基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板力学特性理论研究_陈泰江.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220331；修回日期：修回日期：20220605 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(41877263)；国家重点研发计划项目(2018YFC1505306)Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.41877263)and National Key R&D Program Project(Grant No.2018YFC1505306)作者简介：作者简介：陈泰江(1995)，男，2017 年毕业于中国地质大学(武汉)土木工程专业，现为博士研究生，主要从事岩土工程力学方面的研究工作。E-mail：C。通讯作者：章广成(1980)，男，博士，现任教授、博士生导师。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0292 基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板 力学特性力学特性理论研究理论研究 陈泰江1，章广成1，向 欣2(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国长江三峡集团有限公司，湖北 武汉 430010)摘要：摘要：混凝土棚洞板是防治落石的主要承灾体，现有研究中多将棚洞板简化为梁或薄板单元，以弹性或弹塑性接触理论为基础开展研究，往往低估棚洞板的抗冲击性能。为此，考虑落石与棚洞板接触过程中的阻尼特点，引入等效黏弹性接触理论，将棚洞板视为正交各向异性板，构建落石冲击棚洞板的力学模型，得到落石冲击棚洞板的动力控制方程，根据落石位移、速度和加速度不同组合初始条件，采用微分方程求解法，推导得到落石冲击棚洞板各特征参量的多种理论解，为验证理论求解的正确性，与数值计算结果进行了对比分析。研究表明：线弹性解只能近似描述落石冲击过程，求解得到的落石各特征参量时程曲线是近似对称的两阶段曲线；而以黏弹性接触模型为基础，速度和加速度组合条件下的落石冲击参量理论解和数值解更相近，能够综合考虑落石冲击棚洞板过程中棚洞板受荷变形以及落石的能量损失，更符合实际工程；落石参数敏感性分析表明，落石最大冲击力、达到最大冲击力的时间以及冲击作用时间和落石质量呈正比，随着落石质量的增大，落石冲击参量显著增加，对棚洞板的损伤更大；对比试验结果以及多种理论计算结果可以得到：所得到的落石冲击力时程规律和试验相接近，而且该理论解给出了直接的函数表达式，有更大的适用范围，能够推广使用。研究成果可为棚洞防护工程设计提供指导。关键词：关键词：岩石力学；落石；接触理论；冲击力；冲击时间；ANSYS/LS-DYNA 中图分类号：中图分类号：TU 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03060611 Theoretical study on mechanical properties of rockfall impact concrete shed slabs based on viscoelastic contact CHEN Taijiang1，ZHANG Guangcheng1，XIANG Xin2(1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan，Hubei 430074，China；2.China Three Gorges Corporation，Wuhan，Hubei 430010，China)Abstract：Concrete shed slab is the main disaster-bearing project for rockfall prevention.In the existing theoreties，the contact model is elastic or elastic-plastic contact，and the shed slab is simplified as a beam or a thin plate element，which leads to underevaluate the impact resistance of shed slabs.Considering the damping characteristics in the contact process between the rockfall and the shed and combining viscoelastic contact theory and orthotropic plates，a mechanical model of rockfall impact shed slab is built up，and then the dynamic control equation of rockfall impacting on shed slab is obtained.According to the different initial conditions，such as the displacement，velocity and acceleration of rockfall，the corresponding theoretical solutions of the characteristic parameters about the impact 第 42 卷 第 3 期 陈泰江等：基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板力学特性理论研究 607 process are obtained with the differential equation algorithm.In order to verify the correctness of the theoretical solutions，the impact processes of rockfall and shed slabs are simulated by the numerical method.It is shown that the linear elastic model can only approximately describe the rockfall impact process，while the theoretical solution based on the viscoelastic contact model with the initial condition combinations of velocity and acceleration is more similar with the numerical solution.The viscoelastic contact model can consider comprehensively the deformation of the shed slab and the energy loss of rockfall during the impact，which is closer to the actual.The sensitivity of rockfall parameters is analyzed，and the maximum impact force，the time of the maximum impact force and the impact duration of the rockfall are proportional to the rockfall mass.With increasing the rockfall mass，the rockfall impact parameters increase significantly，and the damage to the shed slab would be greater.The proposed theoretical solution in this paper is in good agreement with the experimental results，it provides the guidance for the actual shed protection design.Key words：rock mechanics；rockfall；contact theory；impact force；impact of time；ANSYS/LS-DYNA 1 引引 言言 我国疆域辽阔，地质灾害频发，每年因地质灾害造成的人员伤亡达上百人，经济损失达数亿元。崩塌落石是典型致灾类型之一1-6，主要分布在我国西南山区和东南沿海地区，一方面，西南山区由于地势高陡和岩石破碎等原因，为落石的发生孕育了条件，而东南沿海地区虽地势较低，但受台风影响，多暴雨，侵蚀作用强烈，花岗岩极易在外界因素影响下形成裸露地表的孤石，失稳后形成落石灾害。自 21 世纪以来，随着人类工程活动的不断增加，不断扰动处于自然应力状态下的岩土体，加剧了岩土体失稳的概率，使得落石发生的概率大大增加，如何防治落石成为工程设计者关心的热点问题。被动防护系统是对可能失稳的危岩单体或群体进行工程结构防治避免造成危害的技术，主要针对己经发生崩落或可能发生崩落的危岩体，通过阻止落石到达威胁对象范围，从而发挥其防护功能7-8。棚洞结构属于被动防护措施，具有安全性高稳定性好等特点，常常依山而建，尤其是线路工程存在潜在失稳的岩土体处，采用棚洞结构进行防护更为合适，可有效保护下方行车和行人的安全9-10。典型的棚洞结构由混凝土框架和顶板组成，当落石冲击时，棚洞顶板作为主要的接触部位，吸收落石冲击能量，并把一部分能量传递到框架，从而达到整体防护的效果。在棚洞结构实际工程应用中，可通过在棚洞上方覆盖一层垫层达到缓冲耗能的目的，垫层材料可以是砂、土、碎石以及废弃轮胎等11-13，在落石作用下，垫层发生大塑性变形吸收能量，从而减小棚洞受力，根据具体情况，所设垫层厚度不等。虽然棚洞结构被大量应用于山区落石灾害防治，但是并没有一个统一的棚洞防护设计规范，在以往的棚洞设计中多借鉴于工程经验，导致对棚洞受荷下的合理性评价存在欠缺。落石与棚洞防护结构接触过程中冲击参量随时间变化特征是描述落石碰撞过程的重要指标，对于揭示落石与棚洞相互作用机制以及优化棚洞设计具有重要的意义。在现有的相关理论研究中，并没有给出关于落石冲击棚洞参量时程关系的计算方法，在棚洞防护设计中，若未能充分考虑落石与棚洞相互作用特征，则可能出现设计方案较为保守，导致棚洞截面过大或者配筋量较高，耗费巨大的工程成本；也可能导致设计方案太过危险，导致在落石的冲击下，棚洞发生破坏，最终导致棚洞结构整体失效，造成线路中断，甚至诱发次生灾害。鉴于此，将落石和棚洞板分别简化为球体和正交各向异性复合板，以线弹性和黏弹性接触理论为基础，建立落石冲击混凝土棚洞板动力力学模型，推导得到落石冲击参量理论解，然后开展有限元数值试验，进一步验证解的合理性。2 棚洞板动力控制方程棚洞板动力控制方程 前人的研究中将棚洞板视为结构单元(梁或者薄板)，忽略了棚洞板的各向异性，研究结果均过低的评价了棚洞的抗冲击性能，因为无论是梁单元还是薄板单元14-15，都存在落石冲击下变形过大的情况。棚洞板是具有一定厚度的复合板，正交各向异性板理论能综合考虑板厚以及板配筋情况，更符合实际工程中棚洞板受荷特性，当采用复合板理论描述棚洞板时，落石冲击棚洞板三维模型及力学模型可简化为图 1。608 岩石力学与工程学报 2023 年 (a)落石冲击棚洞三维模型 (b)落石冲击棚洞简化模型 图