[发明专利]获取被动桩板拦石墙在崩塌落石地质灾害中动态响应数据的方法

说明书

本发明公开了一种获取被动桩板拦石墙在崩塌落石地质灾害中动态响应数据的方法，将钢筋混凝土桩板墙在落石冲击下的冲击力‑变形关系曲线划分3个阶段：阶段Ⅰ：碰撞初期的弹性加载阶段，落石与钢筋混凝土桩板墙二者之间的接触力确认为弹性接触；阶段Ⅱ：混凝土桩板墙的塑性损伤加载阶段，接触冲击力超过墙体的屈服强度时导致其产生塑性变形出现损伤；阶段Ⅲ：卸载阶段，当钢筋混凝土桩板墙达到压缩最大变形时，落石冲击速度减小为0，墙体积累的弹性变形能发生回弹释放。地质实践实例显示本发明能够很好地描述钢筋混凝土桩板墙在落石冲击下的动态力学行为，能够为工程设计提供高价值参考，具有十分良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及地质工程技术领域，尤其是一种获取被动桩板拦石墙在崩塌落石地质灾害中动态响应数据的方法。

背景技术

近年来，我国西部乃至世界范围内的山区地质灾害频发，其中崩塌落石灾害在所有地质灾害中的占比高达17％，已成为继滑坡之后的第二大斜坡地质灾害。其具有发生突然、可预见性差、速度快、能量高、破坏范围广、运动路线复杂及监测预警困难等特点，因而对公路、铁路等基础设施造成了严重威胁，引起了人们的高度重视。针对近年来出现的一些强震诱发的高位危岩崩塌落石现象，不少学者提出了一种新型的被动拦石方案——桩板拦石墙，即在抗滑桩板结构基础上增加缓冲层而成的复式结构，其具有占地小、拦截性能好、易于施工等优点，对于防护高冲击能量的落石具有突出优点，在实际应用中取得了初步的良好效果。

然而由于该拦石结构出现时间相对较短，因此目前对其开展的研究也相对较少，但是对其他类似的墙体防护结构则有一些相关研究，为此这里就对类似的相关研究现状进行回顾，以期对本研究有所启发。概括而言，目前的研究主要集中在试验研究、理论研究和数值模拟等3个方面。首先在试验研究方面，Hearn 等首次开展了加筋防护挡墙的落石冲击试验，结果表明加筋防护挡墙可以有效拦截落石，但是由于试验时落石的冲击动能达到1410kJ，因此挡墙正面出现了约0.3～0.8m的凸出变形。Peila等也开展了大比例加筋土拦石墙结构模型的抗冲击性能现场试验研究，所采用的落石为重达9000kg的混凝土块，以30m/s的速度冲击墙体，试验结果表明虽然落石冲击会造成墙体产生一定的变形，但其仍是一种有效的落石冲击防护结构。 Arnold等首先基于位移模型提出了悬臂式钢筋混凝土挡墙在落石冲击下的挠度解析解模型，而后采用大尺度的卵石冲击模型试验对钢筋混凝土挡墙的动态响应进行了测试，从而验证了模型的合理性。其次，在理论研究方面，目前落石对钢筋混凝土结构的冲击力计算主要是基于Hertz接触理论，但是该理论是以弹性力学为基础，而在落石冲击下钢筋混凝土结构通常会出现塑性特性，为此何思明等视构筑物为理想弹塑性体，对Hertz接触理论进行了弹塑性修正，进而提出了考虑材料弹塑性变形的泥石流大块石冲击力计算公式。陈颖骐等基于Hertz弹性碰撞理论和Thornton弹塑性假设，通过考虑构造物材料特性、冲击物相对尺寸、结构变位等因素，建立了落石对构造物的冲击力修正方程，并将其应用于锚索抗滑桩的冲击计算。由于落石对钢筋混凝土结构的冲击不仅与落石特性有关，而且还与钢筋混凝土结构的力学性质有关，因此不少学者综合考虑Hertz接触理论与钢筋混凝土结构的力学性质，提出了落石冲击下钢筋混凝土结构动力响应计算方法，如Olsson基于Hertz接触理论和各向异性复合板的冲击压痕理论建立了小质量冲击下各向异性复合板动态响应计算模型。考虑冲击作用下层状复合板的塑性变形及损伤效应，Zheng等基于Hertz接触理论和冲击作用下板的永久压痕理论建立了相应的冲击力计算公式。王东坡等在此基础上，研究了落石冲击下钢筋混凝土板的弹塑性动力响应。最后，在数值模拟方面，胡卸文等采用ABAQUS软件模拟了落石冲击下桩板拦石墙的动力响应，模拟得到了落石冲击过程中动力学全过程，即首先是弹性压入阶段、而后是塑性压入阶段，最后是压入达到最大值后的卸荷回弹阶段，这与弹塑性理论分析结果完全吻合。Yan等采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟研究了椭圆形落石冲击下钢筋混凝土板的动态响应，认为落石形状和冲击角度将影响到对钢筋混凝土板的冲击力及其动态响应。邓力源等采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟研究了落石冲击下废旧轮胎的耗能性能，认为废旧轮胎吸能作用明显，可以有效减缓落石对刚性拦石墙的冲击作用，进而提高其防护能力。