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。     

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。     

落石冲击荷载下框架门式棚洞结构优化探讨

采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立框架门式棚洞的两种仿真模型,模拟棚洞结构在落石冲击作用下的动力响应过程,分析冲击力在棚洞结构中的传递和扩散情况,提出通过控制冲击力扩散过程的方式对结构优化。对比结构优化前后在冲击力作用下的应力和变形情况,发现通过改变结构顶板倾角能在一定程度上减小冲击作用引起的最大等效应力,降低棚洞顶板变形,提高棚洞的抗冲击性能,且门式直柱式棚洞的结构优化效果尤为明显。     

落石冲击下预应力加筋土路堤变形及荷载传递机制

针对偏远山区素填土公路在落石冲击下易产生大面积凹陷破坏的问题,提出运用预应力加筋土路堤解决的方法。为了探究预应力加筋土路堤在落石冲击下的变形性能、力学响应规律和荷载传递机制,设计并实施了落石冲击作用下预应力加筋土路堤和素填土路堤对比模型试验。试验发现：预应力加筋土路堤中形成的凹坑尺寸明显小于素填土路堤,体现了预应力加筋土路堤良好的抗冲击变形性能;随着冲击次数的增加,路堤刚度逐渐增加,导致路堤内部冲击附加应力时程曲线逐渐由“抛物线型单峰”转变为“双峰”分布,且预应力加筋土路堤工况中“双峰”的出现早于素填土路堤;落石在预应力加筋土路堤中的冲击力持续作用时间小于其在素填土路堤中的持续作用时间,且分布更趋均匀,更有利于冲击荷载的扩散;随着冲击次数的增加,预应力加筋土路堤内部冲击力传递率呈先增加后减小的变化趋势,与筋材变形规律一致。结合Levenberg-Marquardt优化算法得到了关于凹坑尺寸和冲击次数的预测方法,可为预应力加筋土路堤在崩塌灾害多发地区的工程应用提供借鉴,为工程预警提供参考。     

落石冲击力计算方法的比较研究

落石冲击力计算依赖于一些半经验半理论的算法,但这些算法的适宜性、合理性一直未能得到充分讨论和厘清。本文选择国内外代表性的5种冲击力算法,在设定落石尺寸、自由落高和缓冲土层厚度下进行冲击力计算结果的系统对比分析,发现国内有关规范推荐的落石冲击力算法实际计算的是落石冲击过程平均冲击力,而并非最大冲击力,从而导致工程应用中冲击力计算结果严重偏小,应是落石冲击力作用下结构开裂和失效的原因。相应地,以日本道路公团算法为代表的基于落石现场冲击实测冲击力拟合得到的经验算法比较符合实际,建议引入使用,但其不足在于不能反映冲击角度、缓冲土层厚度等对冲击力的影响,要圆满解决落石冲击力计算问题需要在以上各方面进一步努力。     

空隙率对潜孔锤凿岩瞬态冲击过程的影响

潜孔锤的钻进过程是一个高度非线性、大变形、破碎岩石的过程,利用非线性有限元程序ANSYS/LS-DY-NA研究了在凿岩过程中,球齿凿入不同空隙率（塑性体积应变）岩石的冲击力特性。结果表明,岩石空隙率对钻头球齿与岩石之间的凿入冲击力幅值有很大影响,随着空隙率的增大,球齿凿入的冲击力显著减小,而对活塞与钻头间冲击力幅值影响甚微。通过ANSYS/LS-DYNA瞬态冲击数值模拟,形象地再现了潜孔锤钻凿系统冲击岩石发生侵入破坏的物理过程,为冲击碎岩瞬态研究提供了一个有效的分析方法。     

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。     

落石冲击被动防护系统能量衰减规律分析

介绍了被动防护系统的基本原理,建立了RXI-050型被动防护系统的有限元模型,采用LS-DYNA软件分析了不同直径、不同初始动能的落石冲击被动防护系统时落石能量衰减规律。分析结果表明:落石冲击被动防护系统反弹时,在初始动能相同时,落石能量随直径增加衰减时间变长;当落石穿透被动防护系统时,在落石尺寸相同时,随着初始动能增加,落石能量衰减值减少,衰减时间变短。该结论可以为被动防护系统改进提供一定的参考,也可为落石防护设计提供依据。     

基于弹塑性修正Hertz接触理论的落石冲击力计算方法

本文以弹塑性修正的Hertz接触理论为基础,考虑落石冲击缓冲层过程的复杂性和缓冲层厚度的影响,结合路基规范方法的落石冲击深度公式,得出落石最大冲击力计算方法。以日本道路公团方法计算结果上浮40%为基准值,引入参数影响系数f,拟合出参数影响系数‘多项式函数,采用S.Kawahara等教授的试验结果,对杨其新方法进行修正,拟合出其高值(h=0.5m)与低值(h=3.0m)比值的多项式函数。本文方法与陈氏方法进行比较得知:陈氏方法的最大冲击力低值稍高于本文方法,其范围为1.05~1.02(H=5~30m)。运用布西涅斯克解,推导出了落石冲击荷载作用于拦石墙背部的附加应力计算公式,为拦石墙构筑物的结构设计打下了理论基础。     

明棚洞落石冲击荷载计算方法研究

根据落石冲击回填土明棚洞过程中的基本力学和运动学规律,采用Laplace变换,从落石冲击半无限土体、落石冲击有限厚度土体、考虑回填土与下部结构相互作用3个方面推导了落石冲击荷载的理论计算公式,通过数值模拟和相关试验数据对理论公式进行了验证,并与目前常见落石冲击荷载计算公式进行了对比研究。研究表明：所提出的公式理论计算结果与数值模拟结果和相关试验结果均有较稳定的规律,理论计算值比数值模拟值大6%～41%,与Pichler现场试验的95%分位值差值仅在6%以内;尽管所提出的公式计算值比目前所有公式计算结果均偏大,但与数值模拟和试验数据更吻合,更能反映出真实的落石冲击荷载;所提出的计算公式可以反映缓冲层厚度和缓冲层性质的影响,缓冲层厚度越小,落石冲击荷载越大,缓冲层厚度影响系数可根据h/r查表确定;缓冲层和结构的动力相互作用导致结构承受冲击荷载相较缓冲层顶部冲击荷载增大,结构动力放大系数与缓冲层厚度相关,缓冲层厚度越大,结构动力放大系数越小。所提出的计算公式可以反映落石大小、落石形状、落石冲击能量、缓冲层厚度、缓冲层性质等因素对冲击荷载的影响,计算荷载值可直接用于明棚洞结构设计。     

滚石冲击力测试研究

以国内外代表性滚石冲击力计算方法为基础,针对冲击力的影响因素,设计了一套滚石冲击力测试装置。通过试验设计,选取不同的滚石质量、冲击速度、入射角度、缓冲材料性质及厚度等影响因素,获得冲击力变化规律。结果表明：最大冲击力随滚石重量的减小或冲击速度的降低而逐渐减小,2 cm厚度缓冲层比直接冲击时减小了90%左右,缓冲效果明显。同时最大冲击力随着入射角度的变小而降低,但入射角度越小,冲击力值降低的幅度越小。结合冲击试验结果,通过冲击力计算方法对比分析,建立了可用于各影响因素的最大冲击力计算方法,验算表明误差很小。研究结果可为滚石灾害的防治设计提供参考依据。     

柱状岩体崩塌动力特征与破碎规律

柱状岩体崩塌具有分布范围广、破坏能力强、影响范围大的特点。2004年8月12号,重庆甑子岩W12危岩体发生崩塌,崩塌体运动距离约600 m,形成显著超前空气冲击效应,激起浮尘高度约150 m。文章基于MatDEM离散元软件对甑子岩崩塌动力特征与破碎规律进行了研究,建立了按照实际节理分布的崩塌模型,实现了崩塌全过程的模拟,并结合影像资料验证了模型的有效性,在此基础上对MatDEM进行二次开发,统计分析了崩塌过程中岩块粒径演化规律,确定了崩塌过程中的四个显著颗粒破碎时刻,分别为崩塌源区底部岩体受压破碎、中上部岩体撞击低速三角区、中部岩体撞击斜坡地面与上部岩体撞击斜坡地面。引入分形维数与双参数Weibull分布模型分析了崩塌前后颗粒破碎规律,结果显示崩塌后颗粒破碎明显,细粒颗粒占比显著增加。文章为岩体崩塌的动力特征与破碎规律的研究提供了依据。     

冻结井钢筋混凝土弧形板井壁力学特性研究

通过实验和有限元计算,对在均匀荷载作用下新型冻结井高强钢筋混凝土弧形板井壁的变形特性、混凝土和钢筋应力的分布规律、极限承载力及其压碎区的位置进行了分析。研究结果表明,弧形构件的径向变形较小,可通过选择合适的可缩接头材料使该井壁结构起到“先柔后刚”的作用;弧形构件的内排钢筋总是比外排钢筋先屈服,并且钢筋发生屈服时对应荷载值一般为该构件极限承载力的60 %左右;构件的极限承载力随混凝土单轴抗压强度的增大而增大,混凝土的强度等级提高10 MPa,其极限承载力提高1.26 MPa;弧形构件的压碎区位于其端部附近,因此,在设计该种井壁结构时弧形构件的两端应该加强,可在弧形构件的两端采用钢纤维混凝土以提高整体结构的承载能力。     

滚石冲击荷载下棚洞钢筋混凝土板动力响应研究

我国西部地区地势复杂,高山峡谷众多,特殊的地质地貌发育了大量滚石山地灾害,严重威胁山区人民的安全。一般认为,采用棚洞结构进行滚石灾害防治是最为有效的工程措施,然而,滚石对棚洞的冲击是一个复杂的动力过程,尤其表现在滚石与棚洞顶板的瞬态接触过程中。而目前国内外对此缺乏合理的计算方法,严重制约滚石棚洞结构的工程应用。为此,结合Olsson为求解正交各向异性复合板冲击问题所提出的动力控制方程,针对目前接触准则给出的接触定律与实际往往不符所带来的缺陷,通过引入数值压痕试验手段,提出了一种滚石冲击钢筋混凝土（RC）板动力响应问题的理论方法。结合算例,将该方法与Herzt理论解、动力有限元解进行了比较,结果表明：Herzt弹性理论解未考虑结构塑性变形影响,导致滚石冲击力偏大;而该方法得到的理论解与动力有限元计算结果较为接近。该方法不仅可用于滚石冲击荷载下棚洞RC板动力响应分析,同时为压痕试验在土木工程中的应用提供了一种有效的数值分析方法。     

地震作用下康定市郭达山危岩带运动特征

康定地区多为深切河谷地貌,山坡陡峻,基岩裸露,崩塌落石多发,地震频发。为开展地震作用下崩塌运动特征和规律研究,以康定市郭达山危岩带为研究对象,采用颗粒流离散元软件(particle flow code in 2 dimension,PFC2D)模拟危岩带不同部位崩塌源(坡顶孤石、坡体上部碎裂岩体、坡体中部老崩塌堆积体、坡体下部块状危岩)在面波震级(surface ware magnitude,Ms) 8.0地震作用下的运动特征和破坏过程。研究结果表明: ①坡顶孤石质量越小越易启动,孤石越接近球形越易发生倾覆和滚动,沿临空面飞出后运动类型以坠落、碰撞、滚动为主,坡顶孤石的运动速率最大时达11.8 m/s; ②坡体上部碎裂岩体破坏过程可分为裂隙延伸贯通—启动坠落—碰撞解体—滚动堆积4个阶段,位于碎裂岩体上部的块石运动距离最远,达269 m; ③老崩塌堆积体块石自前向后形成碎屑流,沿坡面运动类型以滚动、碰撞为主; ④下部块状危岩运动特征为启动—滑动—挤压—解体—再滑动—再挤压—堆积; ⑤不同部位的崩塌在运动过程中块石会发生碰撞、摩擦、挤压、解体,快速消耗自身动能,导致运动距离和速率骤降。采用离散元模拟能够更全面更精细化的认识深切河谷区的崩塌,可为崩塌灾害的工程治理和山区城镇的防灾减灾提供科学依据。     

崩塌滑坡地质灾害治理方法的研究进展

论文对崩塌、滑坡等地质灾害的防治处理进行归纳总结，并依据灾害的类型、性质、成因、规模大小、滑体特点提出了不同的治理方法。包括：绕避、加载反压、清方减重、防崩滑挡土墙、抗滑明洞、排水工程、抗滑桩、锚杆加固等。根据工程特点，需要在地质勘探和稳定性分析后对治理方案进行优化。