落石作用于钢筋混凝土棚洞的冲击力研究

为解决钢筋混凝土棚洞设计中的关键问题之一,即如何计算落石作用于钢筋混凝土棚洞的最大冲击力问题,以冲量定理为基础,推导出了落石最大冲击力的近似计算方法;以实际棚洞结构为原型,利用有限元方法确定近似计算方法中参数的取值,得到了落石作用于钢筋混凝土棚洞的冲击力公式。该公式考虑了落石形状、质量、冲击速度、垫层材料、垫层厚度以及棚洞跨度等主要影响因素,并与试验数据作对比验证了该公式的合理性。研究结果表明:落石形状、质量、冲击速度、垫层材料、垫层厚度对冲击力影响较大,而棚洞跨度对冲击力影响较小;落石形状、质量、垫层材料、垫层厚度对冲击时间影响较大,冲击速度、棚洞跨度对冲击时间影响较小。该结论可为今后钢筋混凝土棚洞在落石冲击作用下的设计提供理论依据。     

框架型棚洞承受落石冲击力的模型试验研究

针对框架型棚洞在不同种类缓冲垫层防护下抵抗落石冲击力的力学性能,通过大比例尺室内模型试验进行了测试研究。分析了在不同种类缓冲垫层和不同冲击能量下落石冲击力的变化规律;依据试验数据和理论推导给出了反应落石平均冲击力与最大冲击力之间关系的扩大系数,改进了框架型棚洞在不同类型缓冲垫层防护下落石冲击力的计算方法。研究结果表明:改进的落石冲击力计算方法能够综合考虑影响落石冲击力大小的诸多因素;对于特定的落石冲击能量,不同类型的垫层属性所反应的落石冲击力大小实质是受到垫层属性函数f~(h,E,μ,γ)的影响,具体表现为f值越大,不同垫层种类下的冲击力扩大系数的离散性越小,反之越大。     

滚石冲击荷载下垫层材料的动力响应研究

棚洞垫层结构能有效地耗散滚石冲击能量,大幅度降低滚石冲击力,是滚石防护棚洞设计的关键参数。本文以Hertz接触理论为基础,考虑棚洞土垫层的弹塑性特性,运用动力有限元数值仿真技术,研究了滚石法向冲击荷载下耗能垫层结构,分析了滚石冲击速度、半径对垫层土体动力响应规律的影响,为棚洞垫层结构优化设计提供理论依据。计算结果表明:按照完全弹性理论计算过高地估计了滚石冲击力;滚石冲击能量主要转化为土垫层的塑性变形;土石垫层结构能有效地吸收滚石冲击能量,大大降低滚石对棚洞结构的冲击力。     

组合式消能棚洞结构受荷性能研究

落石棚洞是公路交通中常见的危岩地质灾害防治结构，可分为靠垫层来吸收落石冲击能量的传统落石棚洞和靠弹簧耗能减震来吸收冲击能量的新型落石棚洞两类。运用薄板理论、结构力学以及变形协调理论对组合式消能棚洞结构受荷性能进行了研究，得到了顶板在落石冲击力作用下内力解析解以及棚洞横梁、纵梁的内力计算表达式。以国道G319武隆境内的某棚洞为例，对消能棚洞的内力进行了分析，采用消能棚洞结构形式后，横梁最大弯矩以及纵梁上下侧最大弯矩分别降低了15.0%，17.3%和6.9%，说明消能棚洞结构内力消减效果明显，较大地提高了其承载能力。     

落石冲击棚洞结构的动力响应研究

我国西部山区地形复杂,存在诸多高陡边坡,因此落石灾害时有发生,已严重威胁公路交通安全及人民生命安全。棚洞结构在落石灾害防治中起到了重要作用,但落石冲击棚洞的动力响应过程十分复杂,尤其是落石与棚洞的瞬态接触过程,然而目前国内外学者对于落石冲击问题的研究仍不够完善。为深入研究落石冲击下棚洞结构的动力响应特征,通过建立相应的ANSYS/LS-DYNA有限元模型,分别对落石质量、落石形状、落石下落高度及落石冲击角度4种不同工况下的棚洞结构动力响应过程进行了模拟研究。对不同工况下的冲击力时程曲线、冲击深度时程曲线和Mises等效动应力时程曲线等模拟结果进行了分析。结果表明:冲击力、冲击深度、棚顶Mises等效动应力与落石质量、下落高度呈正相关;在法向方向上,冲击力、冲击深度与冲击角度呈正相关,在切向方向上,45°时冲击所产生的冲击力最大,冲击深度与冲击角度呈负相关;长方体落石和立方体落石所产生的冲击力和棚顶Mises等效动应力大于球体落石,而冲击深度小于球体落石。     

落石冲击下隧道明洞耗能措施研究

以成都至兰州铁路某隧道洞口落石防护工程为背景,提出采用聚苯乙烯泡沫(EPS)轻质混合土代替砂垫层作为明洞回填材料。为研究EPS轻质土的耗能减振效果,采用动力有限元方法对落石冲击过程进行数值模拟。结果表明:与传统的砂垫层相比,EPS轻质土能够有效减少明洞上方填土压力,显著降低落石冲击力和衬砌动应力;采用较小的垫层厚度即可取得很好的消能效果,是一种优良的落石防护垫层材料。     

基于Hertz理论的落石撞击桥墩冲击力计算公式及参数研究

落石撞击棚洞的冲击力公式已较为成熟,但落石撞击桥墩的冲击力公式研究较少。基于Hertz弹性碰撞理论和Thornton弹塑性假设,通过速度恢复系数引入落石反弹计算项,建立了落石撞击桥墩的力学计算模型,推导了落石撞击桥墩的弹性和弹塑性冲击力表达式,并讨论了落石的冲击速度、冲击角度及半径对冲击力的影响;建立落石-桥墩有限元模型,将数值模拟得到的弹性与弹塑性冲击力与理论值进行对比。结果表明:落石弹性冲击力结果偏大,考虑材料弹塑性的冲击力表达式更符合工程实际。实例结果显示弹塑性冲击力仅为Hertz弹性冲击力的21.58%;落石冲击力随着冲击速度和半径的增大而递增,随着冲击角度的增加而递减;在进行桥墩防撞设计时,应充分调研落石等效半径的分布情况,可在碰撞区铺设一定厚度的低强度混凝土;用弹塑性冲击力理论公式进行设防时,建议引入落石弹塑性冲击力折减系数,其值可取0.6~0.8。     

半拱形公路棚洞结构抗冲击性能优化

利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟落石冲击荷载作用下半拱形棚洞结构的动力特性,在分析棚洞结构受力变形的基础上,探索其抗冲击性能优化方法,提出通过调整棚洞截面形式控制应力扩散路径,从而提高棚洞的抗冲击性能。研究表明:将半拱形棚洞拱墙和顶板的连接断面向立柱方向水平偏移,使棚洞拱墙半径增大,水平顶板宽度减小,能有效降低滚石冲击引起的最大等效应力,减小棚顶的最大变形量,增强棚洞结构的抗冲击性能。     

万州太白岩南坡旅游公路落石棚洞结构设计

崩塌落石灾害严重危害区内经济活动和人民生命安全,落石棚洞是防御此类灾害的有效措施之一。以重庆市万州太白岩南坡旅游公路为研究对象,针对其狭窄的地形及其作为旅游点的周围环境条件,系统地提出了棚洞设计方案,得到其结构各部件的计算方法,为相应工程提供一定的借鉴。     

公路滚石荷载下不同结构类型棚洞的抗冲击性能分析

随着棚洞应用数量的不断增加,其安全性和稳定性越发值得重视,然而在实际工程应用中棚洞被砸坏的案例仍是屡见不鲜。借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立不同类型棚洞的有限元模型,并对滚石冲击下的不同结构类型棚洞的响应进行了数值仿真。研究表明:(1)滚石冲击荷载会使棚洞结构中产生冲击波,冲击波的传播会引起结构应力和变形震荡,门式棚洞比半拱式棚洞的震荡反应明显;(2)抗冲击性能方面,斜柱式棚洞比直柱式棚洞更优越,半拱式棚洞比门式棚洞有优势;(3)门式棚洞和半拱式棚洞在冲击作用下的结构最危险处都位于立柱顶部内侧。首次从结构角度出发研究棚洞的抗冲击性能,其成果完善了棚洞既有理论,并为今后棚洞的合理设计和施工具有重要的指导意义。     

小平地隧道进口危岩落石分析及整治设计

根据成昆铁路小平地隧道洞口岩体结构发育分布情况,结合三维激光扫描技术解释,确定落石的最大直径及方量;通过落石模拟计算,分析危岩体的运动特征,包括落石落下的最大可能位置、弹跳高度和能量等;分析采用被动防护网和钢棚洞相应的安全性,在保证铁路运营安全的前提下合理确定整治措施的规模,进而提出了洞口防治的综合处理措施。该设计思路、落石防护结构型式具有代表性,对今后类似工程的处理具有很好的参考价值。     

落石在棚洞垫层上的运动轨迹研究

落石运动形式包括平抛运动、碰撞运动、斜上抛运动以及滚动运动。根据Hertz的弹性碰撞理论以及Beta函数，分析了落石在垫层上的运动轨迹和落石冲入垫层的深度以及最大冲击力。考虑落石在垫层上的滚动摩擦，忽略落石与垫层之间的滑动摩擦，得出落石在垫层上的滚动距离。根据弹跳运动的计算，护栏高度必须大于落实弹跳高度H2，才能保证行车的安全性。     

路基棚洞设计与施工技术的研究

为保护老狐山隧道右线出口路基段的边坡和自然环境,减少开挖,采用棚洞的结构型式,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。用midas数值计算软件对棚洞结构进行计算,得出棚洞结构的位移和应力,并和规范进行对比,结果显示棚洞结构是安全的。对高边坡工程的处治有一定的指导意义。     

箱形墙悬臂棚洞在路基崩塌落石综合防治工程中的应用

通过对路基崩塌落石的成因分析，提出在运营线上防治崩塌落石的方案，并以箱形墙悬臂棚洞的设计为例，论述了综合整治的重要性，以及方案选型的创造性，拓展了遮拦建筑物的适用性。     

丰沙铁路K49段边坡柔性防护选型与布置

针对丰沙铁路K49+160~+890段边坡特征,进行边坡防护方案的比选;根据现场的地形特征,划分不同防护区域开展落石分析,得到了落石的最大速度、弹跳高度、冲击能量等主要参数和落石运动的轨迹。根据分析结果,对不同的防护区域,进行柔性防护的选型及布置,既保证了防护效果,也节约了防护造价,且对铁路的安全运行影响很小。     

公路沿线落石运动特征及被动防护优化

我国山区公路沿线落石灾害问题突出。对于该灾害问题,目前我国尚缺乏有效的防护措施。对某公路沿线典型坡面,运用落石分析软件RocFall,分析落石的运动特征,包括落石的冲击动能、运动轨迹、落点位置、弹跳高度及它们的统计结果,探讨了有关设置拦石墙、铺设植被等被动防护措施的优化设计。     

V型冲沟落石防护结构设计

为了解决危岩落石对山区高铁运营的威胁,并改善乘车的舒适度,以宝兰客运专线南马棕山隧道和千家沟隧道之间的大水沟落石防护结构设计为背景,提出锚索(锚杆)框架梁边坡防护与拱形明洞相结合的综合防护设计方法;根据地形、地质情况,结合受力分析,拱形明洞防护结构独立于桥设计,其基础采用纵梁+墩、钻孔桩;应用有限元对落石的运动轨迹、冲击能量及拱形明洞结构进行数值模拟,验证了结构布置的合理性及安全性。     

汶川地震后10年公路明（棚）洞病害及处治工程的启示

为剖析明（棚）洞病害机制,指导工程建设,通过对G213映汶路、G213川汶路、G317汶马路、G245乌甘路、S209龙三路、S463亚三路6条公路上40余座“5·12”汶川地震后建成的钢筋混凝土明（棚）洞在经历地震、暴雨等灾害以后的跟踪调查,全面统计明（棚）洞病害分布,系统描述病害类型,详细分析病害成因、处理措施及效果。研究结果表明,明（棚）洞建设应做好以下工作： 1)做好选址及调查工作,合理估算冲击荷载并优选结构; 2)设置可靠的防冲结构确保下边坡稳定; 3)加强结构抗冲击能力研究并科学设置缓冲层; 4)重视施工期安全防护并确保施工质量。     

隧道进口危岩体滚落特征分析及防护措施

通过软件计算，对某隧道进口危岩体滚落运动速度、运动轨迹等进行分析，提出针对性防护措施。结果表明:隧道进口段滚石滚落至B点的速度约为45 m/s，滚落至C点的速度约为25 m/s。假设每块滚石的重量达到100 kg时，滚石滚落的总动能最大值达到120 kJ，在BC段上滚动的总动能最大值为80 kJ。处治方案主要在危岩体下设置拦石（水）沟、堆积缓坡设置被动防护网、两隧道洞门上垫层和端墙加厚、两隧道洞门前设置柔性棚洞共4部分防护工程对危岩体进行防护，保证隧道施工及运营安全。     

隧道拱顶大型溶洞回填厚度的研究

拱部溶洞落石会给隧道衬砌带来危害。在冲击荷载的基础上,对隧道拱部溶洞回填厚度进行了研究,通过计算分别得出了溶洞高度为10、15、20 m时护拱的回填厚度,对类似的工程有一定的借鉴意义。