落石冲击下拱形护桥明洞受力机理研究

摘要

山区铁路往往跨越沟谷、依山傍河，隧道洞口大多处于“V”型沟谷处，坡面陡峭且多有危岩落石分布，是落石灾害多发地段。拱形明洞作为一种有效的危岩落石防护工程，具有抗冲击性能强、受力合理、地质扰动小及环保等优点，日渐成为落石多发区普遍采用的防护措施。本文以我国客运专线常用的双线拱形护桥明洞结构为研究对像，通过资料调研、理论分析和数值模拟，对落石冲击下拱形护桥明洞结构的力学响应及作用机理进行研究，主要研究内容及成果如下： （1）运用动力有限元方法对拱形结构和平顶棚洞结构的落石冲击荷载作用机理进行研究，结果表明落石质量和落石下落高度是影响落石冲击力、落石冲击荷载及落石冲击深度的重要因素，但对落石冲击影响范围的影响较小；并且发现了落石冲击力与落石冲击荷载有很好的相关性，可以找到一个合适的幂函数来反映他们的关系，并根据数值模拟结果确定了函数的参数值。 （2）运用数值模拟方法对拱形护桥明洞结构的力学响应进行研究，明确了结构应力、应变、位移、落石冲击力、冲击荷载的变化规律，并确定了落石冲击作用下结构的受力最不利部位为拱顶和桩基；在此基础上研究了落石冲击角度对结构的影响，结果表明落石沿垂直方向冲击的力学响应明显大于落石沿其他方向冲击的力学响应，认为在防落石明洞的设计中应把垂直冲击作为不利工况进行结构承载力的检算。 （3）运用数值模拟方法对拱形护桥明洞结构的回填方式进行研究，结果表明缓冲层可以吸收和分散落石冲击的能量，改善结构的受力状态，而且得到了比较合理的回填方式：在拱圈和耳墙间采用较坚硬的回填材料可以有效改善上部结构的受力状态，在拱顶上部采用较松软的轻型回填材料时缓冲效果更好，更有利于结构受力。

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