落石冲击作用下棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应

以黔张常铁路（黔江—张家界—常德）为例，采用离散元软件PFC3D与有限差分软件FLAC 3D进行耦合计算，研究落石冲击棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应，优化棚洞-拦石墙顶板及缓冲层设计，并对掺有轮胎颗粒的缓冲层进行研究。结果表明：可适当减小棚顶厚度，达到减轻结构自重与节省原料的目的，但棚顶厚度不宜小于0.4 m；适当增加缓冲层厚度可以减小落石冲击力，从而减小顶板挠度与应力，且缓冲层厚度不宜低于0.50 m；缓冲层添加20%～30%轮胎颗粒能有效提升缓冲层防护效果。     

路堑桩板墙式拦石结构设计

以张呼客运专线某段深路堑设计为例,提出路堑桩板墙、被动拦石网、缓冲土堤、落石槽相结合的综合防护措施。根据地形、地质情况,结合落石运动、边坡土压力、落石冲击力,计算防护结构尺寸。     

铁路隧道进出口段落石冲击力计算分析

研究目的:崩塌落石是高陡的岩质边坡中,一种常见地质灾害,如不加以治理,可能造成交通中断以及巨大的人员伤亡和经济损失。在山区修建铁路工程时,尤其是隧道进出口段,为了防止崩塌落石对轨道结构的影响,常采用明洞、棚洞等处理措施,落石冲击力是进行明洞、棚洞及拦石墙等被动防治结构设计的主要荷载之一。目前,落石冲击力主要是通过一些半经验半理论的公式计算得到,这些方法的适用性、合理性有待通过充分研究讨论。研究结论:本文对几种已有的落石冲击力计算方法进行了探讨分析,结合襄渝铁路隧道口增设棚洞工程,采用路基工程手册法、隧道手册法、Labiouse法、Kawahara法、杨其新法等方法进行了落石冲击力计算,结果表明这5种计算方法的计算结果在量值上相差不大,路基工程手册法、隧道手册法计算结果稍大。考虑到两手册中的经验方法经过了大量的工程验证,因此推荐以两手册方法的计算结果作为增设棚洞工程设计时的设计荷载,并据此开展工程设计。     

滚石冲击EPS新型复合拦石墙现场原位试验研究

以聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene,EPS）新型复合拦石墙板为研究对象，以合璧津高速公路危岩防护工程为背景，首次开展滚石冲击拦石墙现场大型原位试验，研究滚石冲击EPS复合拦石墙动力作用过程，揭示EPS泡沫板在滚石灾害防治结构设计中的耗能减震机理。采用有限元分析软件验证了现场试验结果的准确性，并讨论了钢板夹层厚度对结构耗能效率的影响，为提高结构抗冲击性能引入钢管耗能器进行结构优化。结果表明：EPS复合拦石墙降低了滚石冲击接触压力，最高可达43%；保持EPS缓冲层厚度不变，其材料密度越小，则耗能效果越显著，但EPS缓冲层密度降低的同时也将导致复合结构的抗冲切破坏能力下降；钢板夹层越厚，结构耗能效果越好，相较于15 mm钢板，35 mm钢板耗能效果可提升约25%；布设耗能器可有效提高结构抗冲击能力，且在结构中心位置布设耗能器时效果最佳，耗能效果提升31.8%；耗能器个数与结构耗能效果呈正相关关系。     

兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石分析及防护设计

根据兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石发育情况,利用rockfall软件,建立危岩落石运动模型,分析落石的运动特征,实现危岩落石可视化,结合落石运动轨迹、落点分布情况、冲击能量、冲击力、弹跳高度、位移偏移量等研究成果,提出接长明洞和主被动防护相结合的落石综合防护措施。结果表明:在坡面坡积层和明洞回填土缓冲和消耗作用下,接长明洞和主被动防护网相结合的方法可有效防护危岩落石,降低落石冲击风险,保证洞口的安全。可保证隐式中墙复合式连拱隧道施工安全     

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明：随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。     

被动柔性防护网结构足尺冲击试验研究

为研究被动柔性防护网结构的落石防护性能,设计2组防护能级为750 k J的柔性被动防护网结构,进行足尺冲击试验研究。模型1为按照现有标准所选型得到的系统配置;模型2为改进后的柔性被动防护网结构。试验结果表明:模型1无法拦截750 k J落石的冲击,系统崩溃;模型2成功地拦截了落石,且冲击后模型2的各主要组成构件等均未发生破坏,仅需要对耗能元件进行更换,即可继续投入使用。通过对高速视频的解构,对各部分组成构件的运动和受力特征进行详细分析,明确系统的三阶段工作历程,并分析系统失效的关键因素,同时,对实测的钢丝绳拉力时程进行对比分析。研究结果为今后柔性被动防护网结构的设计提供了理论基础。     

落石碰撞切向恢复系数的取值研究

切向恢复系数是落石运动轨迹计算和被动防护系统设计的重要参数之一。通过不同坡面状态、落石形状和质量的落石模型冲击试验,进行落石碰撞切向恢复系数研究。结果表明:落石的形状对切向恢复系数无明显影响;落石质量、坡面状态、坡度、下落高度对切向恢复系数的影响较大,切向恢复系数随坡面由软到硬以及落石质量的增大而逐渐增大,随碰撞坡面坡度和下落高度的增大而逐渐减小;各种试验条件下切向恢复系数基本均在0.4以上,占总试验次数的98%,0.5以上的占93%,0.9以上的占25%,表明在碰撞过程中,落石切向速度的损失有限,在当前落石运动路径模拟中,现有切向恢复系数取值在部分情形下偏小,可能导致被动防护设计安全储备不足。综合考虑坡面状态和坡度2个因素,给出了不同条件下切向恢复系数的建议值。在实际取用时,坡面越硬、坡度越小则取区间内高值,反之,则取区间内低值,或直接采用区间随机取值。     

落石冲击力计算方法

针对现有落石冲击力算法计算所得结果严重偏小的问题,提出应考虑落石冲击过程中落石重量和反弹效应对落石冲击力的影响,并基于冲量定理和在日本道路公团算法以及有关试验数据的基础上研究新的落石冲击力计算方法。通过法向恢复系数引入落石反弹效应计算项,通过定义落石冲击力放大系数建立落石最大冲击力和平均冲击力之间的联系,从而导出适用于不同冲击速度、不同缓冲土层厚度和不同冲击角度的落石最大冲击力算法,并给出对应于工程中常见落石尺寸和冲击速度的冲击力放大系数取值曲线。通过实例验证了利用该算法和冲击力放大系数取值曲线可解决工程中有关落石冲击力的计算问题。     

落石碰撞法向恢复系数的模型试验研究

法向恢复系数取值是落石运动路径计算的关键参数。利用高速摄像机拍摄不同坡面铺装、不同坡度、不同下落高度、不同落石质量和形状试验条件下落石碰撞坡面的过程,提取落石碰撞坡面前后落石的运动参数,据此反算法向恢复系数,得到如下规律:坡面铺装和坡度是法向恢复系数的主要影响因素,落石的形状和质量以及下落高度对法向恢复系数的影响不明显;随坡面由硬到软,法向恢复系数逐渐减小;随着坡度的增大,法向恢复系数逐渐增大;由试验数据计算所得各种试验条件下的法向恢复系数多集中在0.4以下,占总数量的94%,其中0.3以下的占84.8%,0.1以下的占36.5%,且有超过1/3的试验落石几乎没有法向回弹,说明以前仅基于坡面软硬程度的法向恢复系数取值方法在实际工程中会使计算的落石弹跳高度偏大。从坡面铺装和坡度两方面综合考虑,给出了法向恢复系数取值建议表,并建议坡面越硬、坡度越大时取区间内高值,反之则取区间低值。     

蒙西至华中铁路某崩塌落石的稳定性及运动特征分析

对蒙西至华中铁路一侧的崩塌落石进行了定性及定量的稳定性分析,根据一种平面坐标系的崩塌落石运动模型,结合具体地质特征选择典型落石块体对崩塌落石的运动特征进行了理论计算,计算结果对防护结构设计具有一定的指导意义。受建立运动模型的假设及参数取值的影响,计算结果还需要进行一定范围内的现场试验进行修正。     

3种隧道洞口落石防护方案对比分析

为解决既有隧道洞口落石防护问题,比较了钢桁架棚洞、柔性棚洞以及波纹钢板棚洞3种落石防护结构的优缺点,并采用有限元软件对其可靠性进行数值模拟。研究结果表明:3种防护结构均能对能级为100 kJ的落石进行有效拦截;钢桁架棚洞为刚性结构,不利于落石的缓冲及能量吸收,会发生局部变形损伤,适用于洞口坡面陡峭、桥面与地面高差不大、围岩条件较好地段;柔性棚洞以柔克刚能充分吸收落石的冲击能量,适用于洞口场地施工条件差的隧道以及既有工程改造项目;波纹钢板棚洞施工速度快、强度高,更适用于洞口抢修工程。     

落石运动过程偏移与随机特性的试验研究

通过112块不同形状、不同质量的落石现场滚落试验,发现落石形状、质量和运动模式对落石偏移比有显著影响.落石越接近球形、质量越大、运动模式越单一,其偏移比越小,反之则会出现较大的偏移比和横向威胁范围;试验中绝大部分落石的偏移比大于0.1,但均在0.3以内.鉴于此,建议在实际落石防护工程设计中落石偏移比取0.3,以控制落石横向威胁范围;或依据落石灾害危险性评价结果和可接受风险水平确定落石偏移比的取值.通过9块试验条件近似的落石试验表明,落石运动过程充满随机性,在落石运动路径计算方法中应考虑落石运动过程随机特性的影响,这对于落石灾害威胁区域的划定和被动防治系统的布置非常重要.     

消能棚洞的落石冲击计算及消能效果研究

基于结构动力学基本原理,根据落石冲击棚洞时的动力特性,并考虑棚洞和消能支座的弹性和黏滞性,推导落石冲击力随时间变化的计算公式。根据消能棚洞的结构特性和受力条件,建立消能棚洞的振动模型,推导消能棚洞刚度系数的计算公式,进而得到消能棚洞的落石冲击力计算公式。以国道G319武隆境内的某棚洞和铁路丰沙线的某棚洞为例,对消能棚洞的消能效果进行分析。结果表明,采用消能棚洞形式后,落石冲击力可消减50%左右,横梁最大弯矩以及纵梁上、下侧最大弯矩可分别降低15%以上,17.3%和6.9%,说明消能棚洞对落石冲击力和棚洞内力的消减效果明显,较大地提高了棚洞的承载能力。     

隧道洞口坡段落石灾害危险性等级评价方法

出于隧道洞口坡段落石灾害防治决策的需要,针对铁路和公路的隧道洞口及交通运营特点,从落石致灾可能性(包括危岩崩落可能性、落石达到洞口区域可能性)和致灾严重性2个方面对落石灾害危险性等级进行综合评价,据此定义隧道洞口坡段落石灾害危险性分级指标,并在量化评分各影响因子的基础上,建立隧道洞口区域落石灾害危险性等级评价方法。将该方法用于8个隧道洞口的落石灾害危险性评价,结果表明该方法能够满足落石防治决策需要,并可为落石运动路径、速度、动能等计算设定风险等级。