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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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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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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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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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为保护高速公路傍山路段的边坡和自然环境,将棚洞按三心圆拱加拱形顶板的斜柱支撑体系建设。根据棚洞的不同埋深,分别采取明挖、护拱和暗挖等开挖方式,避免由于大开挖引起的边坡或山体不稳定而产生的落石、滑坡、滑塌等灾害发生。对棚洞最不利位置的平面应变弹性数值模拟分析表明：在季冻区的气候条件下将棚洞按三心圆拱加拱形顶板的斜柱支撑体系建设是合理的,其主拉应力为1.440 MPa,主压应力为3.240 MPa,合位移为2.1 mm,在安全上满足JTG D70-2004公路隧道设计规范要求。采用适合季冻区的三心圆拱斜柱式棚洞结构型式和防、排水措施,为季冻区傍山公路建设提供防灾环保型建设理念的经验。 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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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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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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深埋隧道软硬交替复合顶板岩体变形破坏分析 总被引：7，自引：0，他引：7
为了解隧道开挖后顶板岩层活动范围及其对隧道支护体的影响,对埋深为700 m的隧道多层状顶板岩体,采用两种方式对其顶板围岩破坏形式进行了数值模拟研究和理论分析。一种方式是将顶板112 m至地表的588 m范围内的岩层视为均布荷载,模拟计算隧道顶板112 m范围内岩层的应力、位移及塑性区范围;另一种对隧道至地表岩层进行全断面模拟。模拟计算分析表明,对于隧道顶板112 m范围内相应位置的压应力 、竖向位移 及剪应力 ,两种方式计算结果基本相同,说明在距隧道中心一定高度处的岩层出现离层现象;复合顶板中的两层及两层以上的硬岩层与其间的软岩层构成了若干个组合板结构,隧道支护体所受的载荷主要来源于第一个组合板以下的岩体,并将第一个组合板以下的高度定义为支护体关键荷载圈。由数值模拟分析和理论计算所得到的隧道支护体关键荷载圈高度均在75 m左右,相对误差不超过5 %。 相似文献
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由坡度和挡墙倾角的改变造成碎屑流冲击力学模型的改变是目前被忽略的问题。在碎屑流冲击倾式拦挡墙物理试验的基础上,利用离散元数值计算方法研究了坡度对碎屑流冲击立式拦挡墙（墙面与地面的夹角为90°）力学特征的影响,依据死区颗粒堆积特征,流动层颗粒冲击特征以及二者的相互作用特征提出了两种新力学模型：由倾斜冲击挡墙向坡面堆积转变的力学模型和考虑流动层对死区冲切摩擦作用的水平直接冲击力学模型。对不同冲击力学模型进行了验证分析,结果表明：坡度和挡墙倾角改变了死区的堆积特征从而改变了流动层的冲击方向和冲击力大小。当坡度小于40°时,碎屑流流动层首先沿死区上覆面倾斜冲击挡墙,在最大冲击力作用时刻,流动在坡面层状堆积,最大法向冲击合力可按静土压力公式估算。随着坡度的增大,在最大冲击力时刻,流动层颗粒直接冲击挡墙,但由于死区颗粒对流动层颗粒具有摩擦缓冲减速作用,大幅降低了流动层对挡墙的直接冲击力。此时死区对挡墙的作用力主要包括3个部分：流动层沿坡面冲击死区,由死区传递至挡墙的冲击力、流动层对死区的冲切摩擦力以及死区自重的静土压力。死区对挡墙作用力占最大法向冲击合力的比例增大至90%左右。当坡度由40°增大到50°时,在最大法向冲击合力作用时刻,流动层对死区的冲切摩擦力占最大冲击力的比例由15%增大到49%,流动层与死区之间的摩擦系数由滚动摩擦系数转变为静摩擦系数。提出的流动层对死区的冲切摩擦力为碎屑流冲击刚性挡墙力学计算模型提供了新的研究思路。 相似文献
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特高位远程危岩崩塌具有突发性强、速度快、势能大、摧毁力强、冲击性大、影响范围广等特征. 滇东北地区镇雄县5处危岩位于乌峰山南缘斜坡地带, 地层近水平, 崩塌区地形坡度达70°以上. 崩塌区和危岩区基岩裸露面积为0.07 km2, 坡脚与坡顶高差达222 m, 危岩体平均高差159 m, 落石水平最大位移216 m, 属典型特高位远程危岩群. 采用定性和定量方法, 结合内外部条件, 综合分析危岩的10项基本影响因子, 评价其稳定性. 5处危岩在不同工况下稳定性差, 破坏模式为倾倒式, 高速远程动力崩塌易产生碎屑流, 呈散态扇形高速冲击流动, 裸露区面积大, 生态环境脆弱, 亟待治理. 相似文献
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为了解决竖井冻土开挖难度大、人工挖掘效率低的问题,研究发明了一种新型重力式竖井掘进机,该掘进机利用截齿连续滚动向下、行走式掘进冻土,在竖井冻土掘进中具有较好的适应性,而截齿侵入深度是影响掘进冻土效率的重要因素。先采用三维软件建模,通过霍普金森压杆冲击试验,结合HJC压缩损伤模型原始参数,优化得到冻土本构模型参数;再利用有限元分析软件耦合,模拟截齿在不同侵入深度下滚动掘进冻土,得到冻土在不同凹陷破坏深度下的截齿三向力、冻土应力和应变的变化规律,便于直观研究截齿掘进冻土过程,寻求最优截齿侵入深度。仿真结果表明：随着截齿侵入深度增加,截齿三向力变大,冻土凹陷面积扩大,冻土应力向下无边界扩展递减;冻土与截齿接触区域应力、应变最大,远离截齿作用时冻土区域的应力、应变逐渐递减,其变化规律与截齿连续滚动掘进冻土特征相关;当冻土单轴抗压强度为9 MPa时,截齿滚动掘进冻土过程存在最优截齿侵入深度,为4 cm,此时冻土破坏特征明显,截齿滚动掘进冻土效率最高且能耗低。 相似文献
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接触变质带中冷凝收缩缝裂缝参数定量研究 总被引：1，自引：0，他引：1
模拟岩浆侵入时期的温度场及应力场获取围岩中温度及应力的分布,综合应用应变能及表面能理论,建立热应力与冷凝收缩缝参数之间的定量关系,对裂缝参数作出定量预测,进而总结变质带中冷凝收缩缝的发育规律。对GY凹陷北斜坡接触变质带研究发现：变质带厚度随侵入岩厚度增大而增大,侵入岩厚度小于20 m时无变质带;热应力随着距离侵入岩距离的增大而减小。冷凝收缩缝主要靠近侵入岩体分布,裂缝线密度最大值约为13条/m;远离侵入岩体裂缝线密度迅速变小,至变质带外边缘,裂缝线密度降为3～6条/m。整体上,上变质带孔渗性能稍好于下变质带孔渗性能。冷凝收缩缝孔隙度最大值位于侵入岩厚度最大部位;短轴方向裂缝渗透率与铅直方向渗透率分布相似,两者值均大于长轴方向渗透率。岩心统计资料验证了模拟计算结果的可靠性。 相似文献
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强震触发崩塌滚石冲击耗能损伤是防护工程设计的重要指标。为探索冲击过程中滚石耗能损伤演化过程,采用热力学定律分析了冲击过程中能量的传递与耗散,通过定义冲击耗能损伤因子D、Dmax,建立了滚石冲击耗能损伤理论模型与适用模型。结合工程实例,反算极限冲击力对模型进行论证与分析,提出模型的推广应用。结果表明:滚石冲击耗能损伤过程满足热力学第一定律,能量主要贡献于防护工程弹塑性势能的积聚,Dmax受滚石质量、弹性模量、抛射初速度、最大冲击力、有效作用面积等的影响;最大冲击力持续增加,极限冲击耗能损伤因子增大,达到线性函数与抛物线函数图像交点C（1031 kN,0.9965）时曲线出现拐点。模型推广得到广义范围下的冲击耗能损伤演化函数曲线,冲击耗能损伤全过程在损伤响应、损伤线性、损伤渐进三个阶段的临界位置出现2次损伤拐点;随滚石质量增加,最大冲击力增大,极限冲击耗能损伤因子曲线先呈抛物线减小,再呈线性增加,最后呈抛物线逐渐增加直到无限趋近于1。从能量角度定量分析其损伤本质,对探究滚石运动过程能量耗散机制及防护工程的设计具有重要意义。 相似文献