碎石垫层对碎屑流冲击棚洞的缓冲效应研究

棚洞常用于保护山区道路免受山体滑坡或崩塌而形成的碎屑流的冲击破坏,为了进一步明确缓冲垫层对棚洞的防护作用,通过室内模型实验研究碎屑流对棚洞的冲击机制以及利用碎石作为缓冲垫层的缓冲效应。实验中记录的高速影像显示碎屑流冲击过程中碎石缓冲垫层有明显的变形,测力元件测得冲击力沿法向和切向在棚洞上的分布。实验结果揭示在没有碎石垫层的情况下,棚洞上的最大法向力和切向力分量作用在受冲击侧的拱脚位置,增加碎石垫层后,最大冲击力的值变小,并且最大法向力和切向力分量从受冲击侧的拱脚偏移30°~45°,这表明缓冲层不仅能减小冲击力的大小,还能改变其分布模式。以冲击力作为输入对棚洞运用力法分析其结构内力,发现碎石垫层可以有效减少结构最大弯矩和最大剪力并增加最大轴力,增加了结构的安全性。同时根据冲击过程中能量的变化,发现颗粒粒径较细的碎石垫层耗散冲击能量的效果更好。实验结果充分表明,碎石垫层在碎屑流冲击棚洞时发挥了显著的缓冲和耗能作用。     

碎屑流冲击柔性网的离散元仿真研究

柔性网和碎屑流相互作用包括碎屑流散体运动冲击和柔性网连续大变形两个复杂的力学过程。由于目前柔性网和碎屑流相互作用的力学理论计算方法尚不成熟,为此提出一种利用Hertz–Mindlin黏结接触模型模拟柔性结构,利用无滑移的Hertz–Mindlin模型模拟碎屑流的离散元仿真方法。选择有横向支撑锚索的沟道碎屑流防护结构进行模拟计算,并定义碎屑流动能变化率Wk和碎屑流死区质量与碎屑流总质量之比Fm来对比碎屑流冲击柔性网和刚性挡墙的动态响应过程。结果表明:与冲击刚性挡墙不同的是,碎屑流冲击柔性网时冲击荷载首先沿坡面方向冲击,使承力锚索在水平方向和竖直方向均产生较大的变形。随后冲击荷载作用方向逐渐转变为以水平冲击为主,使堆积区上部锚索的水平偏移值和碎屑流在水平向的堆积范围增大。利用经验公式求得的作用于刚性挡墙的最大法向冲击合力与数值计算结果较为一致,而利用经验公式求得的作用于柔性网的最大法向冲击合力比数值计算结果大45%以上,因此利用经验公式计算碎屑流作用于柔性网的最大法向冲击力时,需要重新确定动土压力系数CD和弗洛德数Fr之间的关系。     

滑坡冲击铲刮效应物理模型试验及机制探讨

 滑坡–碎屑流在高速运动过程中对基底物质存在明显的冲击铲刮作用,从而造成滑坡体积不断增大,扩大其致灾影响范围。通过开展物理模型试验研究滑坡物质的颗粒粒径和体积以及基底物质的粒径和堆积厚度对铲刮效应的影响,同时采用MotionPro-Y3–S1高速摄像机观察冲击铲刮过程。试验结果表明：滑坡物质在运动过程中强烈地冲击铲刮基底物质,使其高速飞溅及剪切运动;铲刮距离随滑坡物质体积、粒径以及基底物质颗粒粒径的增大和可侵蚀基底厚度的减小而增大。结合试验现象以及前人的研究成果对滑坡冲击铲刮机制进行探讨：滑坡–碎屑流的冲击铲刮作用在前缘主要表现为冲切破坏,它以撞击力的形式使基底物质发生破坏而铲刮,而在中后部主要表现为运动剪切作用,以剪切力的形式使基底物质发生剪切破坏而被铲刮。     

碎屑流冲击下柔性防护网的力学简化模型

柔性防护网是一种广泛应用于碎屑流防治的防护结构,目前缺乏综合考虑碎屑流冲击荷载组成特征及支撑绳受力特征的力学模型对其防护特性进行评估。基于碎屑流冲击拦挡结构的2种冲击模式,并考虑动、静及摩擦冲击荷载的组成,构建碎屑流的冲击荷载计算模型,并在考虑碎屑流不同冲击阶段和冲击模式的基础上,结合索结构力学,建立考虑碎屑流荷载组成和支撑绳受力特征的柔性防护网力学简化模型。对比碎屑流冲击柔性网的室内滑槽模型试验结果发现,底部支撑绳冲击荷载计算结果比试验值偏大,坡面堆积工况下的冲击荷载和柔性网受力计算结果基本符合试验结果,而连续冲击工况的计算结果大于试验结果。总体上,力学理论模型可以有效地描述其余支撑绳上所受荷载的非线性分布特征,且计算结果偏保守。     

运动场地地形条件对碎屑流动力特征的影响研究

碎屑流的运动距离和对结构的冲击作用力是评判致灾范围和破坏强度的重要指标,碎屑流运动地形条件是影响碎屑流的运动距离和冲击作用力的重要影响因素。根据山区建筑集聚分布的凹面型、坡脚型和阶梯型3类地形,结合室内模型试验和数值模拟,从能量演化的角度分析了运动场地地形条件对碎屑流运动、堆积距离和结构物受冲击作用的影响。结果表明:凹面型地形条件下,碎屑流的动能转化率更高,具有更远的运动距离,致灾范围更大,但对坡脚处的挡墙冲击作用力更小;阶梯型坡面地形条件下,碎屑流的动能转化率最低,碰撞耗能和摩擦耗能最大,运动距离更近,但对坡脚处的挡墙冲击作用力更大。碎屑流启动条件相同的情况下,随着挡墙距坡脚的距离的增加,阶梯型地形条件的挡墙所受峰值冲击力衰减程度最快;凹面型地形条件的峰值冲击力衰减程度最慢。研究结果可为滑坡、碎屑流等的防灾减灾风险评价和设计提供参考。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)高位远程滑坡动力侵蚀犁切计算模型研究;(2)真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究;(3)损伤与破裂岩样力学特性试验研究;(4)岩石梯度应力加载试验装置研制及初步试验研究;(5)拉林铁路变坡面倾角崩塌落石对桥梁结构破坏作用的模拟分析与试验研究;(6)基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法;     

粗粒土颗粒接触力学特性及细观接触模型研究

将石灰岩粗粒土颗粒之间的接触形式简化为点–面接触,通过颗粒接触试验研究粗粒土的粒间法向、切向接触力学特性,并归纳出粗颗粒细观接触模型的具体形式。利用该细观模型,对粗粒土大型直剪试验进行离散元(PFC)数值模拟,通过数值计算结果与试验实测数据进行对比,验证粒间接触模型及细观参数的适用性。最后,对粗粒土颗粒接触特性及其接触模型的进一步深入研究进行分析和讨论。研究结果显示,实测的粒间接触力与接触位移关系曲线可以利用指数小于1的幂函数进行拟合;同时,为了对切向接触刚度进行统一的衡量,定义切向位移为5 mm时的切向力为切向接触强度(切向力有峰值时取峰值切向力)。对比大直剪试验的实测与计算结果发现,粒径较大(2~5,1~2 cm)时计算误差非常小;但对于含有更细小颗粒的级配试样,计算误差偏高。在细观尺度内,颗粒粒径在何种范围内会表现出与大颗粒不同的接触性质,有待借助更精细设备进一步探究。     

海底滑坡对管线冲击力的数值分析

输送原油和天然气的海底管线常处于复杂的海洋地质环境,在海底滑坡的冲击下可能发生失稳破坏。以往研究成果多集中讨论海底滑坡对悬跨管线的冲击力,但对置于海床表面的管线受不同角度海底滑坡的冲击作用讨论较少,也未深入讨论悬跨高度对管线受海底滑坡冲击力的影响。基于Herschel–Bulkley模型,采用计算流体动力学CFD法模拟了不同冲击角度下海底滑坡对置于海床表面管线的作用力,对比已有模型试验成果提出了管线纵向和轴向阻力系数的计算公式。按照土力学方法对CFD数值计算结果重新整理,指出土力学和流体力学方法在计算管线受海底滑坡冲击力方面的实质对应关系,并给出管线破坏包络线的解析表达式。随后讨论了悬跨高度对管线受力的影响,最后提出了综合考虑冲击角度和悬跨高度影响的海底滑坡对管线作用力的计算公式。研究成果对海底路由选址和海底管线设计具有一定的应用价值。     

考虑混凝土板整体变形的落石冲击力计算方法研究

崩塌落石和泥石流在我国特别是西部山区时有发生,严重威胁公共交通和人民生命财产安全。目前,研究落石冲击力的文献较多,但针对落石撞击桥面板一类构件的冲击力计算方法却鲜有研究。通过对国内外现有落石和泥石流大石块冲击力计算方法进行整理,在此基础上推导出了考虑混凝土板整体变形的冲击力计算方法。结合算例得出,靶板穿透之前使用该计算方法的理论结果与试验结果和数值模拟结果比较接近,偏差值均可控制在30%以内,表明该计算方法合理,对山区设防装置的冲击力设计取值有一定参考价值。     

RB模式下挡墙的地震非极限主动土压力分析

基于拟动力法和水平层分析法,以地震荷载下的刚性挡土墙为研究对象,依据已有试验研究结论,考虑挡墙位移对摩擦角发挥值的影响,推导得出RB模式下地震非极限主动土压力和合力作用点的计算表达式。计算模型根据墙顶最大位移的不同分成2种非极限状态工况,并建立挡墙位移,地震动荷载和土压力之间的相互联系。讨论墙顶位移对地震侧土压力的分布、摩擦角发挥程度、土压力合力作用点的影响。结果表明,水平或竖向地震作用以及挡墙非极限的位移状态都能使主动土压力的合力作用点升高。相比于传统的极限状态地震土压力理论,所提方法更合理地描述了地震土压力随挡墙位移的发展过程,对发展非极限土压力理论和改进实际工程中的抗震计算方法具有一定的参考意义。     

中空夹层不锈钢钢管混凝土构件的侧向撞击试验及有限元分析

利用DHR9401落锤式冲击试验机完成了6组、3种工况的不锈钢圆管-混凝土-钢管组合构件的侧向撞击试验。试验中记录了冲击力时程曲线,并获得了试件的整体残余变形和破坏模式。试验结果表明:随着冲击高度的增大,试件的冲击力平台值、冲击时间增大,整体变形及局部变形增大;随着空心率的增大,试件平台段趋于不稳定,峰值段逐渐消失,抗冲击性能下降。在试验研究的基础上,采用ABAQUS建立了其有限元分析模型。与试验结果的对比分析表明,采用文中建立的有限元分析模型所得计算结果与试验结果具有良好的一致性。     

柔性挡墙的主动土压力计算及分布研究

已有研究表明,柔性挡墙在不同位移量和位移模式下,主动土压力的大小和分布均发生变化,其分布也与刚性挡墙有明显区别。在前人室内试验和数值模拟结果的基础上,建立了考虑位移变化效应的柔性挡墙土压力计算模型,采用中间状态系数来统一反映挡墙位移模式和位移量的影响,提出了任意位移柔性挡墙主动土压力合力系数的计算公式;在求得合力基础上,将土体简化为非线性弹簧和刚塑性体的组合体,提出了任意位移下的土压力分布和合力作用点高度的计算方法。以前人模型试验为算例,将本文方法与试验结果、已有理论方法的对比表明,本文方法得到的土压力分布与试验值更接近。研究还发现,随着柔性挡墙位移量的增大,土压力合力逐渐减小,土压力分布的非线性程度逐渐增大;合力作用点位置随挡墙位移形态的变化而改变;在典型鼓胀形变位模式下,土压力呈R形分布。     

高位远程滑坡动力侵蚀犁切计算模型研究

高位远程滑坡通常具有典型的动力侵蚀特征,导致滑坡体积明显放大和运动距离明显增加,从而因成灾范围的误判引发严重的地质灾害。本文提出一种适用于滑坡动力侵蚀过程计算的犁切模型,该模型建立在滑块–弹簧模型和犁耕阻力模型的基础上,认为:在滑坡失稳剪出后的运动过程中,滑块底部阻力会对堆积物产生铲刮力,形成铲刮层。铲刮层推挤前部堆积物,并受到阻力,类似犁推挤土垡变形,即犁切阻力。根据犁切阻力、犁切被动区与运动轨迹之间关系,提出犁切模型挤压式与剪出式两种形式,建立相应的力学表达式和编制相应的二维计算程序。运用该程序分析新疆新源阿热勒托别滑坡远程运动特征,揭示不同比阻条件下计算所得犁切体积和深度的趋势。此外,进一步与已有的雪橇模型、等效流体模型、液化模型计算结果对比分析,表明:犁切模型总体趋势上与等效流体模型和雪橇模型较为接近,并较液化模型稳定,但速度峰值均小于上述其他模型,其主要原因是空间犁切造成的耗能作用。作为一种可定量计算动力侵蚀过程中滑坡体积增量的力学模型,该模型概念清晰,计算简便,是滑坡动力学分析的一种新方法。     

基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板力学特性理论研究

混凝土棚洞板是防治落石的主要承灾体，现有研究中多将棚洞板简化为梁或薄板单元，以弹性或弹塑性接触理论为基础开展研究，往往低估棚洞板的抗冲击性能。为此，考虑落石与棚洞板接触过程中的阻尼特点，引入等效黏弹性接触理论，将棚洞板视为正交各向异性板，构建落石冲击棚洞板的力学模型，得到落石冲击棚洞板的动力控制方程，根据落石位移、速度和加速度不同组合初始条件，采用微分方程求解法，推导得到落石冲击棚洞板各特征参量的多种理论解，为验证理论求解的正确性，与数值计算结果进行了对比分析。研究表明：线弹性解只能近似描述落石冲击过程，求解得到的落石各特征参量时程曲线是近似对称的两阶段曲线；而以黏弹性接触模型为基础，速度和加速度组合条件下的落石冲击参量理论解和数值解更相近，能够综合考虑落石冲击棚洞板过程中棚洞板受荷变形以及落石的能量损失，更符合实际工程；落石参数敏感性分析表明，落石最大冲击力、达到最大冲击力的时间以及冲击作用时间和落石质量呈正比，随着落石质量的增大，落石冲击参量显著增加，对棚洞板的损伤更大；对比试验结果以及多种理论计算结果可以得到：所得到的落石冲击力时程规律和试验相接近，而且该理论解给出了直接的函数表...     

牛圈沟高速远程滑坡超前冲击气浪机制分析

 为定量分析滑坡–碎屑流运动过程中所产生超前冲击气浪的强度及其演化规律,以牛圈沟高速远程滑坡为原型,采用计算流体力学软件,引入Voellmy准则定义运动阻力,在反演碎屑流运动全过程动力学行为特征的同时,对其前缘所产生超前冲击气浪的流场特征进行重点模拟,并论述和分析其形成的动力学机制。结果表明：(1) 牛圈沟高速远程滑坡的运动从启动到停止历时112 s,每一时刻其运动最大速度的空间位置出现在滑体内部靠近前缘的地方,其最大速度有2个峰值,分别是9 s时的52 m/s和49 s时的44 m/s;(2) 牛圈沟高速远程滑坡超前冲击气浪速度的最大值出现在9 s时,其值为45 m/s。压强最大值出现在滑体启动瞬间,为625 Pa,相当于11级暴风。滑体整体呈刚体运动时与前方空气接触面积最大,对其前方空气的挤压作用最为明显;(3) 随着滑体演化为碎屑流,前缘龙头高度逐渐降低(碎屑流厚度的变薄),其前方产生的超前气浪压强也随之降低,且其前方距碎屑流前缘越远,气浪压强越低;(4) 运动路径上的地形凸起、陡坎对超前冲击气浪的压强大小及其分布范围有较大影响,碎屑流前缘到达地形凸起点的坡脚时,会在凸起的迎风面产生梯度变化强烈的正压,而在凸起的背风面产生负压。当碎屑流由高向低飞下陡坎时,会强烈挤压前方空气,造成前方正压局部陡然增大。     

基于有限体积法的滑坡–碎屑流三维运动过程模拟分析

滑坡–碎屑流因其超常的流动性、超高的滑速以及巨大的能量成为一种具有极端破坏力的地质灾害现象。为实现滑坡–碎屑流三维地形条件下运动全过程的数值模拟,在局部拉格朗日坐标系基础上,考虑滑坡–碎屑流运动过程中滑体下表面的侵蚀作用及摩擦阻力的变化,建立基于有限体积法的计算模型。应用模型对萨尔瓦多的El Picacho滑坡进行反演分析,模拟过程采用距离侵蚀速率参数及Voellmy阻力模型,模拟结果的运动路径及滑动距离与滑坡发生的实际情况吻合较好,表明结合模型方程的数值模拟方法对于滑坡–碎屑流运动过程研究的有效性。此外,计算未考虑滑体下表面侵蚀作用的滑坡运动过程,结果显示滑坡运动物质的总体积减少,滑动距离明显变短。因此,侵蚀作用是滑坡–碎屑流运动过程研究所必须考虑的重要因素之一。滑坡–碎屑流三维运动过程的数值模拟研究可以为该类灾害的危险性评估及风险预测等提供科学的参考依据。     

BFRP层合板低速抗冲击性研究

基于Hashin失效准则,运用ABAQUS建立了玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)层合板的低速冲击仿真计算模型,对比分析了计算模型与试验所得到的冲击力与冲击能量曲线之间的关系。结果表明:有限元分析与试验结果基本吻合,验证了玄武岩纤维层合板冲击过程数值模型的有效性和准确性。     

汶川地震触发高速远程滑坡–碎屑流堆积反粒序特征及机制分析

 中国四川汶川地震触发了众多的典型高速远程滑坡–碎屑流。为论证这些高速远程滑坡–碎屑流堆积的层序特征和形成机制,以谢家店子滑坡、牛圈沟滑坡和文家沟滑坡为研究对象,首先对高速远程滑坡运动路径上的竖向分带性进行详细的描述,并根据各带特征,将其划分与命名为气浪影响区、碎屑流跳跃抛洒区、碎屑流流动堆积区、滑动剪切带以及下伏的原沟谷堆积层。在对各竖向分带进行描述的基础上,以碎屑流流动堆积区为重点研究对象,运用面积取样–面积频率法和室内筛分法,对碎屑流流动堆积区不同粒径范围内的颗粒进行详细的粒组分析,并通过质量–频率法的转换,最终获取碎屑流流动堆积区竖向剖面中不同高度层位上碎屑颗粒的累计频率分布曲线,揭示碎屑流堆积体内部所特有的堆积规律--反粒序结构,该结构是高速远程滑坡–碎屑流运动过程及其运动状态的重要反映,是高速滑坡远程运动机制分析所基于的重要地质证据。根据大量的现场调查和室内试验结果,得到以下结论：碎屑流运动路径上因滑面不规则起伏所激励的振动筛分作用和碎屑颗粒之间碰撞所产生的动力破碎作用以及二者的耦合过程应为反粒序形成的主要原因;并基于滑坡运动学与动力学的过程,对上述作用的能量来源和转化过程进行描述。     

冰岩碎屑流崩滑地震动信号测试与分析

随着西部大开发的战略部署及全球气温的持续升高，冰-岩碎屑流滑坡因其超强的运动性和破坏力而引起了业内学者的广泛关注。通过开展大型斜槽试验来模拟高寒山区特有的冰-岩碎屑流崩滑，利用现场布设的高精度传感器获取冰-岩碎屑流激发出的地震动信号，并基于Hilbert-Huang变换方法对比分析了5种工况下信号的时频特征，探究了含冰率和冰所处位置两个相关变量与冰-岩碎屑流的冲击力间的相关性。根据分析结果：冰-岩碎屑流中含冰率越大、冰与滑脱面的接触面越大，其激发的地震动信号振幅越大、时间越短、峰值更集中；信号频率主要分布在0.06～45 Hz范围内，以低频振动为主，高频信号集中出现在冰-岩碎屑流与缓坡段及河道两岸发生强烈冲击碰撞时期。     

洞坪库区瞿家湾滑坡群地质演化分析及数值模拟

 在详细分析洞坪库区瞿家湾滑坡群地质构造和区域地质构造的前提下,结合地层产状、水文气象等因素分析瞿家湾滑坡群区内在演化过程中难以形成大规模岩质滑坡。若根据河谷下切的方向推测,中间河左岸形成三级阶地的3次构造运动活跃期很可能引发右岸基岩的大规模崩塌。分析崩塌物的特征和河流的宽度,大规模的崩塌物是有可能被搬运到河流左岸、上覆于左岸阶地的,并从实地考察拍摄的照片和对基岩力学参数的分析找到依据。结合工程地质学和地质学方法分析选取滑坡演化过程中的5个重要阶段,考虑滑坡群处于背斜轴部的特殊性、地貌学上河谷顺应构造软弱带切割的特点以及根据岩土体试验参数试算的结果,确定出5个重要阶段滑坡群区域的剖面形态并绘制地质剖面。利用FLAC3D建立地质力学模型并进行全过程动态数值模拟。计算结果证实了右岸大规模崩塌物可能堆积到左岸的推断,同时也很好地解释了两岸堆积物厚度悬殊及高程差别悬殊的疑问。