加载阶段和恢复阶段均呈现对称的趋势,速度、加速度初始条件下的落石冲击特征参量和动力有限元法非常接近,而位移-速度初始条件组合并不适用于研究落石冲击下的动力特征;（2）不同速度和下落高度下,落石最大冲击力值随落石下落高度和冲击速度的增大而增加,而落石冲击作用时间随下落高度和冲击速度的增加而减小;（3）计算结果得到的落石最大冲击力以及落石冲击作用时间与室内试验结果和已有成果相接近,相比室内试验和有限元结果的震荡性,此结果更能体现落石冲击力变化规律; （4）多种冲击速度下,对比不同方法得到的落石最大冲击力,可知计算结果均在各种冲击力计算结果的范围内,具有很好的可靠性。考虑到现有研究理论的不足,难以求解落石冲击力时程关系,求解结果丰富了落石碰撞理论,可以指导工程有关落石灾害的防护设计。     

落石冲击作用下被动柔性防护网整体结构试验

针对被动柔性防护网受力系统,介绍了被动柔性防护网在国内外的应用和研究现状,阐明了被动柔性防护网的构成和传力机理,揭示其抵抗落石冲击的基本原理。为分析被动柔性防护网整体受力机理和响应特点,进行了在落石作用下被动柔性防护网足尺模型的冲击试验,分析了被动柔性防护网受到冲击之后的整体变形以及减压环、钢柱等关键构件的耗能及其破坏机理,为被动柔性防护网的结构计算分析与设计提供一定的参考依据。     

冲击地压矿井的围岩与支护统一吸能防冲理论

针对冲击地压过程的能量传递与耗散,基于块系围岩与支护系统动力模型,研究冲击扰动在岩体中传播时,围岩与支护特性对能量传递与耗散的影响,通过岩体和支护中的阻尼吸能作用对支护端岩块的动能变化进行分析。经分析表明:支护端岩块的冲击能量是可控的,当增大围岩中局部岩块间的阻尼作用时,支护端岩块的动能明显下降,有效地吸收了冲击能量,同时局部岩块间的阻尼分散作用在相邻两个块体间的吸能效果相比于集中作用时更好;当增大支护中的阻尼作用时,相比于同样的围岩中阻尼变化,其吸收冲击能量的效果较弱。当围岩与支护中的阻尼共同作用进行吸能防冲时,应以岩体主动吸能为主,支护被动吸能为辅进行统一吸能防冲,由此提出围岩与支护统一吸能防冲理论,为吸收冲击能量防御冲击地压动力灾害提供思路。     

落石冲击混凝土板与缓冲层组合结构的动力响应

钢筋混凝土（RC）板与一定厚度的土颗粒缓冲层组合结构被广泛用于山区高位单体及群发性崩塌落石的防治,为研究此类防护结构在落石作用下的冲击力衰减规律及RC板的破坏模式,开展了室外系列落石冲击试验。结果表明,增大缓冲层厚度能够有效减小最大冲击力,峰值加速度随缓冲层厚度减小而增大,尤其在缓冲层厚度为0.1 m及0.2 m时,最大值急剧增大,峰值加速度与缓冲层厚度的变化满足指数函数关系;根据量纲分析原理得到缓冲层最大冲击深度与动能的平方成正比、与最大入射冲击力成反比的计算公式,且与实测值较吻合;入射冲击力在缓冲层内的衰减率随缓冲层厚度的增加以指数函数递增,在0.6 m缓冲层厚度下可使峰值冲击力衰减70%左右;随累积冲击能级的增大,RC板经历了弯曲起裂及扩展、次级弯曲裂纹和剪裂纹产生及跨中弯曲裂纹贯通的过程,试验结束时RC板整体表现出典型的弯曲破坏特征。     

Evaluation of Behaviour of Rockfall Restraining Nets by Full Scale Tests

Summary   Rock restraining net is a device engineered to stop large rockfalls. The system consists of a net vertically supported by steel posts with “energy dissipators” able to dissipate high kinetic energy by large displacements. These fences have been usually placed to protect against rockfalls in mountainous areas but few tests have been developed correctly to define the behaviour of these structures. In this paper full scale tests on passive defence against rock falls are presented. The tests have been carried out in a field test site especially designed and built. The test site has been provided of camera apparatus able to monitor the impact of the block against the fence. The impact energy and the consequent forces and displacements of the fence are studied. The tests have been carried out on many different fence types and have allowed the definition of a well-established design procedure.     

Rockfalls into forests: Analysis and simulation of rockfall trajectories — considerations with respect to mountainous forests in Switzerland

Rockfalls are a major threat to settlements and transportation routes in many places. Although the general protective effect of forests against rockfalls is currently not questioned, little is known about the ideal properties of a forest stand that provides good protection. Therefore, in this study the question was assessed of how mountainous forests may influence rockfalls of single boulders. An actual rockfall trajectory was measured, recorded, analysed and simulated with a rockfall model. Rockfalls into different forest scenarios were also modelled for the site. Results showed that the actual rockfall event can be well simulated. Furthermore, a completely forested slope reduces velocity and energy of the falling blocks much better than a sparsely forested slope. For the profile discussed in this paper, the largest effect upon falling 3 m³ blocks was obtained with a high forest containing 350 trees per ha. The results confirmed common assumptions on ideal properties of a protective forest stand against rockfalls.     

Full-Scale Dynamic Analysis of an Innovative Rockfall Fence Under Impact Using the Discrete Element Method: from the Local Scale to the Structure Scale

In order to protect infrastructures against rockfalls, civil-engineered mitigation measures are widely used. Flexible metallic fences are particularly well suited to stop the propagation of blocks of rock whose kinetic energy can reach 5000?kJ before impact. This paper focuses on the design of highly flexible rockfall fences under the new European guideline ETAG027. The experimental testing and the numerical modeling using the discrete element method (DEM) of a new metallic rockfall fence are presented. Several scales of study were considered; the mesh, the net and the entire structure. The calibration of the DEM models is described and a parametrical study is proposed. The latter aims to underline the type of information that can be obtained from numerical simulations of such a system to enhance its design.     

鄂西山区崩塌落石运动特征及危险性分析

以远安县瓦坡崩塌区为例,通过地质调查、野外测绘、无人机航拍,建立了瓦坡崩塌区三维模型,基于Rockfall Analyst（RA）分析软件,实现了瓦坡崩塌区大量崩塌落石三维空间下运动路径、高度、能量等要素模拟,探究了崩塌区落石的三维运动特征,开展了崩塌区落石危险性评估,为崩塌落石的防治提供科学参考。研究结果表明:崩塌区危岩主要破坏形式为倾倒式,目前处于欠稳定状态;模拟落石三维运动轨迹与已有落石点基本重合,说明此次模拟结果与实际情况较为吻合;落石运动过程中以碰撞弹跳、自由飞落为主,落石主要集中在崩塌区下部冲沟及公路内,部分落石达到居民区,在崩塌落石区下部公路、冲沟及崩塌区右侧危险性较高;崩塌落石防治工程建议采用危石孤石清除+被动防护网,在公路内侧、斜坡下方分别设置5 m高和3 m高抗冲击力2 000 kJ的被动防护网,可有效拦截落石。     

泥石流运动衰减动力学初步研究

我国公路泥石流病害严重，泥石流淤埋公路构建筑物是一类常见的公路泥石流病害类型。泥石流衰减动力学是防治泥石流淤埋病害的重要关键技术，也是泥石流运动学、动力学研究的核心问题之一。本文作者运用泥沙运动力学及流体力学原理，初步建立了泥石流固相颗粒和液相浆体的能量衰减条件，把泥石流衰减模式概化为两类，即能量抑制衰减和能量自由衰减；通过泥石流沉积模型试验，得到了不同粘度泥石流体的沉积扇变化形态，随着泥石流体粘度的增大，沉积扇边缘变陡、扩展范围变小、纵轴线长度减小等结论与实际情况吻合；初步建立了泥石流能量衰减速率计算方法。研究成果为防治公路泥石流病害奠定了基础。     

Full-scale Modelling of Falling Rock Protection Barriers

Full-scale impact tests, carried out to evaluate the behaviour of flexible falling rock protection barriers, are described and relevant results presented and discussed. Falling rock protection barriers, which may be numbered among passive measures against rockfall, are designed to intercept and stop falling rocks by dissipation of impact energies through the elasto-plastic deformation of a system made up of metallic nets and supporting and connecting components. The testing programme involved models of barriers subjected to the impact of free-falling blocks of kinetic energy ranging from 500 to 5,000 kJ. The experimental test site, set-up in Fonzaso (Italy), and the experimental procedure were developed according to the new European testing standards (ETAG 027) on falling rock protection kits. The paper is aimed at presenting an extensive and high quality database, which can be extremely useful for a better understanding of the actual response of such structures and for any subsequent analytical and numerical modelling.     

含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验研究

通过开展含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验,并利用高速摄像系统和声发射（acoustic emission,简称AE）系统监测岩爆过程,探究了不同产状裂隙岩石的破坏模式、强度变形和声发射演化特性,分析了裂隙产状与岩爆过程及弹射动能之间的关系,对比了含裂隙岩石岩爆发生机制与无裂隙完整岩石的差异。有关力学特性的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样破坏模式大体呈现由“内剪外劈”向“Z型斜剪”变化的趋势,裂隙对岩石强度的削弱作用不断增大。当裂隙倾角小于30°时,岩石峰值应力普遍仅为完整岩样的一半左右;小倾角裂隙的长度越大,岩样岩板劈裂现象变得显著,形成岩爆坑略微变大,且强度折减幅度越大,峰值轴向应变相应变小;裂隙位置向临空面靠近会加剧岩板的劈裂效应,塑性阶段普遍会产生较大变形并萌生大量裂纹,当裂隙已出露且切断临空面将不易形成岩爆坑。有关岩爆过程及弹射动能的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样弹射动能呈现先显著降低后小幅回升的变化规律,30°倾角为转变拐点;岩样内部裂隙距临空面越近,裂隙岩样的弹射动能越小;树脂填充裂隙使得岩样弹射动能极大提升,而水泥填充的则无明显提升。有关声发射特征的分析表...     

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中，加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率，两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此，探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制，可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件，基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代，设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb，进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大），该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下， 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时，每步加载中动能充分平衡，可以最低计算量取得准静态模拟结果； （2）单步加载应力增量越小（Nd越大），数值模拟试验精度越高；（3）当加载速率一定即计算量相同时，为保证更高的模拟试验 精度，应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。