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泥石流冲击下桩林结构对桥墩的防护作用研究

泥石流冲击下桩林结构对桥墩的防护作用研究

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作者：刘辛磊吉林大学

学位级别：硕士

随着我国经济高质量发展,为强化各地区间的交流,各地交通设施建设如火如荼。高速铁路、高速公路等线路工程途径山区沟谷时,由于沟内存在泥石流暴发的可能,线路工程中的桥墩不可避免地受到泥石流冲击而发生损害甚至破坏的风险,威胁线路... 详细信息

随着我国经济高质量发展,为强化各地区间的交流,各地交通设施建设如火如荼。高速铁路、高速公路等线路工程途径山区沟谷时,由于沟内存在泥石流暴发的可能,线路工程中的桥墩不可避免地受到泥石流冲击而发生损害甚至破坏的风险,威胁线路工程的安全和正常通行,因此对桥墩设置防护措施十分重要。桩林结构可作为泥石流沟内桥墩的一种防护设施,但目前尚缺少桩林防护结构设计与施工的相关参考和指导规范。论文在总结已有研究成果的基础上,结合北太行山区某泥石流沟的特性,提出了泥石流沟沿线拟建高铁线路桥墩桩林防护结构设计方法,开展泥石流运动过程数值模拟、桩林结构尺寸数值模拟,并依据桥墩位置处沟道情况建立桥墩遭受泥石流冲击的数值模拟模型,研究了桩林结构防护效果。此外,还讨论了不同因素对桩林结构防护效果的影响。论文主要研究工作及取得的成果如下:(1)通过资料收集、现场调查和计算分析的途径,收集分析了北太行山区某泥石流沟域的环境地质条件,开展泥石流特征调查,计算出流域内的动态物源储量与泥石流运动学特征值,确定了泥石流的类型、活动性及发展趋势。(2)在无人机测量得到的泥石流的数字高程模型的基础上,结合泥石流特征参数,采用Flo-2D软件对泥石流运动过程进行了模拟。结果显示,在100年一遇降雨条件下,该泥石流沟中高速铁路桥墩附近泥石流平均流速为4.0 m/s,最大堆积深度为1.5 m,主沟和支沟泥石流暴发时会冲击桥墩,对其造成影响,因此设置防护结构是必要的。(3)依据泥石流、桥墩参数,采用ABAQUS软件建立含大块石泥石流冲击桥墩模型研究桩林结构的合理布置形式。结果表明,在该实际工程中桩间距3.0m、桩排距1.0 m、桩高3.0 m、后桩与桥墩距离2.0 m的桩林防护结构对桥墩具有最佳防护效果,设置防护结构时桥墩所受泥石流的冲击力峰值、墩底中心点迎流面应力峰值和墩底中心点位移峰值相比于无防护状态下分别减小约57.8%、75.2%和26.2%。(4)讨论了泥石流初始流速和沟道坡度对于桩林结构防护效果的影响。通过ABAQUS软件进行不同泥石流初始速度和沟道坡度下有、无桩林防护结构的泥石流冲击桥墩对比数值模拟。结果显示,当泥石流初始流速增大或沟道坡度增加时,桥墩在设置防护结构下所受冲击力、墩底应力和位移峰值相比于无防护措施时的下降比例逐渐减小,即桩林结构的防护效果下降,对此可在桥墩前加设废弃轮胎等接触式防护装置以加强对桥墩的保护。(5)利用数值模拟研究了含大块石泥石流冲击桥墩的情况,块石数量增加会导致桥墩受多次撞击。结果表明,设置桩林防护结构时桥墩所受冲击力、应力和位移峰值分别下降了62.1%、78.2%和31.0%,桩林结构对于桥墩保护作用显著。在实际工程中可在桥墩前加设柔性防护网等设施避免桩林结构破坏成为冲击桥墩的物源或块石穿越桩林结构冲击桥墩的情况发生。

关键词：泥石流大块石桥墩桩林防护结构数值模拟

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