危岩落石与土体的相互作用研究

• 作 者: 牛立飞
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 落石 缓冲土层 冲击力 下陷深度 反弹高度

在我国,危岩落石灾害在陡峭的山区发生频繁,经常造成道路交通阻断甚至交通事故,给公路和铁路的建设及运营造成了重大影响,也给山区人民带来了极大的人员伤亡和财产损失。落石触地冲击作用是在落石危害范围内设计棚洞、明洞和被动防护结构的主要依据。然而当前缓冲土层拦截落石的效果并不理想,人员伤亡事件时有发生。因此,开展落石对缓冲土层冲击响应的研究,具有重要的现实意义。本文分析了落石形成的地质条件、诱发落石灾害的因素与落石的运动模式。总结了以往关于危岩落石撞击的研究成果,并且基于简化模型,结合有限元分析软件ABAQUS,模拟了不同重量与高度的落石对不同厚度缓冲土层的冲击情况。通过计算出的冲击力数据,找出了相关因素对落石冲击力影响的规律,研究了落石冲击力的传播和土层的缓冲机理,并提出了更加符合实际的冲击力计算方法。将新算法与现行冲击力计算方法进行比较,验证了实用性。此外,模拟了落石的碰撞弹跳运动,分析了落石碰撞后的下陷及弹跳过程。并分别以土体黏聚力、土体弹性模量与土体厚度为变量,分析其对落石陷入土层深度、弹跳高度以及冲击力的影响,得到其与落石下陷深度、弹跳情况及冲击力的关系。分析可知,土体黏聚力增大,则落石陷入土体的深度呈指数式衰减趋势,而反弹高度却线性增大；土体弹性模量增大,则落石陷入土体的深度随之线性减小,反弹高度也指数式衰减；土体厚度对落石的下陷深度影响不大,而与落石反弹高度呈倒数式相关。综上,落石的反弹高度受土体的黏聚力、弹性模量与厚度的影响较大,而落石下陷深度受土体黏聚力的影响较大。此外,土体的黏聚力和弹性模量都会对落石冲击力产生影响。随着黏聚力增大,落石冲击力也线性增大；弹性模量增大,落石冲击力随之指数式增大。由于黏聚力和土体厚度对落石弹跳的影响更大,所以在铺设缓冲土层时,土体的黏聚力不宜过大,土体厚度不宜太小,合理的土体厚度值仍需根据现场需要确定。