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。     

大理岩球砾法向碰撞恢复系数及损伤破碎试验研究

落石与边坡的碰撞过程是准确模拟落石运动轨迹的关键。为了揭示碰撞中法向恢复系数复杂的尺寸效应和速度效应以及可能出现的损伤破碎现象,基于自行设计的试验装置开展大理岩球砾与板法向碰撞的室内试验。研究发现大理岩球砾存在3种损伤破碎模式:无宏观裂纹模式、有宏观裂纹模式和劈裂破坏模式,并且速度较高时,宏观裂纹的出现作为一种新的能耗机制使法向恢复系数显著降低;试验测得的法向恢复系数随速度的增加而减小,随尺寸的减小而降低,并且其速度效应同时受尺寸的影响;接触应力割线变化率与法向恢复系数具有良好的相关性,能够同时描述法向恢复系数的速度效应和尺寸效应;另外,通过黏弹性接触模型,法向恢复系数随直径减小而降低的尺寸效应得到证实。     

滚石坡面碰撞破裂效应的试验研究

采用自主研发的滚石碰撞系统,试验研究滚石力学性质、碰撞速度、入射角度和滚石尺寸等因素耦合作用下的滚石坡面碰撞破裂机制,探讨碰撞破裂对滚石运动特征的影响。结果表明:滚石力学性质和碰撞速度是控制滚石碰撞破裂的主要因素,滚石力学性质越差,碰撞速度越大,滚石碰撞越破碎。滚石破裂存在法向速度阈值,随着力学性质的劣化,破裂法向速度阈值减小。碰撞入射角对滚石碰撞破裂及能量恢复系数影响较大;碰撞破裂不但会引起滚石总的能量恢复系数略有减小,而且会造成个别碎块具有较大速度,对防护结构构成不利影响。     

滚石坡面碰撞破裂效应的试验研究EI北大核心CSCD

采用自主研发的滚石碰撞系统,试验研究滚石力学性质、碰撞速度、入射角度和滚石尺寸等因素耦合作用下的滚石坡面碰撞破裂机制,探讨碰撞破裂对滚石运动特征的影响。结果表明:滚石力学性质和碰撞速度是控制滚石碰撞破裂的主要因素,滚石力学性质越差,碰撞速度越大,滚石碰撞越破碎。滚石破裂存在法向速度阈值,随着力学性质的劣化,破裂法向速度阈值减小。碰撞入射角对滚石碰撞破裂及能量恢复系数影响较大;碰撞破裂不但会引起滚石总的能量恢复系数略有减小,而且会造成个别碎块具有较大速度,对防护结构构成不利影响。     

花岗岩球砾法向恢复系数试验研究

 法向恢复系数是岩崩块石运动分析的关键参数,其取值直接决定了块石的运动轨迹。为了严格测定花岗岩球砾碰撞的法向恢复系数,分析其影响因素,试验采用自行设计的碰撞试验装置和声频采样技术,精确测定花岗岩球砾碰撞的法向恢复系数,研究球砾大小、碰撞速度、含水状态和板的弹性特性4个因素对恢复系数的影响;并基于弹性接触理论推导出碰撞过程的最大接触应力 、碰撞起裂速度 和碰撞损伤速度vcd,构造接触应力割线变化率 来描述碰撞过程的率相关,分析碰撞法向恢复系数的尺寸效应和速率效应,对碰撞过程耗能机制进行探讨。试验结果表明：花岗岩球砾法向恢复系数存在明显的尺寸效应,低速下更加显著;法向恢复系数的速率效应同样较明显,并且速率效应受球砾尺寸和板的弹性特性影响,呈现较强的相关性;球砾大小和速度相同时,等效弹性模量E?越大,法向恢复系数越小;含水状态对法向恢复系数影响不大。理论分析表明： 和 为控制法向恢复系数变化规律的内在因素;尺寸和速度均是通过改变 和 使法向恢复系数呈现复杂的尺寸效应和速率效应。     

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。     

节理面非线性变形对SV波透反射性能影响

 平面SV波穿越节理面是一个复杂的问题,节理面刚度、入射角、法向非线性位移、切向非线性位移、入射波频率等都是影响节理透反射性能的重要因素。采用射线理论推导SV波穿越线性变形节理的透反射解析解,利用Lemaitre等效应变假设原理,分别采用Goodman和Duncan模型描述节理面非线性变形,考察节理面透反射性能受法向与切向非线性位移的影响。研究结果发现：SV波垂直入射节理面,只产生反射SV波和透射SV波,由于节理面刚度参数的影响,刚度越大则反射系数降低、透射系数增加,非线性位移越大其变化随刚度变化越快;节理面呈现出低通滤波器功能,频率越高越容易被反射,越低则越容易透射;法向与切向位移对不同波场的影响程度不同,正是非线性位移的大小决定节理面法向与切向的有效刚度,最终决定弹性波在节理面上的透反射性能。     

地震波入射角对盆地地震反应影响的数值分析

利用二维时域非线性场地地震反应分析程序,针对不同坡角的盆地,利用不同峰值、不同卓越频率、不同入射角度的Ricker波作为输入基岩的SH波,研究地震波入射角、卓越频率以及盆地坡角对盆地地表地震反应的影响,研究表明:盆地地表加速度峰值(PGA)比例系数的最大值不一定出现在地震波垂直入射时,而大致在5°~25°之间,按垂直入射得出的计算结果在某些部位可能偏于不安全,在场地地震安全性评价工作中应适当考虑地震波入射角对场地地表地震反应的影响,综合确定场地地震动参数;同时,随着地震波入射角的增大,加速度反应谱峰值有减小的趋势;入射地震波卓越频率越大,对盆地地表加速度峰值有影响的地震波入射角变化范围越小;随着入射地震波卓越频率的增大,同一测点的加速度反应谱曲线逐渐向左"走移";盆地坡角对盆地地表加速度峰值分布模式有重要的影响,当盆地坡角较小时,盆地边缘处的地震反应最为强烈,而盆地中部地表的地震反应相对较弱,随着盆地坡角的增大,反应强烈位置逐渐远离盆地边缘向中部转移。     

高压输气管道在落石冲击作用下热点应力确定的数值方法研究

崩塌落石是高压埋地输气管道破坏的重要原因之一,对管道在落石冲击作用下的强度校核和安全评定意义重大。文章研究高压输气管道在崩塌落石冲击作用下的动态响应,建立了落石—土—管道相互作用的物理和有限元模型,利用LS-DYNA有限元软件进行数值模拟。采用控制变量法分别考虑落石冲击速度与水平地面夹角α、落地点与管道中心距离d、管道外径D、壁厚t、管道内压P、管道埋深h、落石密度ρ、落石半径r和落石冲击速度v这几个因素对高压输气管道动态响应过程中出现的最大有效Von-Mises应力（热点应力）的影响。提出的计算方法和结果对长距离埋地输气管道设计、施工、防护和风险评估具有一定的参考价值。     

平面波入射下深水地基场地动力响应分析

建立了深水地基场地分析模型,基于单相弹性介质、Biot流体饱和多孔介质和理想流体弹性波动理论,分别推导了平面P波或SV波入射时该深水地基场地波动问题的解析解,并得到水下地层表面位移的表达式,分析了土的刚度、饱和度及入射角等因素变化时水深对场地位移响应的影响。结果表明:水深对水平位移峰值的影响较小,而共振频率随着水深的增加而增大;竖向位移峰值和共振频率并不随水深的增加而单调增加;同一水深下,饱和土层的刚度越小,水平及竖向位移峰值越大,共振频率越小;与完全饱和相比,土层饱和度的微小变化会使竖向位移峰值显著增大,共振频率减小,但水平位移峰值和共振频率基本上不受饱和度的影响;在基本频率下,当P波作用时,水深对水平位移的影响随着入射角增加先增加后减小,有水时在不同入射角下水深对竖向位移的影响较小;当SV波入射和有水条件下,对于不同的入射角水平位移均随着水深的增加而减小,在入射角35°到45°范围内竖向位移随着水深的增加而减小,除此范围外水深对竖向位移的影响较小。     

Field,experimental, and numerical investigation of a rockfall above a tunnel portal in southwestern China

Combining the results of detailed field investigation, laboratory tests, and numerical simulations, this paper studies the rockfall problem above a tunnel portal. The mechanism of potential rock instability was analyzed, and model tests were conducted based on geological conditions and described in detail, so as to study the restitution coefficients used in programs simulating rockfall trajectory. Improvements in the tests were made in terms of experimental techniques and creative similar materials. A newly developed test bench was built by steel frames and can be assembled or disassembled at will according to requirement of model size. An innovative block-release device was adopted and controlled by computer to change the release position of block. During the model construction, the slope and blocks were fabricated with similar materials developed through quantities of mixing proportion tests. Then experiments were conducted with varied shape, mass, and release height of blocks to clarify their effect on restitution coefficients. Results indicate that restitution coefficients are apparently related to these factors and their values decrease when block mass and releasing height increase. Restitution coefficients of the wedge block are larger than those of a sphere or cuboid block. Subsequently, numerical simulations adopting the calibrated parameters were performed, and the velocities, bounce heights, and kinetic energies of rockfall along the slope profiles were obtained. Based on the research, this paper provides a useful reference for practical remediation design.     

Experimental studies on fragmentation of rock falls on impact with rock surfaces

Rock fall is a common natural hazard causing significant damage to infrastructure and loss of life. Rock fragmentation is frequently observed during rock fall events and several authors have raised issues related to the impact of fragments on the protection structure. However, this phenomenon is not accounted for when designing the protection barriers. The paper presents the results of 20 rockfall tests performed in a quarry in Italy to provide new insight into the fragmentation phenomenon, especially in the case of foliated materials. The results have shown that the impacting angle plays a key role in the fragmentation of foliated rocks whereas the effect of the impacting energy tends to be of second order. No threshold in impacting energy could be defined to explain what triggers the fragmentation. It has been noticed that the proportion of impacting energy dissipated during fragmentation is relatively constant and depends on the choice of the normal restitution coefficient.     

基于冲量定理的滚石对构筑物冲击力计算方法

 滚石灾害在工程施工过程中对施工人员、设备和构筑物具有较大的威胁,因此研究滚石的运动特性及其冲击力显得非常重要。基于刚体运动学原理建立滚石运动特性的计算方法,通过与数值仿真结果对比来验证其合理性,同时滚石的运动参数作为计算其对构筑物冲击力的基础参数。在考虑滚石自转的基础上,基于冲量定理提出滚石冲击力的计算方法,并结合弹性力学理论解决计算中的撞击时间难以确定的问题。利用提出的方法对长河坝环境边坡的滚石运动特性及冲击力进行分析,计算结果表明：滚石运动过程最大弹跳高度可达25 m、最大平动速度和转动速度分别可达到57 m/s及350 rad/s,滚石运动受地形影响较大。结合运动参数分析结果和冲击力计算模型确定滚石对不同部位构筑物的冲击力数值,冲击力计算结果为构筑物位置的选择及灾害防治提供了一定的参考。     

落石运动模式与运动特征现场试验研究

落石试验是寻找落石运动敏感因素、探求运动规律和获取运动参数的较好方法.为厘清落石形状、块度大小和运动模式对其运动特征的影响规律,进行了112块落石现场试验;以落石形状、质量和运动弹跳次数为变量,统计分析了水平运动距离、运动速度的变动规律.试验结果表明:不管何种形状落石,运动模式均为滚动和弹跳,无明显滑动段;切坡平台和公...     

滚石离散元数值模拟的参数反演

 离散元法(DEM)是数值模拟崩塌落石运动的一个有力方法,但确定离散元输入参数是个难题。提出一个基于已知落石轨迹的离散元参数的反演计算方法。落石轨迹可以通过现场落石试验或者野外实地调查实际落石过程获得。该方法的特征为反演得到的离散元参数可以间接反映边坡与落石冲击时的变形以及植被缓冲效应。建议的几个保证解的有效性得到验证,稳定性措施效果良好。室内落石试验结果和现场落石工程实录验证证明了该算法的有效性和实用性。     

基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究

 考虑滚石启动方式、斜坡覆盖层和植被特征、斜坡坡度、坡面长度、滚石形状和滚石质量等6个可能影响滚石运动特征的因素,按照正交设计现场滚石试验。在试验基础上,采用极差、方差和回归分析等手段,以滚石运动的加速度和滚石与坡面碰撞速度恢复系数作为评价指标,对影响滚石在斜坡上运动特征的6个因素进行分析。结果表明：影响滚石运动加速度的诸多因素中,斜坡坡度是主要因素,以下依次是滚石形状、斜坡覆盖层和植被特征、坡面长度、滚石质量和滚石启动方式;斜坡坡度、滚石形状和斜坡覆盖层及植被特征是滚石运动加速度的决定性因素;滚石运动加速度与上述决定性因素之间可用线性关系来描述。斜坡覆盖层和植被特征对滚石碰撞恢复系数起控制性作用,其他因素几平无影响;斜坡覆盖层与植被特征和碰撞恢复系数之间可用线性关系描述。所得成果为危岩体防治时冲击能量的确定提供了依据,提出危岩体整体防治的新的可行方法,对坡面地质灾害的防治有实际意义。     

川藏公路南线八宿—林芝段滚石灾害的工程地质调查与评价

对川藏公路南线八宿一林芝段沿线山地灾害的工程地质调查表明，滚石对公路的危害性非常突出，鉴于滚石事件自身的特点应将之作为一个专门的灾种给予高度的重视。通过对滚石灾害的影响因素分析，给出了相应的灾害评价方法，并对19个滚石灾害点进行了灾害评价。针对灾害的相对严重程度，对各段滚石区防护措施的设置提出了初步建议。     

公路沿线遭遇滚石的风险分析——案例研究

具有国防意义的川藏公路南线是中国内地连接西藏的主要交通要道，也是进藏公路中最危险的一条。在对该公路的典型地质灾害段(八宿-林芝段)进行工程地质调查后，由现场调查、专家经验、理论分析等综合集成对滚石发生频率进行了估计，并获得了19个滚石区在不同人类活动特征下遭遇滚石的年平均概率。通过遭遇滚石的概率及承灾体的易损性分析，还得到了车辆和行人经过不同滚石区时遭遇滚石而致命的风险。相应的风险评价结果表明：(1)经过滚石区Rm4，Rm5，Rs1，Rs4，Rs5，Rs10和Rm7时因滚石而致命的风险水平是比较高的：(2)由于八宿一林芝间的交通条件和人类活动特征变化不大，不同滚石区间的危险性评价在一定程度上与风险评价是一致的：(3)考察区公路沿线滚石致命的风险远远高于发达国家或地区滑坡灾害的风险。