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落石冲击力评定的离散元颗粒流数值模拟

西南交通大学学报 2016年第1期51卷 22-29页

作者：王玉锁李俊杰李正辉冯高飞吴浩何俊男西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都610031

为使落石冲击力评定更合理、有效，以离散元模型（DEM）为理论基础，利用颗粒流（PFC）单元法研究垂直下落条件下落石对结构的冲击力，分析了落石高度、重力及回填土厚度对冲击力的影响规律．将PFC数值模拟结果与其他几种落石冲击力计... 详细信息

为使落石冲击力评定更合理、有效，以离散元模型（DEM）为理论基础，利用颗粒流（PFC）单元法研究垂直下落条件下落石对结构的冲击力，分析了落石高度、重力及回填土厚度对冲击力的影响规律．将PFC数值模拟结果与其他几种落石冲击力计算方法所得结果进行比较，结果表明：落石冲击力与落石高度及重力均呈明显的线性关系，落石冲击力随落石高度线性变化幅度与落石重力有关，而落石冲击力随落石重力线性变化幅度与回填土厚度有关；回填土厚度为0．6m时的冲击力比无回填土时减小50％～60％，回填土厚度大于2．0m时，缓冲幅度趋于稳定，说明回填土厚度有一个合理范围，超出时，结构总荷载会增大；离散元颗粒流数值模拟方法通过阻尼设置来模拟空气在落石下落过程中产生的作用，使得在评定大体积落石从较高高度下落时产生的冲击力更加合理．

关键词：落石冲击力回填土离散元模型(DEM) 颗粒流(PFC)

对《公路隧道设计细则》(JTG D70—2010)落石冲击力计算部分条文的修改意见

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现代隧道技术 2023年第3期60卷 65-73页

作者：黎良仆袁松廖沛源王希宝四川省交通勘察设计研究院有限公司成都610031 西南交通大学成都610031

落石冲击力由于其研究难度大,一直是业内难以解决的难题。现行《公路隧道设计细则》(JTG D70—2010)中对落石冲击力计算的规定存在一些问题,没有得到及时发现与修正,国内众多学者和设计人员认为其计算结果严重失真,致使细则指导意义不... 详细信息

落石冲击力由于其研究难度大,一直是业内难以解决的难题。现行《公路隧道设计细则》(JTG D70—2010)中对落石冲击力计算的规定存在一些问题,没有得到及时发现与修正,国内众多学者和设计人员认为其计算结果严重失真,致使细则指导意义不强。鉴于此,针对落石冲击结构物接触力与响应力的区别,落石冲击荷载作用范围、结构计算长度、最不利设防对象等细则没有明确规定的问题进行分析与探讨,并提出相应修改意见,建议在下一版细则修订时,使其更加完善,从而更好地用来指导明洞与棚洞结构计算与设计。

关键词：公路隧道明洞棚洞落石冲击力响应力设防对象

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落石冲击力的扩散机制

落石冲击力的扩散机制

作者：姚昌银重庆交通大学

学位级别：硕士

落石冲击力作为落石被动防护结构的主要设计荷载。落石防护结构上往往会有一层厚厚的缓冲材料,缓冲材料的厚度在一定程度上会影响落石冲击力的大小,落石冲击力通过垫层的扩散作用传递到防护结构上,因此,冲击力在垫层中的扩散对于防护结... 详细信息

落石冲击力作为落石被动防护结构的主要设计荷载。落石防护结构上往往会有一层厚厚的缓冲材料,缓冲材料的厚度在一定程度上会影响落石冲击力的大小,落石冲击力通过垫层的扩散作用传递到防护结构上,因此,冲击力在垫层中的扩散对于防护结构的设计起着至关重要的作用。而目前对落石冲击力的扩散机制研究相对较少,基于此,本文在国家自然科学基金(51408084)的资助下,通过模型试验,研究了落石形状、碎石土垫层、压实度以及垫层厚度对落石冲击扩散作用的影响,并通过PFC离散元程序中颗粒间力链的变化,揭示了不同冲击条件下的落石冲击力扩散机制、落石冲击力的扩散范围以及扩散角,本文的主要研究结果如下:(1)本文通过模型试验研究了落石形状对冲击力扩散的影响,将球体落石与垫层接触定义为曲面接触,将块体、柱体以及方体落石与垫层接触形式定义为平面接触。其中,球体落石对防护结构的冲击作用最弱,冲击力扩散范围最大。结果表明曲面接触冲击力更易发散;落石与垫层为平面接触时,冲击力相对集中。对于2kg落石,平面接触板中点处加速度为曲面接触作用时的1.12.34倍。(2)分析了垫层碎石含量对落石冲击力和扩散范围的影响。研究表明垫层的碎石含量对落石冲击力影响较大,随着碎石含量的增加落石冲击力越大;但垫层碎石含量对落石冲击力的扩散影响较小。碎石含量在50%以下时,冲击力增幅均在50%以下;当碎石含量为75%时,冲击力增幅介于80%10%之间。不同质量落石从3m高度下落时,碎石土垫层板中点处加速度为土垫层的1.04.52倍。(3)分析了垫层密实度对落石冲击力及其扩散范围的影响,表明垫层密实度对落石冲击力的扩散有较大影响,当密实度较小时,落石冲击力出现应力集中现象,反之出现应力扩散现象。当落石下落高度为1m且采用35.7kg砝码进行压实时,混凝土板中点处加速度值为自然堆积的1.13.37倍;当采用71.4kg砝码进行压实时,混凝土板中点处加速度值为自然堆积的1.25.49倍。(4)分析了垫层厚度对落石冲击力及其扩散范围的影响,发现垫层厚度对落石冲击力的扩散范围有显著影响,垫层厚度越大,落石冲击力的扩散范围越广。当垫层厚度刚开始增加时,落石冲击力的扩散范围增长明显,但随着厚度的不断增加,冲击力扩散范围增长不明显,且对落石冲击力的缓冲效果没有垫层厚度刚开始增加时那么明显。(5)分析了落石半径、岩性和下落高度对落石冲击力和扩散范围的影响。研究结果表明落石半径与落石下落高度对落石冲击力及冲击力的扩散影响均较大,而岩性对落石冲击力及冲击力的扩散影响均较小。随着下落高度和半径的增加,落石冲击力及冲击力的扩散范围都增加。(6)分析了冲击能量相同时,随着落石冲击角度增加,落石冲击力也逐渐增大。正碰时落石冲击力的扩散范围最大,斜碰时扩散方向与冲击力作用方向一致,且斜碰时落石冲击力扩散范围变化较小。当冲击角度为45°时,冲击力的扩散范围为30°的1.01倍;当冲击角度为60°时,冲击力的扩散范围为30°的1.02倍;当冲击角度为75°时,冲击力的扩散范围为30°的1.06倍;当冲击角度为90°时,冲击力的扩散范围为30°的1.77倍。(7)通过数值模拟获得了落石冲击力扩散角的变化范围。PFC2D模拟结果显示,冲击力扩散角介于26°3°之间,呈现出在相同冲击条件下,冲击作用越强,扩散角越大;而不同厚度垫层落石冲击力的扩散角均在36°波动。

关键词：落石冲击力扩散机制模型试验离散元扩散角

落石冲击力及冲击效应评定的离散元颗粒流数值模拟研究

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落石冲击力及冲击效应评定的离散元颗粒流数值模拟研究

作者：李俊杰西南交通大学

学位级别：硕士

落石冲击力对于隧道棚洞结构等被动防护结构设计以及结构安全具有重要的影响,但是冲击力影响因素较多,难于精确计算,目前隧道棚洞结构等被动防护结构可靠性设计方法中没有考虑落石冲击力的影响。本文对落石冲击力计算方法以及冲击效应... 详细信息

落石冲击力对于隧道棚洞结构等被动防护结构设计以及结构安全具有重要的影响,但是冲击力影响因素较多,难于精确计算,目前隧道棚洞结构等被动防护结构可靠性设计方法中没有考虑落石冲击力的影响。本文对落石冲击力计算方法以及冲击效应展开研究。主要研究内容及成果如下：(1)落石冲击力评定①利用离散元颗粒流数值模拟方法对防落石棚洞结构进行建模、计算和分析。针对落石下落高度、重量、坡面坡度和回填土厚度对落石冲击力的影响规律展开研究,其中重点研究回填土厚度对于隧道棚洞结构等被动防护结构落石冲击力的影响规律。②通过与国内外落石冲击力计算方法的结果进行对比和分析,分析了各种计算方法的计算原理,同时还对本次数值模拟落石冲击力计算结果的合理性进行了评定,并在此基础上给出了回填土合理厚度的建议值。③通过查找国内外相关文献和工程实例信息,了解并掌握目前国内外落石冲击力的计算方法的原理、考虑因素;对落石冲击力计算结果进行数据处理,通过数据拟合、多元线性回归等方法,拟合出落石冲击力计算公式。(2)落石冲击效应研究利用离散元颗粒流数值模拟方法建立防落石棚洞结构模型,记录并提取棚洞结构顶板、纵梁、立柱和基础等部件不同部位的应力,绘制应力-时程曲线,分析棚洞结构在落石冲击作用下的动态响应,为棚洞结构设计提供设计依据。

关键词：落石冲击力回填土离散元模型颗粒流棚洞结构冲击效应

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基于落石棚洞冲击试验的落石冲击力研究

防灾减灾工程学报 2018年第6期38卷 973-979页

作者：王林峰刘丽唐芬唐红梅重庆交通大学山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室

基于落石棚洞冲击试验,考虑不同落石重量、高度和冲击角度对落石冲击力的影响,分析了落石冲击力在这三个因素影响下的变化规律,发现落石高度与棚洞顶板倾角共同变化时,随着落石高度的增加和棚洞顶板倾角的减小落石冲击力增大,增大幅度达... 详细信息

基于落石棚洞冲击试验,考虑不同落石重量、高度和冲击角度对落石冲击力的影响,分析了落石冲击力在这三个因素影响下的变化规律,发现落石高度与棚洞顶板倾角共同变化时,随着落石高度的增加和棚洞顶板倾角的减小落石冲击力增大,增大幅度达80.02%;落石高度与重量共同变化时,当落石重量较小,落石冲击力随着落石高度增加后的变化幅度较小,反之较大,最大值较最小值的增大幅度达182.10%;棚洞顶板倾角和落石重量共同变化时,落石重量比棚洞顶板倾角对落石冲击力的影响大,增大幅度达48.99%。然后基于正交试验分析发现落石重量是影响落石冲击力最重要的因素,其次为落石高度,最后为棚洞顶板倾角。最后通过回归分析获得了棚洞落石冲击力计算公式,并通过方差分析证明了棚洞落石冲击力计算公式与各因素间的回归关系高度显著,因此该公式可用于落石棚洞设计时冲击力的计算。

关键词：落石棚洞落石冲击力正交试验方差分析冲击试验

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框架型棚洞承受落石冲击力的模型试验研究

公路交通科技 2017年第3期34卷 94-100页

作者：罗福君周晓军刘建国汪精河姜波西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031

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... 详细信息

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。

关键词：隧道工程框架型棚洞模型试验落石冲击力缓冲垫层

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基于离散元方法的落石冲击力变化规律研究

铁道建筑 2017年第6期57卷 101-105页

作者：王林峰姚昌银邹政宋男男杨培丰重庆交通大学岩土工程研究所重庆400074

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... 详细信息

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。

关键词：线路工程棚洞落石冲击力数值计算 PFC 2D离散元冲击能量回弹加速度

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铁路隧道进出口段落石冲击力计算分析

铁道工程学报 2012年第5期29卷 35-39页

作者：陈世刚中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063

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... 详细信息

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。

关键词：铁路隧道崩坍落石落石冲击力

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落石冲击力理论与数值模拟研究

土木工程 2019年第2期8卷 295-301页

作者：刘雨赵鹏谢凌志黎良仆四川大学建筑与环境学院四川成都深地科学与工程教育部重点实验室四川成都四川大学新能源与低碳技术研究院四川成都四川省交通运输厅交通勘察设计院四川成都

落石冲击力是棚洞结构设计时需要考虑的主要荷载之一。运用LS-DYNA数值模拟二十六面体落石冲击混凝土棚洞结构,并将数值结果与现有的落石冲击力理论计算方法的结果对比分析,结果表明:国内推荐使用的落石冲击力计算方法严重偏小,日本公... 详细信息

落石冲击力是棚洞结构设计时需要考虑的主要荷载之一。运用LS-DYNA数值模拟二十六面体落石冲击混凝土棚洞结构,并将数值结果与现有的落石冲击力理论计算方法的结果对比分析,结果表明:国内推荐使用的落石冲击力计算方法严重偏小,日本公式计算结果最大。各个理论计算方法的结果相差巨大,为保证棚洞结构的偏安全设计,建议使用日本公式计算落石冲击力。

关键词：落石冲击力理论计算数值模拟棚洞结构