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落石冲击棚洞结构冲切特性研究

工程地质学报 2023年第1期31卷 199-206页

作者：陈泰江向欣章广成中国地质大学(武汉)工程学院中国武汉430074 中国长江三峡集团有限公司中国武汉430010

落石是一种严重的山区地质灾害,而棚洞作为主要防护落石的工程措施之一,研究落石冲击下棚洞结构动力响应特征具有重要的现实意义。以经典Hertz理论为基础,假设落石为球形刚性体,棚洞结构为梁结构,建立落石冲击力学模型,理论推导得到不... 详细信息

落石是一种严重的山区地质灾害,而棚洞作为主要防护落石的工程措施之一,研究落石冲击下棚洞结构动力响应特征具有重要的现实意义。以经典Hertz理论为基础,假设落石为球形刚性体,棚洞结构为梁结构,建立落石冲击力学模型,理论推导得到不同尺寸落石以不同速度冲击不同厚度砂土垫层材料下棚洞板的最大冲击力计算公式,并得出不同工况下棚洞板被冲切破坏时落石的极限冲切速度,结果表明:总体上,落石对棚洞板的冲击力随垫层厚度增加而减小,但垫层厚度不能无限增加,过厚的垫层自重较大,使棚洞板受力较大,垫层材料厚度在0.5~1.5 m厚之间较为合理;落石尺寸和冲击速度越大,棚洞板受力越大,有限厚度的垫层材料只能承受一定限度的冲击能量,当冲击能量超过垫层材料的极限承受强度时,垫层不再耗散能量;分析棚洞板冲切破坏条件可知,无垫层时,很小的落石冲击速度使棚洞发生破坏,可见,合理的垫层厚度对防治落石具有重要意义。

关键词：落石棚洞冲击力砂土垫层冲切

基于离散元-有限差分耦合的滚石冲击棚洞垫层动力响应研究

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振动与冲击 2021年第19期40卷 246-253页

作者：王东坡刘浩裴向军孙新坡周良坤刘彦辉成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059 四川轻化工大学土木工程学院四川自贡643000 中铁第一勘察设计院集团有限公司西安710043

在棚洞结构顶部覆盖一层砂土缓冲垫层能有效减小滚石对棚洞顶板的冲击力,以往多采用有限元方法开展研究,无法考虑砂土垫层离散特征,研究手段有待改进。以棚洞垫层物理模型试验为原型,考虑砂土颗粒离散性和棚洞混凝土结构的连续性,采用... 详细信息

在棚洞结构顶部覆盖一层砂土缓冲垫层能有效减小滚石对棚洞顶板的冲击力,以往多采用有限元方法开展研究,无法考虑砂土垫层离散特征,研究手段有待改进。以棚洞垫层物理模型试验为原型,考虑砂土颗粒离散性和棚洞混凝土结构的连续性,采用离散元-有限差分耦合算法,其中离散元模拟砂土垫层,有限差分法模拟棚洞混凝土结构,在充分发挥两种模拟方法优势下,开展滚石以不同角度、不同速度冲击棚洞垫层的动力响应数值模拟研究,通过对受冲击棚洞支座反力、棚洞顶板位移、滚石冲击力分析,揭示棚洞结构的动力响应特征。研究结果表明:冲击角度和冲击速度对支座反力影响显著,冲击角度增大,支座反力随之增大。相对而言,在较小冲击角度下,支座反力受冲击角度的影响较大,而较大冲击角度下,冲击速度的影响则更明显;冲击力方面,伴随冲击角度和冲击速度增大,滚石冲击力随之增大,较大冲击角度下,角度的增大对冲击力的提升更加明显;棚洞顶板中心处竖向位移值随冲击角度和冲击速度的增大而显著增大,且在较小冲击角度下,冲击角度对顶板位移的影响更大,而较大冲击角度下,冲击速度的影响更为显著。

关键词：滚石棚洞冲击角度离散元-有限差分耦合

滚石冲击下棚洞破坏动力响应分析及改进对策——以川藏公路(安久拉山南麓)门式棚洞为例

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水文地质工程地质 2019年第6期46卷 57-66页

作者：袁博祝介旺山东建筑大学土木工程学院

位于川藏公路安久拉山南麓的门式防滚石棚洞,在路边高陡边坡滚石冲击下已严重损坏,滚石冲击产生的巨大冲击力导致棚洞纵梁、顶板、梁柱连接处等应力集中部位发生破坏,且滚石冲击后大量堆积在棚顶成为永久荷载。在现场通过卷尺测得棚洞... 详细信息

位于川藏公路安久拉山南麓的门式防滚石棚洞,在路边高陡边坡滚石冲击下已严重损坏,滚石冲击产生的巨大冲击力导致棚洞纵梁、顶板、梁柱连接处等应力集中部位发生破坏,且滚石冲击后大量堆积在棚顶成为永久荷载。在现场通过卷尺测得棚洞结构尺寸,使用测距仪测得棚顶堆积滚石的最大粒径D=1 m,滚石的最大下落高度H=20 m。为解决门式棚洞存在的安全问题,提出在棚顶设置凹槽并在槽内铺设厚度为10~70 cm、向外坡度为6°的橡胶垫层对原结构进行改造。借助LS-DYNA动力有限元软件按实际尺寸分别建立改进前后的棚洞有限元模型,并模拟改进前后棚洞在滚石冲击最不利工况(H=20 m,D=1 m)下棚洞结构的动力响应,通过数值模拟结果的对比来验证改进后棚洞的受力性能,研究结果发现:改进后的棚洞相对于原棚洞,最大等效应力减小72%、棚顶最大挠度减小45%、落石冲击力减小62%、滚石堆积在棚洞顶板的概率显著降低,说明在棚顶设置起坡橡胶垫层的措施可有效解决目前门式棚洞存在的安全问题。

关键词：棚洞滚石动力响应优化改造

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滚石冲击棚洞砂土垫层耗能缓冲机理研究

四川大学学报（工程科学版） 2016年第1期48卷 15-22页

作者：裴向军刘洋王东坡成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059

以实际棚洞结构为原型,采用动力有限元对滚石冲击砂土垫层进行数值仿真计算,分析不同冲击能量下多组砂土垫层厚度组合的动力响应及耗能缓冲机理。结果表明:低冲击能量下,改变砂土垫层厚度对滚石冲击力的影响不大,而高冲击能量下,不同厚... 详细信息

以实际棚洞结构为原型,采用动力有限元对滚石冲击砂土垫层进行数值仿真计算,分析不同冲击能量下多组砂土垫层厚度组合的动力响应及耗能缓冲机理。结果表明:低冲击能量下,改变砂土垫层厚度对滚石冲击力的影响不大,而高冲击能量下,不同厚度砂土垫层的吸能减震效果有显著差异;增大砂土垫层厚度可有效地减弱滚石冲击对棚洞钢筋混凝土顶板造成的变形影响,但同时也会增加结构自重;通过计算,可以得到最优化的垫层厚度,兼顾经济合理性和结构可靠性。研究成果将为滚石多发区棚洞结构砂土垫层的设计提供理论依据。

关键词：滚石冲击棚洞砂土垫层垫层厚度耗能缓冲

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落石冲击下轻型刚性棚洞结构力学响应

现代隧道技术 2019年第S02期56卷 172-178页

作者：孟杰王玉锁王明年刘小刚卢梦园阳超张瑞何锁宋徐铭西南交通大学土木工程学院成都610031 中铁第一勘察设计院集团有限公司西安710043 西南交通大学地球科学与环境工程学院成都611756

为掌握钢架与玻璃钢顶板组成的轻型刚性棚洞在落石冲击下的力学性能和破坏模式,以实际工程中的轻型刚性棚洞结构为原型,利用动力有限元方法,对落石冲击下的轻型刚性棚洞的冲击行为进行研究。为分析不同情况下落石冲击行为的异同,考虑设... 详细信息

为掌握钢架与玻璃钢顶板组成的轻型刚性棚洞在落石冲击下的力学性能和破坏模式,以实际工程中的轻型刚性棚洞结构为原型,利用动力有限元方法,对落石冲击下的轻型刚性棚洞的冲击行为进行研究。为分析不同情况下落石冲击行为的异同,考虑设立4种工况对计算结果进行对比,探讨不同工况对落石冲击下轻型棚洞结构的影响。结果表明:(1)随着落石冲击能量的增加,受冲击部位力学响应更加明显,但其它部位影响较小,说明落石冲击下结构的受力是局部力学响应;(2)在结构自重作用下,就高速铁路隧道限界而言,本次的轻型刚性栅洞的不利受力部位在钢架与纵梁结合部位,其次是玻璃钢顶部。

关键词：隧道洞口落石冲击棚洞动力有限元

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长白山景区棚洞结构设计及安全性研究

现代隧道技术 2021年第2期58卷 151-157页

作者：文旭裴向军裴钻杨海龙陈臻林张以晨成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059 吉林省地质环境监测总站长春130061

长白山南景区地质灾害频发,尤其是景区公路沿线边坡上部的危岩体较为发育,易发生崩塌落石灾害,对过往游客生命财产安全造成威胁。为保证长白山南景区顺利运营,拟修建棚洞对景区鸭绿江大峡谷段公路进行防护。在棚洞设计满足基本防护功能... 详细信息

长白山南景区地质灾害频发,尤其是景区公路沿线边坡上部的危岩体较为发育,易发生崩塌落石灾害,对过往游客生命财产安全造成威胁。为保证长白山南景区顺利运营,拟修建棚洞对景区鸭绿江大峡谷段公路进行防护。在棚洞设计满足基本防护功能的同时融入长白山地区建筑风格的特征,使其与周围环境融为一体。并通过冲击数值模拟验算验证了设计棚洞在危岩体冲击下的稳定性,说明了该棚洞设计方案安全可行。

关键词：棚洞区域文化数值模拟景观设计

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公路明(棚)洞建筑限界确定与灵活运用

隧道建设（中英文） 2021年第S02期41卷 408-412页

作者：王希宝袁松魏记承张生四川省交通勘察设计研究院有限公司四川成都610017

为解决设计人员对明棚洞建筑限界与路基同宽理解不一致的问题,通过对隧道建筑限界和公路建筑限界的横断面组成进行对比分析,根据规范中关于同宽的功能要求,推理得出:独立设置的公路明棚洞建筑限界与路基同宽应理解为车行道宽度与两侧侧... 详细信息

为解决设计人员对明棚洞建筑限界与路基同宽理解不一致的问题,通过对隧道建筑限界和公路建筑限界的横断面组成进行对比分析,根据规范中关于同宽的功能要求,推理得出:独立设置的公路明棚洞建筑限界与路基同宽应理解为车行道宽度与两侧侧向宽度之和同宽,同宽标准应采用公路建筑限界(一般值)与隧道建筑限界(车行道+侧向宽度)两者的较大值。由于需要在洞内布设检修道或人行道,独立设置的明棚洞在满足前述同宽要求时建筑限界基本宽度将等于或大于公路路基宽度而导致明棚洞结构超出路基宽度较多的问题。针对该问题,对检修道或人行道的功能进行分析,分析结果表明:独立设置的明棚洞可考虑将人行道分离设置于结构外侧,从而有效减小明棚洞结构跨度,改善顶梁内力,方便结构基础布置和施工。

关键词：公路明洞棚洞同宽建筑限界

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滚石防护棚洞EPS垫层结构缓冲作用研究

振动与冲击 2014年第4期33卷 199-203,214页

作者：王东坡何思明吴永李新坡中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所成都610041 中国科学院研究生院北京100049

工程实践表明聚氨酯泡沫(EPS)垫层结构对滚石防护棚洞有较好的缓冲作用,但其作用机理,缓冲效果定量评价还有待深度研究。为此,对滚石冲击荷载下铺设土垫层及EPS垫层结构棚洞板的动力响应进行了对比研究。首先通过静力压痕数值试验获取... 详细信息

工程实践表明聚氨酯泡沫(EPS)垫层结构对滚石防护棚洞有较好的缓冲作用,但其作用机理,缓冲效果定量评价还有待深度研究。为此,对滚石冲击荷载下铺设土垫层及EPS垫层结构棚洞板的动力响应进行了对比研究。首先通过静力压痕数值试验获取不同垫层结构与滚石在加卸载条件下的接触力—压痕关系,并将其引入棚洞板的冲击动力控制方程,进而计算滚石冲击荷载下不同垫层结构棚洞板的动力响应,并与动力有限元进行了对比分析,结果表明:理论解与动力有限元结果非常接近,理论方法可用于棚洞动力响应分析;EPS垫层结构缓冲效果显著,可大幅度降低滚石冲击力,且EPS材料密度越小、厚度越大耗能效果越明显。

关键词：滚石棚洞 EPS垫层压痕试验冲击响应

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波纹钢棚洞结构监测规律分析与数值模拟研究

现代隧道技术 2020年第S01期57卷 820-827页

作者：蒋鹤李洪文刘文彤丁文其云南交投集团公路建设有限公司昆明650034 云南省交通投资建设集团有限公司昆明650100 同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

在隧道施工期间实施监控量测,是加强工程安全质量管理,防止重大事故发生的有力措施,还可以科学地指导设计和施工。目前使用新型波纹钢结构作为棚洞支护的工程实例极少,研究其监控量测具有十分重要的实际意义,能够为今后波纹钢棚洞结构... 详细信息

在隧道施工期间实施监控量测,是加强工程安全质量管理,防止重大事故发生的有力措施,还可以科学地指导设计和施工。目前使用新型波纹钢结构作为棚洞支护的工程实例极少,研究其监控量测具有十分重要的实际意义,能够为今后波纹钢棚洞结构的设计与施工积累经验并提供参考。本文以云南省某波纹钢结构棚洞为依托工程,通过对其现场监控量测数据以及建立相应的有限元数值模型的研究分析,发现棚洞两侧拱脚受力相对较大,在设计与施工时应引起重视。同时,将监控量测与数值计算得到的波纹钢应变值进行了对比验证,证明了两项工作的合理性和可靠性。

关键词：公路隧道棚洞波纹钢结构监测数值模拟