落石冲击作用下加筋土拦石墙破坏过程和损伤评估研究

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落石灾害是我国西南部地区常见的自然灾害,具有突发性强、随机性强、破坏程度强和防治难度大等特点。落石灾害一旦发生将危及人们生命和财产安全,造成极大的经济损失,因此对落石灾害进行有效防治极为重要。加筋土拦石墙凭借其优良的抗冲击性能、优异的拦截落石效果、经济性强和修复难度低等特点,逐渐被应用于落石灾害防治工程中。现阶段对于落石冲击作用下加筋土拦石墙的研究主要停留在单次冲击下拦石墙变形特征和动力响应分析,对多次落石冲击作用下拦石墙的破坏特征、失效形式和损伤评估方法研究尚少。因此,为指导加筋土拦石墙设计和工程应用,开展多次落石冲击作用下加筋土拦石墙破坏过程和损伤评估研究十分必要。本文设计并开展了不同冲击能量落石冲击作用下加筋土拦石墙模型试验、并结合理论分析和数值模拟,探究了落石冲击作用下加筋土拦石墙的破坏过程和损伤评估方法。主要内容包括:(1)设计并开展落石冲击作用下加筋土拦石墙模型试验。通过不同冲击能量的落石冲击拦石墙试验,得到加筋土拦石墙变形规律、冲击影响范围及拦石墙损坏特征,总结加筋土拦石墙破坏阶段及判断指标,分析加筋土拦石墙的破坏机理和筋材的作用机理。试验结果表明,冲击作用下加筋土拦石墙具有墙面凹腔、墙背突出、加筋包裹体滑移和加筋土拦石墙整体倾斜等破坏特征,落石冲击加筋土拦石墙后发生越顶,加筋土拦石墙失效破坏。根据拦石墙破坏特征将冲击作用下加筋土拦石墙的破坏过程大致分为三个阶段:(1)冲击压密阶段;(2)滑移倾斜阶段;(3)越顶失效阶段。试验研究表明加筋土拦石墙冲击破坏过程是变形逐渐累积、拦石墙逐渐滑移倾斜的缓慢过程。(2)进行落石冲击作用下加筋土拦石墙变形计算和损伤评估方法研究。本文基于加筋土拦石墙模型试验的破坏过程,提出落石冲击作用下加筋土拦石墙破坏过程各阶段冲击能量耗散占比分配建议值。结合能量法提出考虑土体模量变化的加筋土拦石墙冲击变形计算方法,引入损伤因子提出拦石墙冲击损伤评估方法。研究表明:落石冲击能量主要由冲击点处土体压实变形和筋材摩擦消耗,建议破坏第一阶段土体压实变形耗能和筋材摩擦耗能比值为E01:E02≥9:1,第二阶段土体压实变形耗能和筋材摩擦耗能比值为9:1≥E01:E02≥7:3,第三阶段土体压实变形耗能和筋材摩擦耗能比值为7:3≥E01:E02≥5:5。以加筋土拦石墙墙面变形倾斜度作为评估指标的损伤评估方法,对多次落石冲击作用下加筋土拦石墙损伤评估有一定的指导意义。(3)开展多工况落石冲击作用下加筋土拦石墙数值模拟研究,分析加筋土拦石墙的变形规律、损伤情况及破坏过程,探究不同冲击点位置、不同体积的落石冲击下加筋土拦石墙的破坏过程和失效形式,同时结合模型试验结果分析加筋土拦石墙的破坏机理和筋材的作用机理。数值模拟结果表明:落石冲击点位置和冲击体大小对加筋土拦石墙损坏程度和破坏过程有明显影响。相同冲击能量下,冲击点位置越高或者冲击体体积越大,加筋土拦石墙损伤程度越严重,拦石墙更容易发生越顶失效。落石冲击全过程中筋材发挥网兜作用,通过自身抗拉性能抵抗落石冲击力,保持拦石墙的整体完整性,进而提高拦石墙的抗变形性能。
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