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1.
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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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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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
4.
滚石冲击荷载下棚洞钢筋混凝土板动力响应研究 总被引：2，自引：0，他引：2
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。 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
6.
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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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。 相似文献
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《地质科技情报》2021,(4)
现有的落石运动轨迹研究均将斜坡视为半无限均匀的坡面,而实际的工况下,坡面由不均一材料组成。根据落石不同的运动模式,将坡面简化为多层岩土体材料的结构形式,在滚动阶段,基于Hertz接触理论得到落石在不同坡面条件下运动特征,并给出坡面分层条件下落石切向摩擦系数的计算公式,在碰撞阶段,基于能量守恒定理,采用准静态接触力学理论得到法向恢复系数公式,理论推导得到任意层厚岩土体材料坡面条件下落石法向和切向恢复系数的解析解,然后求解得到碰撞后落石运动参数,并根据碰撞后落石的速度及回弹量关系,给出碰撞后落石运动模式转换的判别条件,最后结合运动学定理,得到3种运动模式任意分层坡面条件落石的运动轨迹,将理论公式应用于某山区落石运动轨迹预测,验证了理论公式的适用性和有效性。 相似文献
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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。 相似文献
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棚洞是山区公路常见的崩塌落石灾害防治结构。本文通过增设夹心层和增设薄壁管二次消能装置对组合式棚洞结构进行了优化。通过对夹层结构等效并采用薄板理论,建立了棚洞优化结构的内力计算式。利用圆柱壳冲击动力学分析二次消能特性,将组合式棚洞优化结构在落石冲击作用下的动力响应分为四个阶段,建立了三个临界冲击速度的计算式。实例分析表明,棚洞优化结构横梁和纵梁的上、下侧最大弯矩比优化前分别降低了19.7%, 23.7%和10.2%。第一、第二、第三界限冲击速度分别为6.24 m/s、13.50 m/s、15.20 m/s。研究成果对组合式棚洞优化结构的构件预制有指导意义。 相似文献
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滚石冲击力测试研究 总被引：4，自引：0，他引：4
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。 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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The imperative need to protect structures in mountainous areas against rockfall has led to the development of various protection methods. This study introduces a new type of rockfall protection fence made of posts, wire ropes, wire netting and energy absorbers. The performance of this rock fence was verified in both experiments and dynamic finite element analysis. In collision tests, a reinforced-concrete block rolled down a natural slope and struck the rock fence at the end of the slope. A specialized system of measuring instruments was employed to accurately measure the acceleration of the block without cable connection. In particular, the performance of two energy absorbers, which contribute also to preventing wire ropes from breaking, was investigated to determine the best energy absorber. In numerical simulation, a commercial finite element code having explicit dynamic capabilities was employed to create models of the two full-scale tests. To facilitate simulation, certain simplifying assumptions for mechanical data of each individual component of the rock fence and geometrical data of the model were adopted. Good agreement between numerical simulation and experimental data validated the numerical simulation. Furthermore, the results of numerical simulation helped highlight limitations of the testing method. The results of numerical simulation thus provide a deeper understanding of the structural behavior of individual components of the rock fence during rockfall impact. More importantly, numerical simulations can be used not only as supplements to or substitutes for full-scale tests but also in parametric study and design. 相似文献
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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. 相似文献
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隧道仰坡落石冲击模型试验研究与机制探讨 总被引：1，自引：0，他引：1
以在建的成都－兰州（成兰）铁路某隧道出口仰坡为研究对象,研发了大型落石冲击边坡模型试验系统,该系统由模型试验台架、落石三维空间释放装置、高速摄影系统等组成,结构强度高并能满足试验过程的可视化需求。根据现场岩样实测物理力学参数,采用凡士林、硅油、水泥、细沙、重晶石粉、石膏以及滑石粉等原料,研制出现场千枚岩和砂岩的相似材料,并用于模拟边坡和落石。通过开展物理模型试验研究了近长方体落石初始滑移角度、形状、质量等3种因素对碰撞恢复系数这一落石运动轨迹模拟中关键参数的影响,同时在落石下落冲击的过程中,利用高速摄影仪和坐标卡尺记录落石完整的运动轨迹,后期通过视频处理软件分析落石与边坡碰撞前后的速度变化,根据公式计算出落石法向和切向的碰撞恢复系数。试验结果表明：随着初始滑移角度的增加,板状试件的法向、切向恢复系数分别呈减小和增大的趋势,且切向恢复系数变化更加明显;落石法向恢复系数随质量的增加呈明显减小的趋势,而切向恢复系数值变化不大;对于近长方体落石,立方体试件的法向和切向恢复系数大于厚板状试件,条形试件的两向恢复系数值受碰撞接触形态的影响,呈现两极化的趋势。最后,结合试验现象以及前人的研究成果对落石运动冲击机制进行了初步探讨。 相似文献
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In this study, the dynamic behavior of rock clusters falling on rough slopes and impacting a vertical barrier is investigated experimentally and numerically using discrete element analysis. A specially designed laboratory setup that involves a flume of adjustable slope lined with a bumpy surface and equipped with an instrumented wall at the toe is used in the experimental investigation. The velocity profiles and impact forces were measured for three inclination angles using two different rock clusters. Three-dimensional discrete element analysis is then conducted to investigate the mechanical behavior of the rockfall and examine the role of sphericity of the rock cluster on the overall behavior of the system. This was achieved by explicitly simulating the complex shapes of the used rocks and the rough surface of the slope. The material coefficient of friction was measured using heap tests, and the results are compared with those obtained numerically using four different particle sphericities. Conclusions are made regarding the effect of slope inclination angle and the volume of the cluster on the impact forces exerted on rigid barriers. This study suggests that rock sphericity plays important roles on the dynamic behavior of the system and should be taken into consideration in simulating rockfall problems. 相似文献