基于能量比例系数的滚石冲击力计算方法研究

滚石冲击力是滚石防护工程设计的重要依据。为此,基于能量守恒原理,引入能量比例系数,考虑滚石冲击角度,提出滚石冲击土体的最大冲击力计算方法。通过物理模型试验,研究了滚石特征参数(质量与尺寸)、动力学参数(冲击速度与角度)及土体性质参数(密度与抗压强度)对能量比例系数的影响,构建能量比例系数无量纲经验公式,建立滚石冲击力计算模型并验证了模型的可靠性。结果表明：能量比例系数与滚石质量、冲击速度、冲击角度呈负相关关系,而与滚石尺寸、土体密度以及抗压强度正相关;提出的基于能量比例系数的滚石冲击力计算模型能够有效预测滚石最大冲击力,且与已有研究中大尺度模型试验结果吻合良好。研究成果可为滚石灾害防治提供理论依据及技术支持。     

水电站高边坡滚石防护计算研究

以宝泉抽水蓄能电站开关站岩质高边坡滚石灾害防治为背景,建立了运动学结合概率统计分析的滚石防护结构计算模型,根据历史滚石遗迹、试验研究及归纳其他国内外工程经验选择了计算剖面和计算参数,分别讨论了拦石墙方案和主动防护及柔性被动防护结合的方案,分析了计算结果。根据计算结果,对该工程建设提出了建议。     

预应力高强混凝土管桩作为柱的冲击力计算方法研究

为探究适用于预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）作为柱的冲击力计算方法,采用落锤冲击试验装置进行了冲击试验,测得了4根PHC管桩试件的冲击力时程曲线,分析了撞击过程中的冲击力变化特点及冲击高度对冲击力峰值的影响。基于试验结果,使用4种冲击力计算方法计算了试验工况,并采用ABAQUS软件进行了仿真分析,比较了各计算方法的结果。研究表明：PHC管桩的冲击力时程曲线可定义为脉冲段、次脉冲段1和次脉冲段2这3个阶段;单、双自由度模型法的冲击力计算值与试验值误差较小,有限元模拟所得冲击力时程曲线与试验值吻合较好,可采用单、双自由度模型法或有限元模拟计算冲击力。     

预测边坡地震稳定性的灰色关联计算实用方法

边坡的地震稳定性影响因素很多，这些因素难以精确确定。根据研究确定的标准边坡样本，用灰色关联分析方法，给出了判别边坡地震稳定性的实用方法和具体计算过程。     

基于开挖过程稳定性的框架预应力锚杆边坡加固计算方法研究

在考虑支挡结构体系对边坡开挖与加固施工过程稳定性影响的条件下,提出基于过程稳定性的框架预应力锚杆边坡加固结构设计、计算方法,并给出开挖全过程中满足稳定性条件的各层锚杆拉力智能优化计算模型,可实现框架预应力锚杆边坡在开挖与加固过程中的稳定性实时动态分析与评价。经实例计算可得出:(1)在预应力锚杆框架梁作用下,边坡稳定性状态随设计参数呈动态变化,采用滑移面动态搜索模型求解边坡最危险滑移面,所得结果相对更为准确、合理;(2)通过引入锚杆拉力高度影响系数,建立各层锚杆布置位置与边坡各个阶段开挖高度之间的关系,可同时求解满足不同开挖阶段稳定性的一组锚杆拉力最优解。结果与工程实际情况相符合,证明该方法的合理性和实用性。     

爆破应力波对边坡预应力锚索的动力影响

岩体边坡爆破振动对高刚度的预应力锚索的破坏事故迫使设计与施工人员予以关注,然而这一问题由于其复杂性与地质条件的随意性使研究的难度大大超出目前常用的经典研究手段与方法的能力范围,应用先进的计算机数值仿真试验技术对不同爆破单响药量、不同岩体阻尼下,距爆区不同距离处不同预应力吨位的预应力锚索的动态响应特性进行探索性研究,得到一些初步量化规律,可借鉴于其他工程设计与施工。     

爆破振动作用下边坡极限平衡分析的等效加速度计算方法

 基于波动理论,研究边坡相同质点振动速度不同爆破振动频率下质点位移、振动加速度及边坡应力状态,结果表明相同质点振动速度下,边坡峰值振动位移与频率成反比、峰值振动加速度与频率成正比,而边坡体应力峰值基本相同,质点振动加速度与边坡体应力状态没有直接的相关性,振动频率越高,位移、加速度及应力峰值沿边坡深度变化越快;综合考虑振动频率、加速度及边坡体应力状态的相互关系,基于边坡体中相同峰值振动速度产生相同的峰值应力,得到由高频爆破振动波加速度向低频振动波加速度的转换方法,提出边坡极限平衡分析法的爆破振动等效加速度计算方法,为边坡施工期爆破动力稳定分析爆破荷载确定提供理论依据。     

对3种著名边坡稳定性计算方法的改进

对 3 种著名边坡稳定性计算方法即 Morgenstern–Price 法、严格 Janbu 法与 Sarma 法进行了实质性的改进,基于这些方法的基本假设,重新推导出更为简洁实用的安全系数计算公式。对于 Morgenstern–Price 法,根据条块力与力矩平衡条件,分别推导出安全系数 Fs与比例系数 λ 的代数表达式(取代了传统的积分或微分表达式),只需简单迭代即可快速得到解答。对于严格 Janbu 法,发现了原始计算格式不收敛的根本原因;通过设定若干个点的推力线位置,采用光滑条间力矩分布,便可使该法稳定收敛。对于 Sarma 法,采用更简明的过程推导出安全系数Fs 的隐式表达式、临界震动影响系数 Kc 及临界加固力系数 Kp 的显式表达式。这 3 种方法改进后,计算过程大为简化,收敛性得到保证,极大地方便了边坡工程技术人员的掌握与应用。     

基于轴比论的椭圆形深凹露天矿稳定性边坡形状确定方法研究

 假设岩体为连续、均质、各向同性的弹性体,承受自重应力和水平地应力联合作用,在对其进行椭圆形喇叭曲面开挖情况下,取椭圆形喇叭曲面边坡上一椭圆岩环作为力学模型,结合轴比论,推导出椭圆形深凹边坡环向应力表达式。借鉴巷道最稳定高宽轴比的确定方法,由莫尔–库仑强度理论,求解边坡安全系数。根据边坡微元体临界下滑条件,确定临界稳定性边坡角,从而得到此时的边坡形状。与传统的稳定性理论确定的边坡形状相比,该边坡形状可在保证边坡稳定的前提下减少巨大的废石剥离量。     

基于矢量和方法的边坡动力稳定性分析

 边坡矢量和方法是基于力的矢量特性和边坡体真实应力场的分析方法,动力有限元法可模拟得到边坡体在天然地震动荷载作用下每一时刻的应力状态,在此基础上采用边坡矢量和法进行动力稳定性分析,可得到边坡体在地震动过程中的安全系数时程曲线,进而对其动力稳定性进行评价。针对一高陡边坡,在静力稳定性分析的基础上,针对软弱结构面控制的深层滑移面采用矢量和法进行动力稳定性分析,计算中考虑小震(50 a超越概率63%)和大震(50 a超越概率2%)作用下的动力响应。计算结果表明,在小震和大震作用下的动力安全系数分别为1.86,1.66。矢量和法能够较真实地模拟边坡在地震动过程中的动力特征和稳定性状态,为边坡动力稳定性分析提供一种切实可行的分析途径。     

基于蒙特卡罗法的崩塌涌浪分析方法

 因目前国内外研究涌浪大多采用确定性的计算方法,忽视参数的随机性。故构建蒙特卡罗法求解崩塌涌浪的基本思想,并引入涌浪计算状态函数。以三峡库区箭穿洞危岩体为例,分析水深、崩塌体入水速度和崩塌体入水体积等随机变量的概率分布,利用蒙特卡罗法分析随机变量的敏感性及涌浪值的概率分布。研究结果显示,箭穿洞危岩体形成涌浪的计算变量敏感性强弱排序为入水速度、入水体积和水深;产生的涌浪值分布符合正态分布,其均值为7.02 m。产生涌浪红色预警区的概率为90.8%,建议对其进行治理,以降低涌浪风险。基于蒙特卡罗法的崩塌涌浪分析方法是今后涌浪研究的重要方向,可以更好地理解涌浪风险,并可用于水库地质灾害风险管理和航道风险管理中。     

冲击地面过程中落石特征参量的理论分析

根据落石与地面碰撞过程中落石加速度、冲击力的曲线特征,利用动量定理推导正面碰撞时法向冲击力的理论计算公式;在假设切向冲击不影响法向冲击的前提下,提出一种新的摩擦力模型,基于该模型推导切向冲击力和切向恢复系数的理论公式。最后研究不同入射速度大小、不同入射角时的碰撞时间、恢复系数和最大冲击力的变化规律,分析结果表明:(1)当入射角一定时,随着入射速度增加,冲击力近似呈线性增加,切向恢复系数逐渐增加,但增加幅度很小,而法向碰撞恢复系数和碰撞时间逐渐减小;(2)当入射速度一定时,随着入射角的增加,法向恢复系数和切向恢复系数均增加,但前者增幅远小于后者,碰撞时间也呈增大趋势,而最大冲击力呈先增加后减小的变化规律;(3)地表覆土厚度与落石半径比值越大,碰撞时间越长,法向恢复系数随之递增,切向恢复系数随之递减,而最大冲击力随之呈上凹型曲线递增。     

都汶公路彻底关大桥桥墩抗滚石冲击防护研究

都(江堰)-汶(川)公路是进出5?12汶川地震极重灾区的生命通道,横跨岷江两岸的彻底关大桥桥墩在5?12汶川地震中被左岸崩落的滚石击中而倒塌,经过恢复重建,新建彻底关大桥于2009年5月12日建成通车。2009年7月25日凌晨4：40左右,岷江右岸高位危岩发生大面积崩塌,巨石再次将彻底关大桥砸毁。经调查,岷江两岸山体存在多处危岩,极有可能再次发生滚石砸毁大桥的灾难性事件。为此,研发一种新型桥墩抗滚石冲击垫层结构,采用非线性有限元对桥墩受滚石撞击过程进行数值模拟研究,考虑滚石撞击过程中材料非线性、几何非线性和接触非线性以及桥墩中的横向箍筋和纵向钢筋的影响,结果表明所采用的垫层防护装置能够有效地缓冲滚石的冲击,大幅度提高桥墩抗滚石冲击的能力,按此思路设计的桥墩防护结构已经竣工3 a,运行效果良好。     

基于岩崩动力作用下的斜坡稳定性研究

基于多刚体运动学理论,从功能转化原理和动量定理出发,分析斜坡体在岩崩动力冲击作用下的稳定性,研究崩滑灾害链串发的极限阈值条件(岩体质心下落倾角与有效落矩),建立成链计算理论。以重庆市李子坝—化龙桥危岩–斜坡系统为例,对该计算理论的正确性进行验证;并将其与传统的小变形计算理论进行对比,结果表明,该计算理论能较好地反映崩滑灾害链的实际情况,且具有较高的计算精度,可为定量研究崩滑灾害链的串发机制提供借鉴和参考。     

基于正交试验的露天矿高陡边坡落石随机预测

随着工程建设的发展,边坡尤其是高陡岩质边坡工程,落石灾害已成为仅次于边坡稳定性的研究课题之一。结合白云鄂博铁矿东矿边坡落石问题,对落石产生的影响因素、落石运动轨迹及落石与坡面的相互作用进行力学分析;采用基于正交试验的反分析方法,认为影响落石最大水平运动距离的主要因素为落石法向和切向恢复系数,并确定相关的落石分析参数;采用概率方法对工程实例的深部开采边坡落石问题进行预测,并按照落石落点空间位置及其动能分布,设计拦截网防护措施的高度及强度。落石参数的正交试验确定方法及基于概率分析的落石预测分析思路等,对于高陡岩质边坡落石灾害分析及防护措施确定具有推广和应用价值。     

基于力平衡求解安全系数的一般条分法

对于一般条块,建立了力平衡方程,导出了条间力递推方程,研究了基于力平衡求解安全系数的一般格式,从而建立了基于力平衡求解安全系数的一般条分法。而基于力平衡求解安全系数的垂直条分法只是它的1个特例。通过分析Sarma法的适用性,根据条块位移的相容关系给出了1个新的条间剪力方程,明确了条间剪力与滑动面几何形状之间的关系,以及条块界面上剪切强度的折减系数随条块和滑动面的几何形状的变化规律。基于新的条间剪力方程可建立条块界面和滑动面上的剪切强度具有不同折减系数的非严格一般条分法。算例分析表明,所给新方法优于Sarma法。应用它能够得到更合理的安全系数值。即使条块形状是变化的,该法也能够给出一致的安全系数值,而且能够保证迭代过程稳定收敛。     

深地下坑道衬砌结构抗局部冲击计算方法研究

 针对深部地下围岩衬砌结构的计算,假设激活的岩块为刚体,衬砌为钢筋混凝土结构,采用刚塑性不可压缩介质模型,用极限分析理论的上限方法,通过建立动力学许可速度场得到钢筋混凝土衬砌结构对岩块冲击的阻力分量。考虑纵向钢筋对震塌和贯穿的影响,根据阻抗曲线的特征,得到具有物理基础的钢筋混凝土结构的临界震塌与贯穿厚度近似计算公式。通过与经验公式的对比,验证该方法的可靠性和实用性。     

考虑弹塑性变形的泥石流大块石冲击力计算

以Hertz接触理论为基础,考虑结构的弹塑性特性,给出泥石流大块石冲击力的计算方法。采用Thornton假设,即材料为理想弹塑性体,对Hertz接触理论进行弹塑性修正,推导考虑材料塑性的接触压力计算公式。为模拟泥石流大块石对构筑物的冲击,将构筑物假设成静止不动的平面,将大块石简化为以某速度运动的质点,建立基于修正Hertz接触理论的计算模型。计算结果表明,泥石流大块石在很小的冲击速度(小于1m/s)下就可能导致混凝土材料冲击接触面上产生塑性变形。考虑结构弹塑性特性后,冲击压力计算结果小于弹性冲击压力,更符合实际情况。     

基于FLAC^3D的改进边坡极限状态确定方法

采用强度折减法求解边坡稳定安全系数时需指定极限状态判定准则，目前的方法仍存在一定的人为因素，计算精度往往依赖于研究者的经验。基于FLAC^3D数值计算方法，研究了岩土体边坡极限状态的确定方法，认为边坡最大节点位移一时步曲线的收敛性与边坡稳定状态密切相关。在此基础上将最大节点位移一时步曲线的收敛性作为极限状态判定准则，采用指定某时步后在规定时步内最大节点位移增量是否一直减小来判断边坡安全状态。此判据克服了以前判定方法需要人为指定容许误差的任意性，计算精度可以根据工程要求来控制，从而得到更加客观、准确的边坡稳定安全系数值。最后，以高速公路强风化岩质边坡为实例进行了计算分析，并与简化Bishop法进行了对比，获得了较为理想的计算结果。