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基于弹塑性修正Hertz接触理论的落石冲击力计算方法 总被引：1，自引：0，他引：1
刘茂 《中国地质灾害与防治学报》2012,23(3):21-27
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ζ,拟合出参数影响系数ζ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。 相似文献
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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。 相似文献
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《地质灾害与环境保护》2020,(2)
落石冲击力影响因素研究对落石灾害防治意义重大。基于室外设计的落石冲击试验,开展不同重量落锤在不同冲击高度和不同缓冲层厚度下的冲击力研究。试验结果表明,落石最大冲击力与速度之间符合幂函数关系,而与落石重量呈线性相关,随缓冲层厚度增大,冲击力减小。考虑缓冲层效能效应,根据实测数据拟合得到了防护结构表面的有效冲击力计算方法。综合比较其他学者的研究成果,分析了各种模型之间的差异性,显示本文研究结果可用于崩塌落石灾害防治设计时参考。 相似文献
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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。 相似文献
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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。 相似文献
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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。 相似文献
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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。 相似文献
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含软弱层岩质边坡的动力响应研究 总被引：1，自引：0，他引：1
含软弱层岩质边坡的动力响应研究已成为边坡工程稳定性分析中的一个重要问题。为研究软弱层的特性对岩质边坡动力响应的影响,提供动力荷载作用下边坡防灾减灾的指导依据,运用UDEC离散元软件模拟地震力作用下含软弱层岩质边坡的动力响应系统地分析软弱层的倾角、埋深、弹性模量、厚度、泊松比和剪切刚度等因素对地震波放大现象的影响,得出边坡坡顶放大系数的变化规律,即随着软弱层倾角的增大,放大系数呈现出增大→减小→再增大→再减小,并出现地震响应减弱的现象;放大系数随软弱层埋深和厚度的增加而增大,但随弹性模量、剪切刚度的增大而减小,随泊松比的增加几乎不变。结合非重复性试验二元方差分析评价理论,对所得的放大系数进行计算分析,得出软弱层的特性因素对边坡放大作用的影响强度为软弱层的倾角＞埋深＞弹性模量＞剪切刚度＞厚度＞泊松比。研究结果有助于进一步揭示地震作用下边坡的失稳机制, 对震区边坡灾害的防治有一定的指导意义。 相似文献
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I型轨道-路基系统动力荷载放大系数模型试验研究 总被引：2，自引：0，他引：2
高速列车行车时产生的动力荷载大小受多种因素影响,以列车运行速度的影响尤为关键。由于车辆-轨道-路基结构的复杂性,要通过理论计算准确地确定行车速度对动力荷载的影响并不容易。目前足尺物理模型试验已成为高速铁路无砟轨道路基结构动力性能研究的重要手段。根据沪宁城际无砟轨道设计和施工标准,建成室内1: 1无砟轨道路基模型,通过单个轮轴的动态激振试验获得I型轨道板动应变幅值及路基动土压力幅值随加载频率的变化规律,在该基础上得到列车动荷载随行车速度的变化规律。结合德国铁路动力荷载放大系数的计算公式,提出确定高速铁路I型轨道结构动力荷载放大系数的方法,并分别获得轨道板与路基结构动力荷载放大系数随列车运行速度的变化规律,可为我国I型轨道-路基系统设计动力荷载的确定提供依据。 相似文献
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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。 相似文献
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爆炸对结构物的作用可以看成是冲击力和热的共同作用结果。基于Biot热弹性波动理论,利用饱和多孔介质热- 流-固耦合动力响应模型,研究了饱和软黏土中隧道结构内受指数衰减热/力冲击荷载作用下的动力响应。利用Flügge薄壳理论,得到隧道结构的运动方程。考虑土-结构接触面上的协调条件并利用热-流-固耦合动力响应模型的通解,得到了热/力冲击荷载作用下应力、位移和孔隙水压力响应在Laplace变换域中的解。利用Laplace数值逆变换技术得到数值计算结果,探讨了冲击荷载和热荷载作用下隧道结构刚度和厚度对应力、位移和孔隙水压力响应的影响。结果表明：在爆炸冲击荷载作用下,隧洞衬砌对周围土体起到很好的屏蔽作用,且衬砌刚度越大,其保护效果越好;衬砌与土体接触面上应力随衬砌刚度增大而减小,并且刚度越大应力衰减越快;衬砌刚度和厚度对热冲击的位移响应有明显影响,而对其温度响应的影响较小。 相似文献
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冲击荷载作用对土体力学特性影响较大,为了研究此特性,基于天津滨海结构性软黏土,以空心圆柱扭剪仪模拟冲击荷载作用,并在冲击荷载作用前后对土体进行不固结不排水三轴试验,对比研究不同试验条件下结构性软黏土力学特性。试验结果表明:低围压常规三轴剪切试验状态下,土体表现出弱应变软化现象,且土体抗剪强度包线不能用直线表示,而是可由两条直线近似拟合而成;冲击荷载作用时,在一定应力范围内,冲击荷载越大,土体轴向应变、孔隙压力以及主应力差峰值也越大;冲击荷载作用后三轴剪切试验各围压下土体都呈应变硬化型,主应力差峰值均大幅减小,且土体抗剪强度包线均可用直线表示,c、φ值也远小于未受冲击荷载时三轴剪切试验相应数值。最后,总结分析冲击荷载作用对软黏土强度的影响,并拟合得到强度折减与围压、冲击荷载的关系,为实际工程中承受冲击荷载的结构性软黏土强度确定提供参考。 相似文献
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棚洞是我国西部山区防治崩塌落石灾害的主要工程措施之一。棚洞顶板以上通常铺设由砂或碎石组成的土垫层。土垫层的作用是避免落石直接冲击棚洞,缓冲落石的冲击力。长期以来,关于土垫层厚度对缓冲效果影响的研究较少,因此,还未形成统一的理论用于指导土垫层厚度的设计。文章运用离散单元方法建立落石冲击土垫层的数值模型,探究垫层厚度和落石下落高度对土垫层缓冲落石冲击力特性的影响。研究结果表明：落石冲击力峰值与落石下落高度呈幂函数关系,顶板中心力峰值与下落高度呈线性正相关关系;随着垫层厚度的增加,落石冲击力峰值减小,当垫层厚度增加到落石直径的1.0倍之后,落石冲击力峰值与垫层厚度无关;随垫层厚度的增大,顶板中心力峰值与落石冲击力峰值的比值减小,垫层缓冲效果增大,当垫层厚度增加到落石直径1.5倍之后,垫层缓冲效果增加不明显;垫层厚度建议取值为落石直径的1.5倍。 相似文献
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离岸深水全直桩码头结构长期承受波浪力、撞击力等动荷载作用,仅从静力角度分析不能满足工程设计要求。为研究离岸深水全直桩码头结构动力简化计算方法,利用ABAQUS软件建立了全直桩码头的嵌固点模型和结构-地基相互作用的三维弹塑性有限元模型。基于所建立的有限元模型,采用模态分析法研究了上述码头结构的自振特性。分析表明,结构基本周期较长,与波浪力、撞击力荷载周期接近,结构动力响应突出。进一步计算发现,全直桩码头结构在波浪力、撞击力荷载作用下的动力响应有限元计算结果与采用单自由度系统位移动力放大系数理论公式计算结果吻合较好,由此提出全直桩码头结构动力响应可按单自由度系统位移动力放大系数理论公式进行简化计算。在此基础上,结合规范中的m法、p-y曲线法、NL法提出了上述码头结构动力简化计算方法,通过与动力有限元计算结果对比,验证了所建立简化计算方法的正确性。 相似文献
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采用有限元数值计算方法分析了地下浅埋结构的非线性动力响应,得到了结构在不同时刻的动态响应模拟计算数据。该地下浅埋结构由金属壳体和上覆土体共同组成,对于土体和金属壳体分别采用Drucker-Prager和Mohr-Coulomb屈服准则以及弹塑性本构关系,分析其非线性动态位移场和应力场。根据爆炸试验数据,研究了爆炸冲击波随距离和时间的变化过程,并且将其作为作用在结构内部的爆炸荷载。有限元数值模拟结果表明,采用非线性有限元模拟爆炸冲击荷载作用下地下浅埋结构的弹塑性动力响应是有效的,并且证明所设计的地下防护结构是安全的。 相似文献
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滚石冲击荷载下棚洞结构动力响应 总被引：5，自引：0，他引：5
钢筋混凝土棚洞结构是西部滚石灾害多发区最为有效的滚石防护结构,一般通过在棚洞顶部铺设一定厚度的砂砾石垫层来达到缓冲吸能的目的。在棚洞结构设计中,确定滚石冲击力大小是关键,而目前国内外尚无合理的计算公式,严重地影响了滚石棚洞结构工程应用。由于滚石冲击能量大,冲击时间短暂,涉及到结构大变形和复杂的能量转换关系,因而滚石冲击荷载下棚洞结构的动力响应研究难度较大。以实际滚石棚洞结构为原型,采用动力有限元对滚石冲击过程进行了数值仿真,研究滚石在不同冲击角度下棚洞结构的动力力学响应,为滚石防护工程设计提供理论基础。 相似文献
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随着城市建设的迅速发展,既有高填明洞填土顶面将不可避免地出现新增结构物等二期荷载的情况。为了明确明洞回填完成后新增二期荷载对其顶部垂直土压力的影响,在已有明洞减载结构土压力计算公式的基础上,利用土体沉降弹性理论计算公式建立了土工格栅变形与土体沉降变形的关系,并考虑二期荷载作用,进一步完善了高填明洞减载前后的洞顶垂直土压力计算公式。建立数值分析模型,将数值分析结果与文中公式计算结果进行了对比。结果表明：公式计算与数值分析结果较为接近,表现出相同的规律性;有无减载措施对明洞回填土压力影响较大,填土越高,减载越显著,实际作用在明洞顶土压力越小。新增二期荷载作用下的明洞顶垂直土压力计算,应考虑其对土体沉降变形的影响,而非简单叠加。 相似文献
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冲击荷载下土体位移特征研究 总被引：10，自引：0，他引：10
建立了冲击荷载作用下土体动力压密有限元方程及其数值计算方法。用Ansys-Ls-dyna软件包对山西化肥厂地基冲击荷载作用后土体的动力响应进行了分析,得出了冲击荷载作用下分层土体中的位移分布特征及其它们的变化过程,计算结果与实测结果吻合较好。研究结果表明：冲击荷载作用下土体位移的影响范围为一椭球体。侧向加固半径距荷载作用中心接近2D(D为夯锤直径),荷载作用中心下加固深度能达到2D甚至更大。 相似文献
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《岩土力学》2016,(1):133-139
基于相似性理论,设计并完成了2个含不同厚度水平软弱夹层的岩质斜坡。试验模型高度、长度、宽度分别为1.80、1.65、1.50 m,坡角约60°,软弱夹层厚分别为3、15 cm。输入不同类型、激励方向、频率和振幅的地震波,利用大型振动台试验中传感器记录的数据和正交试验,研究了斜坡的加速度响应特征及其影响因素。试验结果表明:斜坡动力加速度放大系数分布存在明显的坡内高程效应和坡面的非线性趋表效应。斜坡水平向坡面放大系数随斜坡高程增加呈波动性增大,薄夹层斜坡中、上部表现更为明显。竖直向坡面放大系数因软弱夹层厚度而异,薄夹层斜坡局部减小后增大,最大放大值出现在坡肩位置,而厚夹层斜坡最大放大值出现在软弱夹层底部。同等强度地震力激励下,坡内竖直向放大系数不及水平向,约为0.75倍。坡面上,水平和竖直向放大系数的相对大小与高程有关。软弱夹层以下,竖向放大系数大于水平向,夹层以上则相反。软弱夹层对斜坡动力响应的影响也因激励方向不同而有所区别,对水平向动力响应有一定的放大作用,而对竖直向动力响应则是吸收减弱。斜坡动力响应所选因素的影响大小顺序依次为斜坡高程、坡体位置、软弱夹层厚度、激励振幅、加载波形、激励方向,其中斜坡高程、坡体位置以及软弱夹层厚度对斜坡动力响应具有显著性影响。 相似文献
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为研究充气锚杆极限承载力计算方法,在模型试验基础上,探讨充气锚杆抗拔过程中的受力特征与破坏形式,分析锚杆荷载-位移曲线变化特征。基于圆孔扩张理论,通过简化力学模型,推导充气锚杆侧阻力与端阻力计算公式,将理论公式计算值与试验成果进行比较。研究结果表明：(1) 采用球孔扩张理论可以较好地描述膨胀体端部对土体产生的弹性、塑性变形力学机制,估算端阻力值。充气膨胀压力对土体的挤压膨胀作用大大增加了锚杆的侧阻力。(2) 极限承载力理论公式计算值与抗拔试验值基本吻合,验证了极限承载理论计算公式的正确性。(3) 通过与螺旋锚杆相比,充气锚杆的承载力约为单锚片螺旋锚杆的4.3倍,约为双锚片螺旋锚杆的1.9倍,充气锚杆的承载能力优势明显。 相似文献