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。     

南京地铁地基黏土物理力学参数相关性试验研究

通过大量的土工试验,对南京地铁地基黏土物理力学参数间的相关关系,特别是黏聚力、压缩模量、液性指数等与含水量、密度、孔隙比、标贯击数等的相关关系进行研究,并给出相应的数学回归方程式和相关系数。结果表明:南京地铁地基黏土的密度、孔隙比、压缩模量、压缩系数、液性指数、导热系数等物理力学参数与黏土含水量之间的线性相关程度好,相关系数达0.928以上,平均为0.975 7;黏土的压缩模量、黏聚力、导热系数随黏土的密度增大而增大,压缩系数随黏土的密度增大而减小,且这4个参数与密度的线性相关程度很好,相关系数达0.93以上,平均为0.953 5;压缩模量、黏聚力、液性指数、导热系数等与孔隙比的线性相关程度也较好,相关系数达0.89以上,平均为0.941 835;孔隙比、压缩系数、液性指数、内摩擦角、黏聚力、压缩模量、导热系数、标贯击数的线性相关程度很好,相关系数达0.947以上,平均为0.973 53。     

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。     

落石冲击大跨度拱形明洞结构作用机理研究

研究目的:为探明落石冲击作用于拱形明洞结构荷载分布规律,确保明洞结构安全,本文以铁路双线双耳墙式明洞为研究对象,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,通过改变落石质量、冲击速度和回填土厚度分析落石冲击力和落石冲击所在横、纵断面明洞结构受到的冲击压应力,提出计算落石冲击力、冲击压应力的方法。研究结论:(1)当回填土厚度从1 m增大至4 m时,落石冲击力没有明显变化,而落石冲击作用于明洞结构的最大压应力迅速减小,说明应以落石冲击压应力和回填土自重应力作为明洞结构设计依据;(2)落石冲击压应力随着距落石冲击点水平距离的增大而减小,近似成圆台形分布,其扩散角约为50°;(3)落石冲击力、冲击压应力随落石质量、冲击速度的增大而增大;(4)综合落石质量和冲击速度提出了以冲击能量计算落石冲击力和冲击压应力的方法;(5)本研究成果可为明洞设计提供参考。     

基于离散元方法的落石冲击力变化规律研究

采用PFC 2D离散元软件模拟落石冲击铁路棚洞现场试验,从落石冲击力大小、冲击作用时间2方面将数值计算结果与试验结果进行对比分析,验证了数值模拟计算结果与试验结果基本一致。对不同半径、不同密度的落石冲击作用进行了数值模拟,发现在冲击能量相同的情况下,同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石冲击力更大;落石回弹加速度在相同高度的条件下也遵循同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石回弹加速度更大的规律。     

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。     

隧道衬砌背后空洞上方落石对衬砌结构的破坏机理及整治措施

针对某铁路隧道衬砌出现的掉块病害进行了现场勘查以及三维激光扫描,并对隧道衬砌掉块的成因进行了分析。引入混凝土冲切破坏理论计算方法,估算了衬砌抗冲切承载力。同时,借鉴国内外落石冲击力理论、经验计算方法并利用LS-DYNA动力学软件建立了落石冲击衬砌结构动力学分析模型,对落石冲击作用下衬砌结构的破坏机理进行了分析。结果表明:不同方法计算的落石冲击力与有限元分析所得的冲击力差异较大,这主要是因为各种计算方法的试验条件、理论基础不同;衬砌背后空洞上方的落石冲击衬砌时,在短时间内冲击荷载将达到峰值,易导致衬砌结构发生冲切破坏。针对该隧道状况,通过方案比选,提出了预制拼装波纹板的整治技术。     

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     

橡胶缓冲垫层保护下棚洞结构落石冲击力学响应研究

采用以橡胶为原料的废弃轮胎作为垫层材料,利用有限元软件建立落石冲击棚洞结构模型,研究落石冲击速度、橡胶缓冲垫层厚度对棚洞结构最大等效应力、结构动能、节点位移等的影响。结果表明:在竖向落石冲击作用下,棚洞结构中间跨的横梁端部为受力不利位置;落石的冲击速度越高、橡胶缓冲垫层越厚,橡胶垫层的缓冲作用越显著;在冲击荷载作用下,棚洞结构横梁下部会承受较大的拉应力,应加强横梁底部的钢筋布置。     

国内外合成闸瓦物理力学性能测试分析

通过对国内外合成闸瓦的热烧失分析、冲击强度测试、压缩强度及压缩模量测试、硬度和密度测试,分析其粘合剂含量及物理力学性能。结果表明,国外合成闸瓦同我国产品相比,粘合剂含量较高,具有较低的压缩强度、压缩模量及硬度,但具有较高的冲击强度。提出如何提高国产闸瓦质量的建议。     

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。     

基于软土常规物理参数的压缩模量预测研究

为建立软土常规物理参数与压缩模量之间的模糊数学关系并对土体压缩模量进行预测,以27个钻孔中90件高质量淤泥及淤泥质土试样的土常规物理参数及压缩模量数据作为研究的数据源,基于MLP和RBF神经网络分别以tanh、sigmoid和标准径向基函数、一般径向基函数为激发函数建立不同的"软土物理参数—压缩模量"神经网络预测模型。结果显示,通过优选可以得到对于Es_(1-2)预测值和Es_(2-4)预测值的MRE分别在5%左右和11%以下、RMSE分别在6%左右和14%以下预测模型。结论表明,在一定误差的允许范围内,基于神经网络可以依靠软土的常规物理参数对压缩模量进行预测。     

晋北地区黄土湿陷系数与其物理力学性质的相关性分析

通过对晋北地区大量的黄土室内湿陷性试验数据进行分析,研究黄土湿陷系数与天然孔隙比、天然密度、天然含水量、压缩模量、塑性指数和液性指数6种常规物性参数之间的相关性,结果显示:黄土湿陷系数与天然孔隙比之间呈正相关关系;与天然密度、天然含水量、压缩模量、塑性指数和液性指数呈负相关关系;探讨不同湿陷强度黄土的天然孔隙比、天然密度、天然含水量及液性指数的分布规律,结果显示:该地区湿陷性黄土的天然孔隙比大于0.6,天然密度小于1.9 g/cm~3,天然含水量小于22%,液性指数小于0.25。     

太湖湖积相黏土高压固结试验研究

对湖积相黏土土样进行高压固结试验,测出了压缩系数、压缩指数、压缩模量等压缩性指标,结果表明,太湖湖积相黏土属于高压缩性软土,并对不同深度高压作用下压缩模量的变化进行了详细的分析,为工程中预压固结处理地基的方法提供了试验基础佐证.     

落石冲击拱形明洞结构作用力传递机理模型试验研究

通过改变落石质量、下落高度及明洞回填土厚度,利用缩尺模型试验分析了落石冲击点明洞横、纵断面结构不同部位的冲击压应力以及拱顶加速度。研究结果表明:作用于隧道明洞结构的冲击压应力及其分布范围随落石质量、下落高度的增大而增大;在靠近落石冲击点正下方一定区域内,压应力随回填土厚度的增大而减小,而在较远区域压应力则随回填土厚度先增大后减小;冲击压应力最大值位于拱顶冲击部位,并随着距拱顶冲击点距离的增大而减小;拱形明洞竖向加速度最大,其次是纵向,横向最小。     

细粒含量对粉砂固结压缩特性影响的试验研究

研究目的:基于细粒含量对不同状态客专粉砂地基固结压缩特性影响研究的不足,依托新建通辽至京沈高铁新民北站铁路工程,对处于松散、中密和密实状态的粉砂分别掺配5%、15%、30%和40%的细粒含量,开展不同细粒含量对粉砂固结压缩特性影响的T90试验研究,揭示不同细粒含量对不同状态粉砂土体的孔隙比、固结系数、压缩模量、固结压缩历程的影响规律,以及应力-应变关系发生、发展规律。研究结论:(1)随着细粒含量的增加,松散粉砂的孔隙比和固结系数逐渐减小,而压缩模量随之增加,在达到FC15后,变化速度较为显著;中密和密实状态粉砂的孔隙比和固结系数发展规律存在较明显的转折点,即起初阶段是逐渐变小的,但当达到FC30后,其随细粒含量增加而增大,而压缩模量则持续地降低;(2)利用对数函数和双曲线函数分别对不同细粒含量不同状态粉砂的变形随时间发展规律及应力-应变关系进行拟合分析,得到了较为可靠的统一表达式;(3)运用计算机模型试验进一步验证了细粒含量对客专粉砂固结压缩特性的影响规律的真实性与可靠性;(4)本研究成果可应用于类似客专路基工程粉砂地基处理的设计与施工。     

基于正交试验设计的路堤下地基沉降影响因素显著性分析

为研究路堤下地基沉降影响因素的显著性,采用等水平正交表进行正交试验设计,建立了地基沉降理想弹塑性有限元分析模型,通过计算路堤填土重力作用下的地基沉降及塑性变形,分析了在高低两种地基土强度条件下地基土的变形模量、内摩擦角、黏聚力、重度和路堤高度、填土变形模量、填土重度7种因素对地基沉降影响的主次关系。分析结果表明:对地基沉降影响最为显著的因素是地基土变形模量和路堤高度;随着地基土强度的降低,地基土的塑性变形增加明显,地基土内摩擦角对地基沉降的影响程度凸显,其显著性明显超过路堤填土重度与地基土黏聚力;对地基土的塑性变形而言,地基土内摩擦角的显著性大于地基土变形模量、路堤高度等因素,影响程度最为显著。研究成果可为地基沉降分析与工后沉降控制提供参考。     

密接式车钩连挂特性影响因素分析

根据列车纵向动力学相关理论,利用ADAMS软件建立2车钩冲击连挂动力学模型,且模型经过台车冲击试验数据验证,最大冲击力和运动车钩缓冲器最大压缩量相对误差均不超过3%。利用该模型分别研究不同冲击速度、不同惩罚参数和不同钩锁弹簧预载荷对密接式车钩连挂特性的影响。研究结果表明:最大冲击力和缓冲器最大压缩量均随冲击速度的上升而上升,但几乎不受惩罚参数和弹簧预载荷的影响;当冲击速度为36 km/h时,两车钩连挂失败,最大冲击力达到1 130.2kN,运动车钩和静止车钩缓冲器位移曲线分离,但最大压缩量都未超过缓冲器最大行程100 mm;当冲击速度上升或预载荷减小时,车钩连挂时间增加,且连挂时间随惩罚参数的增大先增加后减小,其拐点在惩罚参数为1.0×10~5的位置;惩罚参数和钩锁弹簧预载荷在一定程度上影响车钩连挂过程,当惩罚参数超过1.0×10~7或预载荷小于2.0 kN时车钩连挂失败。     

武广客运专线红黏土地基压缩模量确定方法研究

研究目的:铁路客运专线无砟轨道路基对工后沉降要求严格,为准确获取武广客运专线红黏土地基沉降检算所需的参数,本文拟通过对红黏土地基室内土工试验及现场静力触探试验、标准贯入试验原位测试指标进行对比分析,确定红黏土地基压缩模量的有效方法,确保工程质量.研究结论:通过试验研究和对比分析表明,武广客运专线红黏土地基压缩模量与标准贯入击数N之间有良好的相关关系,相关系数达到0.85以上.对于红黏土地基上部硬塑土层,通过建立两者间经验公式,采用标准贯入试验击数对室内试验压缩模量E<,s>结果进行适当修正,可以较准确地确定红黏土地基压缩模量,以减小钻探取样及室内土工试验工作量,并有效减小因常规方法勘探取样土样质量不佳造成室内试验值偏低等问题.     

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。