崩塌引发宽级配岩石碎屑流对结构物的冲击机制研究

Dry debris flow severely damaged the engineering structure in the mountainous area, however, the present impact force theory of dry debris flow is not sufficient to account for the impact force amplification effect induced by particle size distribution, as well as the effect of structure characteristics on sub-forces. On the basis of field measurement and investigation, and theoretical analysis, by using indoor experimental model test, DEM/FEM coupling simulation, this research is going to carry out the following studies: by using coefficient of non-uniformity and mass weighted particle diameter as the main indices, we are going to study the amplification of impact force and pressure by the characteristic of wide grain size distribution; by using structure type as the main characteristics, we are going to study, for different structure characteristics, the calculation mode of sub-forces of impact force. On the basis of the previous two studies, we will try to propose the theory and formula for the impact force and pressure, which are capable to incorporate the effect of particle size distribution and the parameter of the structure characteristics. Finally the field data will be used to validate and modify the proposed formula. The output of this research is going to disclose the influence of particle characteristic on the impact caused by a dry debris flow; meanwhile it is going to benefit the design of retaining and protection structures against the impact of a dry granular flow.

山区多发的岩石碎屑流严重破坏工程结构物，然而现有碎屑流冲击理论却无法考虑宽级配岩石碎屑流对冲击动压力的放大效应，以及结构物形式对冲击力分量的影响。本项目在野外调研和理论分析的基础上设计室内模型实验和离散元/有限元耦合模拟，进而开展以下研究:以不均匀系数和质量权重平均粒径作为碎屑流宽级配特征的主要指标，研究宽级配特征对碎屑流的冲击动压力和冲击动压强的放大效应；以结构物形状作为主要结构特征，研究碎屑流对不同形式结构物冲击过程中流动层中的动压力分量和停滞区中的重力和摩擦力分量的计算模型。在以上研究的基础上，提出能表达碎屑流宽级配特征，结构特征的碎屑流冲击力和冲击压强的计算理论和公式，并利用现场调查所得的碎屑流冲击灾害数据验证和改进所提公式。本研究成果对揭示级配特征对碎屑流冲击力的影响有显著的科学意义，同时对于工程结构物抗冲击设计有重要的应用价值。

本文以山区铁路、道路交通沿线面临的崩塌碎屑流防护为研究对象，通过现场调查、物理模型实验以及数值分析多种手段，选择刚性挡墙、棚洞和柔性网作为主要研究对象，重点对碎屑流冲击结构物中碎屑流流动特征、冲击力学机制和结构动态响应过程进行了研究。其主要研究内容和研究结论如下：. （1） 滑坡碎屑流致灾参数的现场分析调查. 结合我国近年来不同规模灾难性滑坡碎屑流的现场调查，初步总结典型碎屑流冲击灾害的坡体参数、碎屑参数和结构参数，并据此设计和开展室内模型实验。分析了滑坡体特征参数对滑坡碎屑流运动的速度-运程、岩土体厚度的影响变化特征以及滑坡碎屑流冲击能的分布机制。. （2）滑坡碎屑流冲击刚性挡墙物理过程及其力学机制研究. 提出了不同形式的刚性挡墙冲击力连续计算模型，突破了传统瞬时计算的局限性，为挡墙的结构设计提供了更为详实的依据。首次分析了碎屑流分选和级配对碎屑流冲击力的影响规律，并提出了评价分选程度的无量纲数。在传统的碎屑流冲击挡墙研究的基础上，提出了碎屑流冲击过中的冲切效应是影响碎屑流冲击力的主要影响因素。. （3） 滑坡碎屑流冲击棚洞缓冲耗能机制及其计算方法研究. 通过碎屑流冲击棚洞物理模型实验揭示了碎石垫层耗散冲击能量机制。同时得到了缓冲垫层对冲击力的分布模式的影响规律。提出了计算棚洞内的力法以快速计算冲击过程中每一时刻棚洞的内力。. （4）滑坡碎屑流冲击柔性防护网动态响应及数值计算方法研究. 提出一种利用Hertz-Mindlin黏结接触模型模拟柔性结构，利用无滑移的Hertz-Mindlin模型模拟碎屑流的离散元仿真方法。得到碎屑流冲击作用下柔性网的力学响应参数和碎屑流的离散运动力学特性。. 目前，部分研究结果已运用至山区公路和铁路的崩塌碎屑流防治工程中，同时有助于进一步深化碎屑流颗粒介质运动机制上的理论研究。