基于落石棚洞冲击试验的落石冲击力研究

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。     

轴向中空壁管抗冲击性能试验研究与数值分析∗

轴向中空壁管作为一种新型结构壁管,几何构型简单、空间利用率高、且能量耗散性好,近年来在市政工程中得到广泛应用。为研究轴向中空壁管在低速冲击作用下的力学响应和耗能特性,设计了 20 个试验工况,以落锤冲击试验模拟施工过程中受到的落石冲击和机械撞击作用,基于量纲分析法提出冲击力峰值的计算方法,通过有限元软件 ABAQUS 对试验结果进行验证,并根据有限元计算结果分析管道在低速冲击作用下的变形特性和损伤机理。研究表明：数值分析结果与试验结果吻合较好,冲击力时程曲线趋势基本一致,冲击力峰值误差在 5% 以内。 轴向中空壁管具有良好的抗冲击性能,其双壁中空结构具有较好的能量耗散性,落锤与管道接触瞬间会产生较大的冲击力,12.9 kg 的落锤从 2 m 处自由下落冲击管道可产生 15.28 kN 的冲击力。对比 20 个试验工况的冲击力峰值试验值与计算值,误差均较小,最大误差为 5.8%,即冲击力峰值计算方法准确性较高。随着落锤高度和质量的增加,冲击力峰值增大,损伤区域和凹痕深度也随之增大,最大塑性应变由外壁内侧转移到外壁与加劲肋的连接处, 呈现出外壁损伤和加劲肋损伤两种损伤模式。提出的冲击力峰值计算方法和管道塑性损伤规律可以为施工过程中轴向中空壁管在落石冲击和机械撞击作用下的安全评价提供理论依据。     

高速远程滑坡沿程速度演化与冲击力分布研究——以三溪村滑坡为例

滑坡的运动速度是研究其致灾机制的关键因素,滑坡对建筑物的冲击力是评判其致灾强度的重要指标。对于灾难性高位远程滑坡而言,速度和冲击力是导致建筑损坏和人员伤亡的关键因素,由于灾难性滑坡的突发性、隐蔽性,以及目前现场监测技术的局限性,对其运动速度和冲击力的实时监测存在较大的难度。本文以三溪村为例,利用三维离散元软件PFC,结合无侧限单轴压缩试验进行参数标定,模拟三溪村滑坡启动、下滑、堆积和冲击山区房屋的整个过程。研究结果表明：（1）受地形影响,前缘右侧、中部、左侧岩土体峰值速度存在差异,中部岩土体呈现最大的峰值速度;（2）前缘右侧岩土体滑坡初始阶段呈现最大的加速度,前缘左侧岩土体减速阶段呈现最大的加速度;（3）滑坡冲击力时程关系呈现为单峰特征,冲击过程可划分为动态冲击阶段和准静态堆积阶段,且峰值冲击力与房屋距滑源区距离成反比。在三溪村滑坡的堆积阶段,山区房屋主要承受滑坡岩土体的静态堆积作用。建立的冲击力-时程演化关系、峰值冲击力-运程分布关系和峰值冲击力-速度的关系,可为山区建筑防灾减灾治理工程提供参考。     

泥石流浆体冲击拦砂坝荷载计算的实验研究*

泥石流冲击力大小是泥石流灾害防治工程设计最重要的参数之一,但到目前为止,泥石流对拦砂坝的冲击力计算还存在很大争议。本文通过在拦砂坝上安装冲击力传感器测量冲击力值,详细分析不同容重泥石流,不同沟道坡度及不同拦砂坝迎水面倾角等因素下泥石流对拦砂坝坝体的冲击作用。研究表明,影响泥石流浆体冲击力大小的主要因素有泥石流容重、沟床坡度和泥石流流速;在沟道坡度和泥石流总量相同时,泥石流浆体冲击力大小随泥石流容重的增加而降低;在泥石流容重不变时,随沟道坡度的增加而增加;泥石流容重和沟道坡度的影响主要反映到泥石流流速的变化中,推导出新的泥石流浆体冲击力大小计算公式;该公式表明,泥石流浆体冲击力大小同泥石流表面流速呈正比例关系,而比例系数因泥石流容重的不同而不同。分析比较了新公式同原有公式的差异,并举例说明了新计算公式的实用价值,为泥石流防治工程设计提供技术支撑。     

颗粒流冲击力研究现状及讨论∗

颗粒流包括滑坡、泥石流、碎屑流、雪崩等,通常对桥梁、公路、居民区具有较大危害。分析了颗粒流的运动过程及其侵蚀、堆积和爬高等特性;此外,对颗粒流冲击力计算模型及其野外观测结果进行阐述。结果表明:现有冲击力计算模型认为冲击力在结构全断面呈均匀分布,忽略了颗粒流的运动特性对冲击力的影响;大块石冲击力计算忽略了颗粒破碎和浆体垫层效应对冲击力的影响,造成巨大的计算误差;由于传统传感器的缺陷,现有野外观测结果也存在较大误差。对此本文提出野外观测需要通过引入或开发新式压力传感器以得到更准确的颗粒流冲击力大小及其分布形式,从而更精确的修正理论模型;理论计算模型研究工作需要考虑颗粒流浆体的垫层效应、流体与基底的相互作用及块石冲击破碎等对流体冲击力的影响,从而推导出更准确的冲击力计算模型,指导工程实际。     

基于弹塑性理论的溃坝尾矿砂下泄冲击力研究∗

为确定溃坝尾矿砂下泄冲击力,以弹塑性力学为基础,从微粒弹性碰撞入手,建立单尾矿砂微粒的冲击模型,并扩展至团聚尾矿砂的冲击力求解模型,推导出均匀级配、固液耦合的冲击力计算公式。结果表明:单尾矿砂微粒可通过弹性力学理论描述碰撞过程、求解碰撞力和碰撞时间;尾矿砂团聚微粒的碰撞模型的构建应考虑液相的粘聚力、颗粒间的接触和局部力系向空间转化三个方面;冲击速度、平均粒径和含沙量对冲击力的影响均呈幂函数型增加,干密度呈线性增加,相同边界条件下,冲击速度的改变对冲击力的影响最大,平均粒径和含沙量次之,干密度影响最小,该结果代表了尾矿砂所特有的细颗粒、级配均匀所展现的特征,为尾矿砂下泄冲击计算提供理论依据。     

贵州水城高速远程滑坡运动过程及动力参数分析∗

高速远程滑坡的运动速度、厚度和致灾能量在时程、运程上的分布是揭示灾难性滑坡致灾的重要指标。水城滑坡是近年来降雨诱发的典型隐蔽性、突发性高速远程滑坡,利用 Massflow 模型以上述多个指标参数为研究核心揭示其致灾特征。研究结果表明：滑坡运动的基底摩擦角和孔隙水压力系数分别为 20°和 0.4;滑坡历时约 60 s,最大前缘运动速度为 42 m/s,左右两侧前缘滑坡体堆积厚度分布分别呈现“双峰”和“单峰”特征,最大堆积厚度为 22 m;左右主滑方向上的最大动能分别为 1.75×10⁶ J 和 8.5×10⁵ J;房屋建筑区用时 8 s 完全被掩埋,建筑物监测点处最大冲击力估算值分别为 3 346 kPa 和 1 049 kPa,远大于山区农村房屋建筑所能承受的荷载极值。研究成果为灾难性高速远程滑坡碎屑流的动力学效应分析提供参考,对滑坡灾变风险的定量评估提供了依据。     

基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器研究∗

沙尘暴是一种多发于沙漠等干旱地区的灾害天气，建（构）筑物常受其影响被侵蚀甚至产生破坏，这种破坏的本质是风沙两相流中沙粒对结构表面冲击产生细微损伤的积累。为了深入探索这种风沙两相流对结构的冲击作用和沙粒冲击力在结构表面的分布规律，研究了采用压电纤维复合材料作为力传感器来测量风沙流场中沙粒冲击力的方法，通过标定试验建立了压电传感器所受沙粒冲击力与其输出电信号之间的数学模型，构建了基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器。分别采用高频测力天平和压电传感器测量低矮房屋迎风面在风沙风洞试验中所受到的沙粒冲击力，验证压电传感器测量沙粒冲击力的适用性和准确性。结果显示：两种测力方式的结果总体相差在-4.72%~5.80%，两种试验结果吻合良好；建筑物迎风面内侧所受到的沙粒冲击力大于外侧所受到的沙粒冲击力，沙粒冲击力的分布与表面风压力分布具有一定相关关系。研究成果可为结构防风沙灾害的相关研究提供参考。     

刚性土箱中砂土对地震动传播规律的振动台试验研究

文中设计了一个装有砂土的刚性土箱,通过振动台试验研究地震动在砂土中的传播规律。土箱尺寸为2.2 m×2.2 m,砂土厚度2.0 m,将土箱底部刚接到振动台台面上,采用3条频率特性不同的地震动作为激励,采集振动台台面和不同土层深度处沿3个方向的加速度时程,通过时域分析、频率分析以及短时傅里叶分析,研究激震方向与非激震方向不同深度土层对地震动的影响规律。结果表明：随着白噪声加载次数的增加,土体的一阶频率逐渐上升并趋于稳定;在激震方向,土体会放大地震动的峰值加速度,滤除地震动高频成分;在非激震方向,土体由下到上加速度峰值先缩小后放大,地表处的加速度峰值最大。     

利用冲击力信号判断泥石流颗粒垂向分选的试验研究

分别提出根据冲击力数据的波动强度和峰值情况进行泥石流颗粒垂向分选研究的系统方法,并配置了三组不同容重(2 095 kg/m3、2 008 kg/m3和1 960 kg/m3)的粘性泥石流样品开展泥石流冲击试验。两种方法的分析结果基本一致,即容重为2 095 kg/m3的泥石流分选不明显,其他两组泥石流呈现出正粒序分布且容重越小分选越显著。量纲分析表明,开展的试验粘滞力在运动中起主导作用,颗粒之间作用力较小,不容易发生反粒序分选,这与通过冲击力分析颗粒垂向分选的结果一致,因此提出的利用冲击力信号判断泥石流颗粒垂向分选的系统方法具有适用性。     

不同温度下约束钢梁的落锤冲击响应分析

研究不同温度和冲击荷载作用下约束钢梁的动力响应问题。利用通用非线性有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA,分别模拟了两端固支、一端固支一端轴向弹簧约束的钢梁在不同温度下受到落锤冲击时的动力响应。在温度荷载和冲击荷载联合作用下,分析了位移响应、撞击力时程曲线及冲量等的温度效应。通过撞击力时程曲线分析得出最大撞击力随温度的变化趋势与欧洲规范EC3给出的不同温度下的钢材的屈服强度折减系数的变化趋势相似,钢梁跨中的横向位移随着温度的升高而增加。还分析了高温和冲击荷载联合作用下落锤的撞击速度、不同的质量—速度组合、横向加劲肋对钢梁的变形的影响。     

云南粉土的动力特性试验研究

粉土是一种具有特殊工程性质的土,由粉土液化引起的工程震陷造成的危害极大。根据云南粉土的室内共振柱试验,得到了归一化处理后的G/Gm ax~γ/rγ和D~γ曲线,并运用修正后的双曲线模型进行了拟合分析。根据室内振动三轴试验,得出不同固结比和不同固结压力下的土的动强度与振动次数的试验曲线,发现动强度与破坏振次间符合较好的乘幂关系,动强度与固结比之间符合较好的二次抛物线关系;分析不同围压下孔压与破坏振次的试验曲线规律,发现可以用指数函数进行拟合。结果可供该类土的动力特性研究参考。     

预设V形缺口的单向拉伸岩样变形-开裂过程模拟——基于连续-非连续方法

利用自主开发的连续-非连续方法,通过在岩样左、右两侧预设V形缺口,开展了拉伸位移控制加载条件下岩样变形-开裂过程的数值模拟研究。研究发现:在节点分离前,最大主应力集中于V形缺口尖端附近;在节点分离后,最大主应力集中于裂缝尖端附近;岩样中节点分离是由外及里逐渐发生;由于岩样内部一定尺寸弹性核心的存在,即使岩样发生少许节点分离,岩样承载能力也不会下降,但刚度会劣化;在节点分离不久,分离节点的法向张开度和法向力均呈现一定的非线性,这可能与分离节点周围单元应力分布不均匀和未考虑切向力等因素有关;网格加密后,V形缺口的尺寸相应降低,这导致载荷-位移曲线的峰值提升,该曲线的峰前和峰后部分变陡;分离节点的法向张开度和法向黏聚力随时间的演变曲线几乎不存在网格依赖性。对文中的多种数值结果的正确性进行了检验。     

粉土动力特性研究综述

粉土是一种具有特殊工程性质的土,粉土中砂粒、粉粒、粘粒都存在,这3种粒种分别具有不同的性质。总结这3种粒种对粉土动模量和阻尼的影响,得到了粉土模量阻尼的表达式以及粉土动力特性符合土体非线性和滞后性的一般规律。液化是一种特殊的强度问题,国内外预测液化可能性的方法主要有经验法、剪切波速法、Seed法、有限元法等。室内研究主要集中在粉土动力特性试验研究上,研究了各种因素影响下粉土液化特性,包括3种不同的粒种对粉土液化特性的影响,尤其是粘粒含量影响下粉土液化特性。粉土的动孔压响应与砂土有很大区别,这也可以用粉土特殊的颗粒结构组成来分析。最后,分析了粉土液化机理,并对粉土进一步研究提出了几点看法。     

合肥盾构地表沉降和土压力变化模型试验

盾构开挖穿越不同性质的土体时,地表沉降规律和土压力变化规律均会发生改变。以合肥地铁盾构施工为背景,采用合肥地区典型砂土和黏工作为试验材料进行模型试验,探究盾构开挖情况下两种土质的地表沉降和土压力变化规律。结果表明:与黏土相比,砂土对开挖扰动更加敏感。开挖后砂土的沉降和土压力变化较快,土体在更短的时间内恢复稳定,同时砂土模型中相邻沉降测点测得的沉降值相差较大,最终的沉降槽起伏明显。而黏土的沉降和土压力变化较慢,最终的沉降槽较平缓。对两种土质还均有如下试验结果:开挖阶段的沉降值占总沉降值的比例基本相同,四个阶段中土压力减小速度和沉降速度呈现相似的规律,最大沉降值出现在先开挖侧而最大沉降速度出现在后开挖侧。     

基于较大块石分布位置的土石混合边坡稳定性研究∗

为了准确分析土石混合边坡的稳定性,克服传统有限元和颗粒流程序在分析土石混合边坡稳定性上的不足,提出一种基于原始土石混合边坡的图像识别和块石随机生成技术,运用此技术生成土石混合边坡模型,模型中较大块石的尺寸范围为0.1～0.3倍坡高,并采用强度折减法对5种不同较大块石分布位置的土石混合边坡的稳定性进行了分析研究。结果表明:不同的较大块石分布位置对土石混合边坡稳定性的影响较大,影响的大小关系为:坡脚坡面坡顶坡内坡后均质土坡;在同一较大块石分布类型下,不同的块石随机位置及排列方式对土石混合边坡的塑性扩展模式有着较大影响。研究结果可为土石混合边坡的设计及施工提供参考依据。     

基于光纤光栅的地基土瞬态应变响应试验研究

为掌握冲击荷载下一定范围内地基土的应变发展、分布和变化规律,采用光纤布拉格光栅(FBG)技术,通过在级配连续的均匀密砂地基中水平埋设三层传感光纤,获得了不同落球高度条件下土体内部应变的动态响应。试验结果表明,各组试验中土体应变经历了幂律增长、线性增长、幂律减小(回弹)和残余应变(稳定)的四个阶段。土体达到峰值应变的时刻存在高度一致性,试验中测得约为100 ms;冲击荷载的影响深度在20 cm左右,为钢球直径的4~5倍。在相同FBG埋深条件下,土体应变随钢球落高增加呈近线性增长;在相同钢球落高条件下,土体应变随FBG埋深增加呈指数减小。研究成果对揭示土体应变发展机理、估算地基土体强度参数和快速测定含水率的进一步探索具有一定的指导意义。     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

地下水位降低将导致非饱和土体中净平均应力和基质吸力发生变化,从而引起土体体积变化。针对重塑非饱和砂土、粉土、黏土和软土,结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了土体在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比的关系;运用固结曲线分析了土体在经受净平均应力下的变形特性。基于试验结果,根据Fredlund弹性体变本构模型估算了不同的地下水位降低情况时非饱和土区域的沉降量。结果表明,在总沉降量中非饱和土区域的沉降量是不可忽略的,随着地下水位的降低,非饱和土区域的沉降量在总沉降量中所占比例逐渐增大。     

堤基非稳定水压力传递滞后效应研究

洪水灾害过程中,堤防上游水头快速变化,作用在堤基土体上的水压力是非稳定的。选取常见的堤基砂土作为试验材料,利用自行设计的试验装置,研究洪水灾害时非稳定水头条件下,堤基无黏性土渗径长度、孔隙比、渗透系数以及颗粒粒径等因素对水压力传递滞后效应的影响规律。研究结果表明:土体颗粒粒径越大水压力传递滞后效应越弱,直径>2 mm的细砾土中水压力传递滞后效应基本可以忽略;上游水头水力梯度提升的越快,下游水压力启动和稳定滞后时间越短,但下游水压力恢复滞后时间越长;水压力传递滞后时间与土体孔隙比呈反比关系;下游水压力启动和稳定滞后时间与渗透系数呈对数关系。