滚石冲击棚洞防护结构动力响应及作用机理研究

摘要

近年来，伴随地震频发，滚石灾害必将呈长期高发态势，对其有效防治已成为我国社会经济发展的重要保障。在众多滚石灾害防护措施中，棚洞工程是最为有效且环保的方式之一。然而，我国滚石灾害及棚洞工程研究基础还比较薄弱，减灾防灾能力还难以满足国家经济建设和公共安全的需要。因此，科学认识滚石灾害的形成演化规律，发展有效的棚洞工程防护关键技术，是我们面临的一个重大课题。为此，论文针对现阶段滚石灾害减灾基础理论及棚洞工程研究存在的问题，搭建滚石灾害动力过程数值仿真平台，系统开展滚石冲击钢筋混凝土棚洞冲击动力响应理论及数值研究，从而构建滚石冲击棚洞动力过程的定量分析理论与方法，进一步研发新型滚石棚洞耗能垫层结构等滚石防治关键技术，为滚石防灾减灾领域提供技术支持。论文取得了如下成果:
　　(1)提出一种滚石冲击荷载下棚洞钢筋混凝土板的弹塑性动力响应理论解
　　基于Olsson冲击动力控制方程，通过引入“弹性接触—塑性变形—回弹卸载”多阶段弹塑性接触理论，提出一种基于弹塑性接触准则的滚石冲击棚洞钢筋混凝土板动力Ⅱ向应理论计算方法。该方法可用于分析滚石冲击力、棚洞顶板振动位移等动态响应结果，克服使用传统滚石冲击力计算方法时由于仅考虑Hertz弹性接触而忽略材料塑性变形而造成的结果偏差，为滚石减灾工程提供了理论基础。
　　(2)揭示砂土垫层在滚石冲击棚洞过程中的耗能减震机理
　　基于理论及数值分析，揭示了砂土垫层在滚石冲击棚洞过程中的耗能减震机理，并得到如下结论:砂土垫层结构延缓了滚石与棚洞结构接触时间，大幅度降低了滚石冲击力的峰值，具有良好的抗冲击效果，但不同厚度、不同密度的砂土垫层在冲击荷载作用下的能量吸收表现有较大差异;尤其是在较高冲击能量作用下，增大砂土垫层厚度或减小砂土垫层密度均可有效减弱滚石冲击对棚洞钢筋混凝土顶板造成的变形影响;然而，当继续增大冲击能量后，不同厚度及密度组合的砂土垫层缓冲减震效果却呈现出相似的趋势;故在工程上选择砂土垫层厚度、密度时，要同时权衡滚石冲击力大小与工程成本的关系。通过野外调查潜在滚石的质量、失稳下落高度，预估滚石冲击能量，结合本文所得拟合关系式，可预判各种厚度及密度组合的砂土垫层的缓冲减震效果，得到最优化的砂土垫层组合，为滚石防护工程设计提供参考依据。
　　(3)设计出基于土工格栅加筋土及EPS（聚苯乙烯泡沫）复合材料的新型棚洞耗能减震垫层
　　为探求轻质、经济且具有良好减震效果的新型棚洞缓冲耗能垫层，本文结合复合材料领域相关成果，采用动力有限元方法，将土工格栅加筋土与EPS材料组合运用于棚洞缓冲垫层结构，设计出减震效果优良的土工格栅加筋土——EPS复合垫层，阐释其耗能减震机理，并建立相应的设计计算方法。此新型垫层结构在减轻结构自重的同时，有效分散滚石冲击的集中效应，延滞滚石碰撞的接触时间，大幅降低滚石冲击力，从而确保防护结构安全。经研究发现，土工格栅强度和安置层数是此新型垫层结构缓冲效果的重要影响因素;进一步分析得到:增大土工格栅强度可持续提升垫层缓冲能力，但是，增加土工格栅层数并不能带来垫层缓冲减震效果的持续增强。综合考虑土工格栅加筋土-EPS垫层优异的缓冲减震效果、低廉的造价及受冲击破坏后简便的更换操作，本文推荐使用更多土工格栅加筋土-EPS垫层替换传统砂土垫层。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．1．1 选题依据

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 滚石灾害方面研究现状

1．2．2 滚石冲击力研究现状

1．2．3 滚石棚洞防护结构研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 论文创新点

第2章 滚石灾害机理研究及棚洞防护技术概述

2．1 滚石灾害发育特征

2．2 滚石灾害触发机制

2．2．1 自然条件触发

2．2．2 生物因素触发

2．3 棚洞防护技术概述

2．4 本章小结

第3章 滚石冲击棚洞钢筋混凝土板动力响应研究

3．1 冲击荷载下钢筋混凝土板动力控制方程

3．2 基于弹塑性接触理论的滚石-钢筋混凝土板接触特性研究

3．2．1 Hertz接触理论

3．2．2 弹塑性接触理论

3．3 滚石荷载下钢筋混凝土板的动力响应

3．3．1 基于弹塑性理论的滚石冲击钢筋混凝土板动力响应方程

3．3．2 算例应用描述

3．3．3 结果分析及讨论

3．4 本章小结

第4章 滚石防护结构棚洞砂土垫层耗能缓冲机理研究

4．1 滚石冲击砂土垫层模型

4．2 滚石冲击砂土垫层数值模拟

4．2．1 材料参数及本构方程

4．2．2 数值模型建立

4．3 砂土垫层厚度对结构耗能减震的影响

4．3．1 冲击力与时间的关系

4．3．2 结构挠度时程分析

4．3．3 棚洞结构基底应力分析

4．4 砂土垫层密度对结构耗能减震的影响

4．4．1 冲击力响应分析

4．4．2 结构挠度时程分析

4．4．3 结构吸能比率分析

4．5 本章小结

第5章 新型滚石防护棚洞缓冲垫层结构研究

5．1 缓冲垫层结构设计

5．1．1 砂土缓冲垫层

5．1．2 基于EPS材料的缓冲垫层

5．1．3 基于土工格栅加筋土—EPS的缓冲垫层

5．2 实验设计

5．2．1 冲击模型物理特征

5．2．2 边界条件

5．2．3 加载及测试方法

5．3 滚石冲击各垫层结构数值模型

5．3．1 数值模型建立

5．3．2 材料特性及本构模型

5．3．3 敏感性分析

5．4 各垫层结构冲击响应结果对比及缓冲作用研究

5．4．1 砂土垫层响应分析

5．4．2 EPS垫层响应分析

5．4．3 土工格栅加筋土—EPS垫层响应分析

5．5 土工格栅加筋土—EPS缓冲垫层的缓冲作用研究

5．5．1 土工格栅层数对垫层缓冲作用的影响

5．5．2 土工格栅强度对垫层缓冲作用的影响

5．6 本章小结

主要结论

问题与讨论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果