落石冲击力计算方法的试验研究

为了探索明洞落石冲击后产生的附加荷载对结构物的影响，针对我国的工程实际，以若干单一化条件为基础，采用小比尺的模拟棚式明洞，通过重锤自由下落到土槽的实验方法，找出落石对具有不同厚度填土缓冲层的明洞产生冲击力的变化规律，提出了计算落石冲击力的实验式，为工程设计提供基本依据。     

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。     

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。     

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。     

隧道洞口柔性棚洞防护结构可靠性分析及应用

为了解决山区高速铁路隧道洞口的落石问题,结合工程实例建立柔性棚洞数值模型,模拟了落石冲击过程,从能量、变形、应力3方面对柔性棚洞防护结构可靠性进行了分析。结果表明:柔性棚洞能够对初始动能为100 kJ的落石进行有效拦截,受落石冲击柔性棚洞防护结构没有出现支撑绳和环形网破断。与传统的钢筋混凝土棚洞相比,柔性棚洞在结构受力、施工速度、环保、经济性等方面均有显著优势,适用于隧道洞口落石防护,尤其是快速抢修抢建工程。     

山区桥梁柔性防护棚洞抗冲击性能研究

我国西部山区崩塌落石灾害频发，柔性棚洞是一种常见的被动防护措施，凭借结构轻巧、安装方便等特点，适用于桥梁结构的落石防护。为研究桥梁钢结构柔性防护棚洞在落石冲击下的响应，本文运用LS-DYNA显式动力学分析软件对落石冲击桥梁柔性防护棚洞进行仿真模拟，分析不同冲击速度、不同冲击位置等对柔性棚洞以及桥梁结构冲击响应的影响，得到棚洞结构中高强钢丝网、钢拱圈和钢横梁3种主要构件及T梁结构本身在冲击作用下的响应规律。研究结果表明：落石冲击柔性防护棚洞结构的不同位置，产生的冲击响应均随着落石速度的增加而增大；其中落石冲击防护网时桥梁受到的冲击效应最小，在防护网未被冲破的情况下不会对桥梁结构造成太大损伤；而落石直接冲击钢拱圈时桥梁受到的冲击效应最大，钢基座下方混凝土在较低能级冲击下就会破坏。另外还对多落石冲击工况进行初步尝试，为桥梁落石防护的工程设计提供参考依据。     

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。     

铁路防治危岩落石桥梁-棚洞一体化结构设计研究

危岩落石灾害是世界范围内高山峡谷地区一种常见的地质灾害类型，具有分布范围广、破坏力强、发生突然等特点，对其危害范围内的构筑物和人类活动构成了严重威胁。当受种种条件限制，考虑空间、地形和投资等因素，桥梁-棚洞一体化结构在提高山区铁路危岩落石防治技术综合水平、保障铁路运营安全方面优势明显。基于RocFall等软件，探讨了危岩落石的冲击计算参数、冲击能量、影响范围、桥梁-棚洞一体化结构的防护能级与防护范围等，提出适用于高速铁路常用跨度32 m简支箱梁的钢筋混凝土刚架式桥梁-棚洞一体化结构设计方案。结果表明：钢筋混凝土刚架式桥梁-棚洞一体化结构在500 kJ的防护能级及以下是可行的；主力(单线活载)+落石冲击荷载为最不利荷载组合，也是结构设计的荷载控制组合，此时结构响应和各项指标满足规范要求。     

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。     

“两隧夹一桥”段落高铁落石脉冲式碰撞防护方案研究

我国建成高铁主要分布在平原区,"十三五"规划中部分高铁位于山区,山区危岩落石多,需加强落石防护。受山区陡峭地形限制,以往的隧道明洞接长防落石方案已经不能满足使用要求,目前没有特别适合的防护方案,陡峭山区的落石防护成了制约我国高铁发展的瓶颈。针对陡峭地形特征建立工程模型,对落石轨迹模拟分析,落石最大速度和动能计算研究,提出适宜防护方案和缓冲层方案,研究结论:(1)落石能量宜分级化,对设防目标分级处理,才能使防护结构进一步精确化;(2)基于落石的脉冲力特性,柔性结构承受脉冲力荷载有天然优势,且柔性结构质量轻,引起下部增加的工程数量小,落石防护方案宜向柔性结构方向靠近;(3)落石防护应与主、被动防护网结合,主要是对漏过主、被动防护网后的"漏网之石"进行二次防护为主,对防护任务分层处理,明确各处防护结构的防护目标。     

张吉怀铁路土峪隧道危岩落石特征及防护措施研究

山区铁路隧道进出口常面临危岩落石的威胁，依托张吉怀铁路开展高陡边坡危岩落石勘察及防护措施研究。土峪隧道进出口山体陡峭，竖向节理发育，岩体破碎，分布大量危岩落石，对铁路施工及运营构成巨大威胁。通过遥感解译、三维激光扫描、现场调查等“空-天-地”综合勘察手段，查清了土峪隧道进出口的危岩落石分布范围和特征；采用落石模拟软件Rockfall对洞口落石的运动轨迹进行模拟，分析落石的影响范围、冲击速度、弹跳高度和冲击能量，结合土峪隧道进出口地形、地质条件，提出“清除锚固+棚洞/明洞+主被动网”的综合防护措施；最后，总结形成了山区铁路隧道口硬质岩陡峭边坡危岩落石的勘察方法和加固防护设计原则。     

落石冲击作用下柔性棚洞结构灵敏度分析

研究目的:柔性棚洞是一种拦截边坡落石的被动防护结构,凭借施工方便、经济环保等特点广泛运用于落石灾害防护领域,但是目前没有规范指导柔性棚洞结构进行设计.本文基于能量法建立落石冲击柔性棚洞结构失效模型等三个模型,采用Sobol'全局灵敏度分析法得到柔性棚洞结构参数一阶、全局灵敏度,提出柔性棚洞结构优化设计思路.研究结论:(...     

EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用北大核心

为了保证线路安全,许多邻近陡峭山坡的铁路采用了棚洞来防护山坡落石。国内外研究发现,可以采用"EPS板+钢筋混凝土板+表层砂土"的复合结构代替传统的洞顶填土,不仅可以减少结构设计荷载,而且施工便捷,解决了山区土方少且运输不便的问题。抗冲击试验表明,该复合结构可有效分散冲击力,将洞顶单位面积承受的荷载减少至传统填土结构的10%,有效保护棚洞结构安全。本文结合西(安)(安)康铁路白沙滩隧道进口落石防护工程,详细介绍了EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用。     

EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用

为了保证线路安全,许多邻近陡峭山坡的铁路采用了棚洞来防护山坡落石。国内外研究发现,可以采用"EPS板+钢筋混凝土板+表层砂土"的复合结构代替传统的洞顶填土,不仅可以减少结构设计荷载,而且施工便捷,解决了山区土方少且运输不便的问题。抗冲击试验表明,该复合结构可有效分散冲击力,将洞顶单位面积承受的荷载减少至传统填土结构的10%,有效保护棚洞结构安全。本文结合西(安)(安)康铁路白沙滩隧道进口落石防护工程,详细介绍了EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用。     

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。     

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。     

防落石刚性栅栏防护能量试验与数值分析

结合山区高速铁路沿线刚性栅栏的工程应用情况,针对防落石冲击刚性栅栏防护能量缺乏设计依据的现状,开展了实际尺寸刚性栅栏落石冲击试验,研究其变形特征和传力机理。分析该结构受落石冲击过程中三阶段的传力工作状态,指出了系统中的薄弱环节。基于LS-DYNA的显式算法,模拟落石冲击刚性栅栏的全过程,并与试验结果进行对比,二者吻合较好。研究结果表明:刚性栅栏的主要耗能构件为角钢横撑和角钢钢柱,整个系统的刚度较大,防护能量较小,在落石冲击下将会产生较大变形。基于研究结果提出了刚性栅栏防落石系统设计优化建议。     

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。     

铁路隧道明洞高陡边坡加固防护与监测方案研究

通过对隧道明洞高陡岩质边坡受构造影响,如岩体不利结构面、坡面小型楔体在外力长期作用下,沿临空面可能形成危岩、落石甚至崩塌等灾害的分析与计算,介绍延长明洞、增加明洞回填厚度、设置预应力锚索、防护网及自动化监测系统等综合工程措施设计和实例工程加固防护与变形监测效果,供类似工程借鉴。