落石冲击作用下棚洞顶缓冲垫层优化设置研究

摘要

本文依托国家自然基金项目（编号:51108488），以模型试验、数值模拟为研究手段，研究了垫层密实度、落石质量、落石下落高度、垫层厚度等因素变化下对落石冲击的变化规律，获得了垫层最优厚度的取值，并以此为基础研究了垫层不同加筋类型和不同加筋位置时动态土压力的变化规律，对加筋垫层设置进行了优化，为完善缓冲垫层优化设置提供了依据。主要研究成果如下:
　　(1)模型试验结果显示，垫层密实度对落石冲击力影响显著。密实度越大，落石冲击力越大;落石质量和下落高度的增加，落石冲击力增加呈现线性增长趋势。当密实度从自然状态到稍密状态时落石冲击力增加52.4％～70.6％，当密实度从稍密状态到密实状态时，落石冲击力增加10.2％～42.1％。证明了在设置缓冲垫层时，对垫层的碾压会增加落石冲击力，是不合理的，建议在缓冲垫层设计时采取自然状态铺装。
　　(2)模型试验结果显示，随着垫层厚度的增加，落石冲击力逐渐减小，当垫层厚度增加到一定数值，落石冲击力减小幅度小于因垫层厚度增加所增加的自重，则前一个垫层厚度就是此种情况下对应的最优垫层厚度。通过本次实验获得不同直径落石对应垫层的最优厚度，为落石防护工程设计提供参考。
　　(3)模型试验结果显示，在缓冲垫层材料中加筋时，抗冲击能力有显著提高。抗冲击能力为:EPS泡沫加筋材料＞土工格栅加筋材料＞河砂材料。缓冲材料垫层中加入EPS泡沫材料后，最大土压力相对单一河砂降低58.8％;加入土工格栅材料后，最大土压力相对单一河砂降低5.4％。
　　(4)模型试验结果显示，加筋位置不同时缓冲垫层抗拦截能力差异较大。抗冲击能力随加筋位置的不同从大至小依次为:垫层上部＞垫层中间＞垫层底部，即在垫层上部加筋时棚洞顶部动态土压力最小，比单一砂垫层时减小58.7％，在此处加筋抗拦截效果最佳，建议工程中采用。
　　(5)通过数值模拟结果显示，采用橡胶代替等厚度砂垫层能有效降低棚洞结构应力和挠度。垫层为1m厚的砂时棚洞结构应力和挠度最大，垫层为1m厚的橡胶时棚洞结构应力和挠度最小。垫层为1m厚橡胶时，棚洞结构应力最大减小27.2％，挠度最大减小23.5％。建议在棚洞结构应力和挠度符合要求时，从安全和经济的角度考虑尽量采用橡胶来代替砂垫层。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景与研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 落石冲击力研究

1．2．2 棚洞防护的研究

1．3 本文研究内容与研究方案

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方案

第二章 落石冲击棚洞模型试验

2．1 试验目的

2．2 试验设计

2．2．1 试验器材

2．2．2 棚洞参数设计

3．2．3 土压力盒设计

2．2．4 落石参数设计

2．3 试验主要内容

2．3 试验步骤

2．4 试验结果分析

2．4．1 落石冲击力图片处理

2．4．2 动态土压力图片处理

2．5 本章小结

第三章 落石冲击下缓冲垫层抗冲击规律

3．1 各因素对落石冲击力影响

3．1．1 垫层密实度

3．1．2 落石质量

3．1．3 下落高度

3．1．4 垫层厚度

3．1．5 最优垫层厚度取值建议

3．2 不同加筋位置土压力分析

3．2．1 EPS加筋不同位置冲击规律

3．2．2 土压力对比分析

3．3 不同加筋材料土压力分析

3．3．1 土工格栅加筋复合垫层

3．3．2 EPS泡沫加筋复合垫层

3．3．3 土压力对比分析

3．4 本章小结

第四章 落石冲击棚洞有限元数值模拟分析

4．1 概述

4．2 材料模型及参数

4．2．1 落石材料模型

4．2．2 砂土材料模型

4．2．3 橡胶材料模型

4．2．4 混凝土材料模型

4．3 数值计算模型设置

4．3．1 计算单位

4．3．2 单元类型

4．3．4 网格划分

4．3．4 初始条件

4．3．5 接触设置

4．3．6 沙漏控制

4．4 本章小结

第五章 有限元法计算缓冲垫层抗冲击规律

5．1 有限元模型

5．3 落石冲击结果分析

5．3．1 缓冲垫层0.5m砂土冲击结果分析

5．3．2 缓冲垫层1. 0m砂土冲击结果分析

5．3．3 缓冲垫层0.8m砂土+0.2m橡胶冲击结果分析

5．3．4 缓冲垫层0.6m砂土+0.4m橡胶冲击结果分析

5．3．5 缓冲垫层0.4m砂土+0.6m橡胶冲击结果分析

5．3．6 缓冲垫层0.2m砂土+0.8m橡胶冲击结果分析

5．3．7 缓冲垫层1.0m橡胶冲击结果分析

5．3．8 不同缓冲垫层冲击结果综合分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果