岩质边坡危岩落石运动特征和防护研究（可编辑）

岩质边坡危岩落石运动特征和防护研究（可编辑） 岩质边坡危岩落石运动特征和防护研究 国内图书分类号:. 密级:公开 西南交通大学 研究生学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 年 级:三二级 姓 名:墨 田 申请学位级别:王堂亟? 专 业:蚩?王猩 指导老师:墨盘堂数援 二一三年五月 : ..: : : : 铲 : :. ,西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 .保密口,在 年解密后适用本授权书; .不保盔使用本授权书。 请在以上方框内打‘?,, 学位论文作者签名: 矿刃 ? 指导老师签名:芩妨厍 日期:彻乃..?乃. 日期: 易弓.,?岁西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下: 以铁道部重点科研项目..“高陡边坡运营安全防灾监控及报警系统 技术研究为依托,采用理论分析、数值模拟和以贵州一广州高速铁路沿线 路堑边坡和黔桂线处边坡为原型的落石室内模型试验相结合的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,针对落 石的运动特征、落石运动影响因素以及落石防治等方面进行了研究。 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对木文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名: 矽司 / 日期: 加弓.. .西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 摘要 危岩落石常常存在高陡边坡上,是西南山区常见地质灾害类型之一,每年都会造 成人员伤亡和巨大经济损失,特别是近年来高速铁路快速发展,高陡边坡工程项目越 来越多,随之而来的危岩落石灾害频繁发生。针对危岩落石灾害的研究和防治方法的 探讨也越来越为人们重视,但是,由于落石本身运动的复杂性,影响因素繁多,许多 问题有待研究,急需解决。 论文主要以铁道部的重大科研项目一高陡边坡运营安全的防灾盗控及报警系统研 究.一作为依托,以岩质边坡的落石运动为研究对象,采用理论分析、 数值模拟和室内模型试验相结合的方法,针对落石的运动特征、落石运动影响因素以 及落石防治等方面进行了研究,得到了以下主要研究成果: .利用软件建立高陡边坡落石运动分析模型,以正交试验理论为基础, 对落石运动主要影响因素进行了敏感性分析。主要结论有:就落石水平运动距离而言, 边坡坡度是主要影响因素,边坡坡高、边坡切向恢复系数和落石水平启动速度是次主 要影响因素;就落石运动能量而言,边坡坡度是主要影响因素,边坡的坡型和边坡切 向恢复系数是次主要影响因素;对于落石弹跳高度而言,边坡坡形是其主要影响因素, 起决定性作用。 .以贵州?广州高速铁路沿线路堑边坡和黔桂线处边坡为原 型,进行了多组室内模型试验,观察了落石的主要运动形式,讨论了落石形状和质量 对落石运动特征的影响及落石的偏移比分布。主要结论有:落石的形状对落石运动有 显著影响,质量对落石运动能力影响不显著,其中,类球状和块状落石运动能力明显 高于长条状和薄片状落石;提出了落石运动的偏移比建议值取为.。 .运用前文研究结论,结合现有落石防治技术,以危岩发育边坡为实例,探讨了 如何选择最佳防护位置、最佳防护高度和防护宽度等落石防护工程技术问题,可供危 岩落石的工程实践参考。 关键词:危岩落石;运动特征;敏感性;落石室内试验;落石防治西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 , , ? ? , .,. . 一, ? . , . , . : . . , . .: , ; , . ; . . . .:.,: . .. . , , , .西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 :; ; ; . ;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 目录 第章绪论.. .本文研究背景和意义 .国内外研究现状..落石运动特征 ..落石防护措施研究? .研究内容及技术路线 ..论文主要研究内容?. ..论文研究的技术路线 第章危岩落石运动规律? .基本假设.落石滑动运动规律? .落石飞落运动规律? .落石碰撞运动规律.. ..落石碰撞恢复系数? ..落石碰撞计算 ..落石碰撞的后续运动??。 .落石滚动运动规律. 第章危岩落石运动参数敏感性分析?。 .概述?. .落石运动的数值模拟??. .正交试验的因素及水平?. 落石运动轨迹分析. .落石水平运动距离分析?.. ..落石水平运动距离试验结果与极差分析。 ..落石水平运动距离方差分析 ..落石水平运动距离回归分析??.. .落石运动能量分析. ..落石运动能量试验结果与极差分析??.. ..落石运动能量方差分析?.. ..落石运动能量回归分析?.. .落石运动弹跳高度分析?. ..落石弹跳高度试验结果与极差分析??。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ..落石弹跳高度方差分析?.. .本章小结?. 第章危岩落石室内模型试验?。 .概苤?. .落石室内试验设计. ..试验目的? ..试验仪器?。 ..试验模型边坡??.. ..试验落石?.. ..试验方法和步骤?。 .落石室内试验结果分析?. ..落石运动现象分析。 ..落石的冲击力分析.. ..落石的弹跳高度分析??.. .落石影响范围分析.. ..试验步骤?.. ..落石的水平距离分析 ..落石的偏移距离分析??一 .本章小结?. 第章危岩落石防护设计.. .落石防护技术??. .落石工点概况??. ..工点自然地理概况? ..工点地质条件??一 ..工点危岩落石特征一 .落石防治设计??. 第章结语.. .结沧.. .展望.. 致谤参考文献??.西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章绪论 .本文研究背景和意义 随着我国开始实施西部大开发,国家每年都投入数百亿资金用于西部的基础建设, 其中高等级公路和铁路占了很大比例。西南山区是我国地质灾害最严重的地区之一, 伴随基础建设向周边山区的快速发展,地质环境恶化、地质灾害急剧增加,危岩、滑 坡、泥石流等地质灾害频繁发生,严重威胁到区域内交通线路的安全,防灾减灾的形 势严峻。根据统计,在这些地质灾害中,落石灾害仅仅次于滑坡、泥石流,位列第三 位【,但同时对危岩落石灾害的研究又是相对薄弱的环节。在我国西南山区,由于所处 的地质、地形条件,路线两侧的高陡边坡或山体往往存在较多的危岩落石路段,而且 这些危岩不可能进行全面的治理,因而经常发生危岩落石灾害,造成经济损失和人员 伤亡的惨痛教训。 年月,四川国道某段斜坡发生岩体崩塌,岩体崩塌处离公路相对高差 达.,崩落体积约.,其中一块约.的落石直接砸向一辆由西向东行驶的 客车,并将其砸翻至公路南侧的斜坡下,造成名人员死亡以及余人受伤的重大 事故【。 年月,湖北宜万铁路高阳寨隧道洞口突发崩塌落石,落石砸毁一辆客车, 造成人当场死亡、人受伤。 年月,贵州省鬃岭镇左家营村的岩脚组由于暴雨引发大面积崩塌落石,造 成户村民受灾,栋房屋被毁,栋房屋受损,死亡人,人失踪,另有人 受伤。 年月,在四川绵竹县鲍竹路段,一块重约十余吨的巨石突然崩塌,砸毁途 径的一辆长途客车,死亡名,受伤名【】。 年月,襄渝线巴山.达州段,因月底连续大暴雨,从线路右侧高的 边坡上,滚落.孤石一块,击中线路中一桥梁,将第一孔梁全部击毁,导致行车 中断小时分钟,直接经济损失.万元【。。 年年的年间宝鸡成都铁路大滩至军师庙段,线路长仅., 但已发生次落石头灾害,砸坏铁轨、车辆,造成多次停车事故,给国家造成巨大经 济损失】。 在我国的西南、西北地区,危岩落石分布较为广泛,特别是云南山区和长江三峡 地区,天然的危岩落石更多,危岩落石给各种线性工程,特别是给铁路带来的灾害最 大,根据年全国铁路的统计 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 ,除台湾外,有条铁路,仅在一年之内就发 生落石起。下表列举了全国部分铁路年落石分布情况。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 京广线 石太线京包线 京原线 陇海线 襄渝线 湘黔线 湘桂线黔桂线 成昆线 贵昆线宝成线京通线 滨绥线 嫩林线浑白线 烟白线丰沙线辛泰线 鹰厦线 川黔线成渝线 青藏线 东川线 我国是一个多山的国家,特别是西南山区,地质灾害事故频发。落石灾害作为仅 次于滑坡、泥石流的工程地质灾害,在西南山区每年都会发生多起,但由于造成的灾 害损失和灾害范围相较其他较小,往往被人们忽视。近年来,国家加强西部建设,对 西部铁路投资加大,特别是高速铁路的建设,最高时速现可以已超过公里每小时, 小小的一个落石都可能对高速铁路造成致命打击,因此,必须加强对落石灾害的研究 和防治。由于落石致灾机理复杂,受地理和地形条件约束较大,再之前对其研究 力度不够,很多问题都有待研究:如何定量的确定落石轨迹落石能量如何转换如 何更有效的设置防护措施等等。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 基于以上的一些认知,研究危岩落石对于高速铁路的安全运营有着重大的意义, 因而在导师的指导下选择“岩质边坡危岩落石运动特征和防护研究’’方向作为硕士论 文选题。首先通过理论分析对落石轨迹运动方程进行推导,然后通过数值分析和模型 试验具体来分析落石轨迹的影响因素和运动特征等,得到落石的大致致灾范围,最后 根据结论之前分析如何更有效的设置防护措施。 .国内外研究现状 ..落石运动特征 国内外学者对落石运动轨迹方程的研究多采用一些简化的模型,将落石看成质点 或者近似圆形,在二维空间分析落石,不考虑落石形状和空气阻力的的影响【】。 较早对落石运动轨迹进行研究的是前苏联的..罗依尼什维里教授,提出了落石 动速度计算公式【; .【】采用了概率分布函数来说明落石轨迹的不确定性,对 于轨迹影响参数如落石大小、初速度等不宜采用固定值,而是提出一个概率分布函数。 提出一个计算机模型软件,软件中对落石的速度、能量、弹跳高度等致灾 .通过落石现场试验讨论了落石运动特征影响因子的 因子都作了相应研究; 敏感性; .考察了各影响因素作用下的落石运动特征,反推出落石运动计算 需要的敏感性参数;‰【】把落石运动过程看成连续的整体,把落石的初始状态和 落石起点位置的各个参数作为初始条件,逐步进行推导,直到落石到达边坡坡脚,最 后得到一个与边坡坡面各点位置有关的落石运动轨迹方程。 在人工花岗岩的边坡上进行了大量的落实试验,并且进行了数值分 析,得出运动距离和落石的体积成正比关系,停留的位置与落石体积成反比; 对南蒂罗尔地区的危岩体进行了数值分析和试验研究,讨论了落石停留位 置、动能和跳跃高度的变化; 】提出了基于已知落石的轨迹的离散元 参数反演计算方法,其中落石轨迹可通过现场落实试验或野外实地调查获得。 胡厚田在..罗依尼什维里教授研究基础上,推导出直落式、挑落式、滚落式、 滑落式落石的速度计算公式、落石崩落距离计算公式、落石运动轨迹方方程、落石腾 跃计算公式,还提出了拦截落石构筑物的尺寸计算方法。 韩俊艳【 集中考虑落石运动中的主要运动形式:滚动和弹跳,并将轨迹控制因素 归结为滚动阻力特性系数、碰撞时瞬间摩擦系数及恢复系数中,简化斜坡落石运动模 型,建立了一套简单的计算落石运动特征计算公式。 落石的运动轨迹受某些参数影响较大,主要分为两类:边坡相关参数和落石自身 参数。边坡相关参数有边坡坡面法向恢复系数 ?、 边坡坡面切向恢复系数 、边坡坡面粗糙度 、边坡坡面摩擦角 ,落石自身参数有落石大小、西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 形状、下落状态等等。 吕庆【将落石运动分为滑动、自由飞落、碰撞弹跳、滚动等四利主要运动形式, 分别建立了物理方程,考虑坡面还原系数尺?和以及滚动摩擦系数蜥,得到了这 种情况下运动轨迹方程。 杨海清 考虑了落石运动的种常见形式,得到了各个运动形式的速度计算方程, 并且在落石运动碰撞阶段考虑了坡面的弹塑性变形,得到与坡面材料、碰前速度和落 石形状有关坡面还原系数计算公式,并且根据接触力学得出碰撞冲击力公式,给出了 落石能够连续滚动的判断条件。 认为边坡坡面法向恢复系数 鼬和边坡 坡面切向恢复系数 直接决定了落石运动轨迹 和运动过程中的能量。 提出落石要连续跳跃运动,其恢复系数必定不能小于.,否则, 落石可处于滚动状态,同时,认为只要恢复系数大于.,即使是在覆盖植被的边坡上, 落石也可以发生弹跳。主要研究了边坡坡面法向恢复系数 鼢,认为当边坡坡面较软时,鼬大小与落石运动速度成反比,而鼢的大小直接影响 到落石落石碰撞后法向初始能量恢复值,通过拟合,得出了两者之间的方程和关系曲 线。 吴永】采用正交试验的反分析方法,得出影响落石水平运动距离的主要因素为法 向恢复系数,和边坡坡面切向恢复系数丁,并确定了落石分析参数,运用概率方法 对落石进行随机预测,且按落石滚落位置和能量,设计拦截网高度和强度。 叶四桥选择了块不同质量和形状的落石进行现场试验,得出不管何利形状 的落石,运动模式没有明显滑动,均为滚动弹跳;近球形、短柱状和方形落石运动速 度和水平运动距离均较大,运动特征类似,而片状、长方形落石运动能力较弱;落石 质量越小随机性越大,但运动能力越弱;落石以弹跳为主时动能损害小,运动速度和 水平运动距离较大。 黄润秋【通过现场试验,采用数理统计等手段,将恢复系数和落石运动加速度作 为评价指标,分析了影响落石运动特征的六个因素,得出边坡植被特征和覆盖层对恢 复系数起着控制作用:边坡坡度是影响运动加速度的主要因素,其次是落石形状、边 坡植被特征和覆盖层、边坡坡面长度、落石质量及落石启动方式。 .接触理论为基础,假设边坡坡面材料和落石满足弹塑性特征,给出 了球体的法向恢复系数脚的计算公式。 何思明【】【】根据切向接触理论和接触理论,研究了法向 恢复系数尺?和切向恢复系数尺的计算模型,给出了其具体计算公式;在恢复系数计西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 算公式计算方法基础上,综合运动学基本公式,给出了落石坡面冲击回弹规律。 除了理论分析和模型试验,对落石运动特征的研究,还可以运用数值分析。目前, 国内外对落石运动进行分析的软件主要分二维和三维模拟软件,二维软件有、 等,三维软件有、、等。 虽然目前国内外学者对落石运动特征有了大量的研究和深刻的认识,但是仍有许 多问题有待解决,比如:坡形、坡角对落石运动特征的影响;各因素对落石运动特征 影响的敏感程度等。针对上述情况,本文主要通过数值模拟和室内试验研究坡形、坡 角等因素的影响及其这些因素的敏感性,进而确定落石运动特征,给落石防护设计提 供依据。 ..落石防护措施研究 要设计合理和高效的落石防护结构,必须要了解影响防护结构设计的具体参数, 其中主要包括落石冲击力大小、落石威胁区域。 对于落石冲击力的计算,国内外学者一直都在努力研究。何思明四研究有垫层 材料存在的条件下,以典型的落石防护结构为原型,假设垫层材料为理想的弹塑性材 料,根据球形压模压入半空间理论,对垫层材料的冲击特性进行了分析,给出了落石 冲击力计算公式。 日本道路工团【给出了比较符合工程实际情况的冲击力计算算法,但是此算法没有 考虑不同缓冲层厚度及冲击角度的影响。 叶四桥认为现有落石冲击力计算公式所得的冲击力值普遍偏小,提出应该考 虑 反弹效应和落石重量的影响;以法向恢复系数?为基础,考虑落石的反弹效应,并且 定义落石的冲击力放大系数,用此系数体现平均冲击力和最大冲击力的关系,推导出 不同冲击速度、不同冲击角度落石和不同缓冲土层厚度的最大冲击力计算公式,给出 工程常见的落石尺寸及冲击速度的冲击力放大系数曲线。 王林峰【研究了棚洞的落石冲击力,以结构动力学的基本原理为基础,根据棚洞 的受力条件和结构特性,建立震动模型,得到了棚洞的落石冲击力的计算公式。 叶义成在多因素多水平试验基础上,通过相关性分析,找出了影响落石水平抛 掷距离的显著影响因素为垂直下落高度和边坡坡面角度且通过多元回归分析, 考虑和】,交互作用,得出了落石水平抛掷距离的函数关系式三?刁。 叶四桥【通过多组试验发现落石质量和形状及运动模式是落石偏移比落石偏移 距离与边坡坡长之比的控制因素,落石质量越大、越接近球形,运动模式越单一, 其偏移比越小,横向威胁范围越小;实验中大多数落石偏移比大于.,但小 于., 故建议在实际落石防护设计时偏移比取为.。 王坛平阱】等人提出了落石防护的两种理念和三种防护手段,防护理念是指刚性防西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 护和柔性防护,防护手段是指源头防护、路径防护和终点防护。 对已经设置了防护结构的地区,开展了落石残余风险评估,得 出不同体积的落石的残余危害是不同的,体积大的落石残余危险则大。 贺咏梅】结合工程实践经验,对柔性防护系统做了研究,总结出该系统的特 征和分类,并从现场地形地貌、落石特征、施工水平和经济等方面出发,讨论了 柔性防护系统布置和设计选型的原则。 张中俭”分类总结了现有的落石灾害防护方法,并介绍了各方法的适用条件和应 用范围。谢伞敏研究了主动.被动综合防护措施,主要包括有锚固.支撑联合技术、锚 固一拦挡联合技术和柔性网络锚固技术等。 唐红梅【将落石作用在拦石墙上的传力过程简化为落石.堤.桩/板.地基,并且运用 结构力学理论进行了拦石墙的内力计算,得到了内力计算方程;陈洪凯【】以地基容许 承载力为基准,运用静力学理论,构建了危岩落石支撑计算方法;郭映忠【】利用了数 值模拟分析的方法确定了危岩锚固后的稳定系数:殷跃平【】利用数值分析确定治理的 最佳设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 黄润秋分别研究了树木对落石的拦挡效应和平台对落石的停积作用,所得结 果可以为将树木作为落石防护措施时确定树木排数和将平台作为落石防护措施时确定 平台宽度提供依据。 认为应该引入落石灾害预警机制,提前确定落石易发地段的落石致灾频 率,尽可能的规避开高风险区。提出植被覆盖是控制落石灾害的一利一有效办 法,并且比较经济和环保,然而不同植被其保护能力也是不尽相同的,其保护能力和 植被的稳定性、根系特点等均有关系。 赵旭】将运动学和概率统计相结合建立了落石防护结构计算模型;于怀昌【利用 正交试验理论确定了影响防护结构设计的主要参数;姚建伟【】对柔性防护系统进 行了进一步的研究;刘亚军对拦石墙后的缓冲结构进行了深入研究;李志成刚结合 了实际工程和被动防护网技术,详细的描述了被动防护理论。 尽管落石防护措施方面的研究结果比较多,但是仍然存在很多问题没有解决,比 如:如何根据落石运动特征来更加科学和经济的设计防护措施等。本文以数值分析、 室内试验所得结论为基础,讨论了合理设置防护措施的方法,提高了落石防护的有效 性,确保铁路的安全运营。 研究内容及技术路线 ..论文主要研究内容 根据前文,目前落石运动研究中主要存在落石运动影响因素敏感性、根据运动特西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 征合理设置防护措施等问题,故本文主要从以下几个方面进行研究: 在运动学和理论力学基础上,简化落石运动条件,建立落石运动模型,理论 上分析落石在边坡上的运动演化过程,获得落石的运动轨迹和运动特征。 以正交试验理论为基础,运用数值分析软件,建立落石运动数值分 析模型,模拟各个影响因素组合条件下的落石运动轨迹,主要是坡度、坡角、坡形、 坡面、启动状态等影响因素,统计相应的试验结果并进行分析,对这些影响因素的敏 感性给出判断。 以贵州?广州高速铁路沿线路堑边坡和黔桂线处边坡为 原型进行室内落石模型试验,对数值模拟中未讨论的影响因素,主要是落石形状、落 石大小等进行分析,讨论其影响程度;同时统计落石的水平运动距离和偏移 距离,总 结其分布规律。 在前文研究结果的基础上,运用落石运动特征,根据数值分析、偏移范围等, 研究更加科学和经济的设计防护措施。 ..论文研究的技术路线 图.论文技术路线图西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章危岩落石运动规律 .基本假设 边坡落石运动的基本形式主要有种:滑动;飞落;碰撞;滚动;落石 运动过程不是某单一运动形式,也不可能每个落石运动都包含这四种基本形式,它更 偏向是一种复合运动,具体取决于边坡形状、边坡覆盖层和落石自身性质等因素【】。 鉴于落石运动过程的复杂性,为便于理论分析,特作以下简化假设: 落石运动过程中落石之间相互碰撞情况和落石碎裂情况不予考虑; 假定落石为刚性球体,质量均布;在二维空间中球体简化为圆形; 假定边坡坡面形状和落石运动初始条件作为已知条件,且在运动过程中不变; 不考虑空气阻力的影响。 .落石滑动运动规律 落石的滑动是指落石沿坡面运动,不离开坡面,且不发生自身转动,主要发生在 运动的开始和结束阶段,特别是在边坡坡面光滑和坡度较缓坡段上。由于滑动摩擦力 的作用,滑动阶段落石能量损耗较大,速度往往较低,滑动距离较小,故可将对应的 边坡段简化为坡度为口的斜面。 当落石滑动处于运动开始阶段,假定落石初始状态是由静止开始的滑动,在此阶 段应重点关注的是滑动阶段结束时的质心速度,即后续运动的初始质心速度。根据 力学和运动学公式有: . 综合式.和式.得: ? / 式中一重力加速度./; ‖一滑动摩擦系数,可由现场摩擦试验得到,或者根据岩土施工手册中的岩石力 学指标中的经验数据取值; 一滑动加速度/; 一滑动的距离; 口一边坡滑动段坡度; 一滑动阶段结束时落石质心速度/。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 当落石滑动处于运动结束阶段,在此阶段需关注的是最终滑动距离,以便来确定 落石的致灾范围。设落石滑动开始时的初速度为,则至落石停止运动时,总滑动距 离木可由下式算得: ~? ‘堕 式中 一最终滑动距离。 一滑动阶段开始时落石质心速度/;式巾其他参数含义同上。 落石飞落运动规律 落石飞落阶段是指落石离开坡面在空中运动的阶段,常常发生在落石空中下落或 者碰撞弹跳后的运动阶段,在不计空气阻力时,实际上为重力作用下的抛物或自由落 体运动。对于落石的自由飞落,尤需关心的是碰撞点位置、碰撞入射速度;假如设置 了柔性防护拦截网,还要考虑拦截网处的撞击能量和高度。 矿妒 矿口\ 图落石自由飞落计算模型 建立图所示模型,假设图中,点为某个飞落起始位置,落石质心速度 为,相应速度分量为%,%,角速度为嘞,初始动能为。。在出时,由 于忽略空气阻力作用,落石在飞落阶段仅受重力作用,则根据运动学理论,落 石的质西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 心运动轨迹为 弛妒 扣 一 。 知 菅 一一一一 一 培 帕 叼 一一一一制 一 ~ 一 一; 一 四 卸一 一一 ~一 斗 ” ~一一.? 一?生‰ 一 互扣?扭三聊招管肚碗协五 式中 巧。一落石碰撞点质心速度水平分量/; 。一落石碰撞点质心速度竖直分量/: 一落石碰撞点质心速度/; 一落石碰撞点处的落石能量。 确定了碰撞点位置和碰撞入射速度后,就可进一步研究落石碰撞轨迹及其后 续运 动轨迹。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 假如在边坡坡面杨,%处设置了柔性防护拦截网,由以上各式易得到: 办嘞一半铲 申 . 耖畦磁扣冲招警肚磁协四 式中一落石在防护结构处的撞击高度; 矿一落石在防护结构处的撞击质心速度/; 一落石在防护结构处的撞击能量【。 由以上各式子就可以得到设置拦截网处的撞击高度、速度及其能量,设计防护结 构时可以以此为依据合理确定防护结构尺寸和各参数。 从上面计算过程可见。在飞落阶段,在确定边坡坡面方程及其落石初始运动状态 后,可求得任意时刻的落石质心速度、动能等,即可得运动所有参数和运动轨迹,同 时得到碰撞处的位置和速度。 .落石碰撞运动规律 落石的碰撞过程是指落石以一入射速度接触坡面,与坡面发生碰撞,是落石运动 特征剧烈改变的一个过程,是落石运动过程中最不确定、最复杂的一种随机运动模式。 当落石在飞落过程中只要遇到坡面,便会发生碰撞弹跳,速度大小和方向均会发生剧 烈改变,且落石与坡面发生碰撞后是发生弹跳进入自由飞落模式还是进入滚落模式对 落石轨迹也有重要影响。 ..落石碰撞,恢复系数 在目前落石运动研究中,为了方便分析落石碰撞行为,根据碰撞理论引入恢 复系数的概念。当落石与坡面的碰撞是完全弹性的,碰撞发生后能量没有损 耗,相应 的恢复系数为;当落石与坡面的碰撞是完全塑性的,碰撞发生后能量完全损耗,落石 不会继续运动,相应的恢复系数为。实际上落石的碰撞弹跳是一种既非完全弹性又非 塑性的碰撞模式,即恢复系数介于和之间。恢复系数是落石碰撞运动的关键参数, 学术界对恢复系数有三种定义式【:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 单恢复系数 单恢复系数定义式为: 一吒 . ~一一 式中 一碰撞前入射速度/; 一碰撞后反弹速度/。 这种定义法使计算简便,但是单恢复系数会随坡表倾角增大而增大,故这种定 义法会带来较大误差。 动能恢复系数 动能恢复系数定义式为: , 足。:??:兰 磁 ’ 辜 这种定义法主要考虑碰撞前后能量,但是忽略了转动动能,且动能恢复系数 叶会 随坡表倾角增大而增大。 两恢复系数 两恢复系数定义法考虑了落石的法向速度和切向速度的区别, 定义了两个 恢复系 数:法向恢复系数民和切向恢复系数墨。 . ”等 ” ,等 式中 。一碰撞前入射速度的法向分量/; 圪一碰撞前入射速度的切向分量/; 。一碰撞后反弹速度的法向分量/; ,一碰撞后反弹速度的切向分量/。 /】经过试验证明两恢复系数随坡角变化不大,较为稳定,给计算带来的误差 较小,故采用两恢复系数定义法来描述落石碰撞行为。 表.恢复系数取值嗍【弱】 堡耍堑笙 鲨囱堕星丕墼墨 塑旦堕堑墨墼墨 .~. .~. 光滑硬岩面、铺砌面、喷射混凝土表面西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 墼耍堑笙 鎏旦堡星墨垫墨 塑囱墼星歪鍪墨 基岩表面、无植被的崩塌堆积体.~. .~. 有少量植被的崩塌或砾石堆积体 .. .~. 植被覆盖的崩塌堆积体和植被稀少的土质边坡 .~. .~. 灌木覆盖的土质边坡 .. .~. ..落石碰撞计算 ’,. 警图?落石碰撞计算模型 如图所示模型,落石的入射速度由前面计算确定,进行速度的分解,得: 圪一嘭巧 % 巧 式中 圪一碰撞前入射速度的法向分量/; 屹一碰撞前入射速度的切向分量/; 。 一碰撞点,’切平面和轴的夹角 假设边坡坡面方程为,,则有西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 协, ?伯?‖, 得到: 落石碰撞后弹跳速度巧,引入法向恢复系数民和切向恢复系数足, . 吃墨?圪一巧口巧?墨 . 圪墨?圪巧巧口?墨 弹跳速度的水平分量,和竖直分量,: 吃吃圪 ,%一吆口 联立式....,得到 ,墨? 口巧墨.了 一兄/疋口一置口巧 及其合速度: . 厩厢 落石碰撞过程中对角速度也存在影响,.刀定义伊等辱为落石滚动动 能,互’为落石平动动能,伊称为落石滚动动能与平动动能的比例因子,则有 . 巨置,巨,妒竽聊厚浮停 理论计算很难给出够的取值,一般按照经验取值。日本道路工团在试验基础上, 建议矽取值.,我国铁道部运输局建议取值.。 ..落石碰撞的后续运动 落石发生碰撞后,其后续运动有两种可能:反弹后进入新的飞落阶段和留在坡面 进入新的滚动阶段。目前,国内外常采取反弹高度和反弹速度比作为判别依据,当反 弹高度或反弹速度比小于某一设定值时,落石便留在坡面进入新的滚动阶段。本文采 用反弹高度小于落石的简化球体的直径作为判别设定值: 办:盔一 当?时,落石留在坡面进入滚动阶段; 当时,落石反弹后进入新的飞落阶段,运动轨迹方程由式.得到:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ?叫印 晕 联立边坡坡面方程,,即可得到下次碰撞点的位置坐标,进一步计算出碰 撞点的入射速度,依次循环下去,直到转入滚动落石或者停止。 .落石滚动运动规律 落石滚动是指落石在坡面运动时,发生自身的转动,落石在坡面进入滚动阶 段, 直至滚动到坡脚,或由于滚动摩擦力运动至动能全部损耗,或由于坡形改变 进入飞落 阶段。由力学和运动学分析有: ?一 ? 书一 口呼一 式中 ?一坡面对落石的支持力四; 厂一坡面对落石的滚动摩擦力斟; 一落石角加速度/; 一落石的直径。 联立式?、式?、式?、式?、式?,求得滚动至位置的速度 圪: 四 、尺 口熹 口 ? 角速度吐: 戗?生 。 ? 进一步可求得落石滚动阶段能量岛: 易互聊呼三,历西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 由式知,假定坡面长度足够长,当口一要口即口妥时,落石做 减速运动,当坡面长度足够时,落石最终在滑动摩擦力作用下停止,为,此时 落石 的位移: 警 当口鱼时,口为。,落石做匀速运动,直到坡度起伏点; 当口鱼时,落石做加速运动,直到坡度起伏点。 综合以上,鱼是滚石运动的一个关键因素,类似于滑动运动的滑动摩擦系数, 可 设定矽妥,?定义为滚动摩擦系数。 表滚动摩擦系数建议取值【 坡面特征 滚动摩擦系数 .~. 光滑硬岩面、喷射混凝土表面、铺砌面、圬工表面 .. 软岩面、强风化硬岩表面 .?. 块石堆积坡面 .?. 密实碎石堆积坡面、硬土坡面,以灌木为主 .~. 硬土、密实碎石堆积坡面,无植被或少量杂草 .~. 松散碎石、软土坡面,以灌木为主 .?. 软土坡面,无植被或少量杂草西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章危岩落石运动参数敏感性分析 .概述 影响落石运动特征的参数多而且杂,主要有:边坡的坡形、边坡的坡度和坡高、 边坡覆盖层情况、落石形状和大小、落石启动方式等,研究这些参数对于确定落石运 动特征及进一步确定落石的影响范围和影响程度都有重要意义。本章主要采用运动模 拟分析软件建立模型,综合正交设计思路设计相应的实验方案,对模拟结果 进行分析,得出各个参数对运动特征的影响程度。 落石运动特征涉及多个影响因素,若考虑全部因素的所有组合,试验和试验数据 处理难度均较大,故采用正交设计原理来设计落石试验。正交试验设计是一利一安排多 因素试验,寻求最佳水平试验组合的高效方法,它从众多试验因素的所有水平组合中, 选择部分有代表性的组合进行试验,通过对这些具有代表性的水平组合得到的试验结 果的分析来研究全部组合试验的情况,从中选出最优水平组合。 .落石运动的数值模拟 目前,应用较广的落石运动模拟分析软件主要有、和三种。 表.落石运动分析软件对比【】西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 落石运动模拟分析软件均是通过预先输入有关边坡和落石的基本控制参数,即可 以得到落石运动轨迹、指定区域的累计落石数量、落石的最大速度、最大弹跳高度等。 本文主要采用软件进行分析,该分析软件可以通过输入斜坡和落石的相 关基本参数,模拟落石在边坡上的运动轨迹、能量和弹跳高度变化,该软件在欧洲实 际工程中得到了广泛使用,具有较好的模拟效果。其计算原理为边坡上部的危岩相对 于边坡中下部的具有较大势能,危岩在自然营力作用下从静止开始运动,危岩变为落 石,速度增长,势能逐渐转换为动能,当落石和坡面发生弹跳,根据坡面碰撞点的法 向恢复系数和切向恢复系数的不同,落石的弹跳高度也存在差异,坡面对落石产生消 能的作用,导致落石动能衰减,至落石自然停留动能为零或者遇到障碍物停止,整个 运动过程遵循能量转化和守恒定律。该分析软件的基本流程如下图?: 图. 软件计算流程 程序对落石及其运动的环境做如下假定: 落石假定为一质量均匀的质点,故计算中不考虑落石的形状影响,在滑动 计算中被看成球体; 忽略落石间的碰撞,每块落石的运动不受其他落石影响; 因考虑空气阻力会使计算变得极为复杂,且与其他因素相比对结果影响较西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 小,因此不考虑空气阻力; 边坡概化为连续的一段连续线段,不能够交叉,拐点不可以重合。 .正交试验的因素及水平 常见的简单边坡的坡形主要有凹形边坡和凸形边坡,在山区高速铁路沿线,对两 侧的边坡要求更加严格,存在大量人工边坡,边坡形状多为.级台阶状。故本文对 边坡坡形划分为四利一:近似直线型边坡、凸型边坡、凹型边坡和阶梯型边坡。 凹型坡 阶梯型坡 图.模拟边坡坡形选择 对西南山区铁路进行调研,主要是贵广铁路、兰渝铁路和成绵乐城际铁路三条线, 资料分析整理出典型边坡,总结出西南山区边坡坡度和坡高分布情况,如表.和图 ?。在试验中坡度划分为四个水平:。、。、。和,坡高划分为四个水平: 、、和。 表.西南山区铁路沿线岩质路堑高陡边坡工点西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 起讫里程 编号 坡度。 高度 开挖级数. . . . . . . . . ... . ?.. 兰渝铁路 广元至 重庆段一 . 起讫里程 编号 坡度。 高度 开挖级数 .成绵乐城际铁路 ...........。一。 。一。 图西南山区铁路沿线岩质路堑边坡坡度分布表 弘 弘驺乾 弘 孔弱驺弘 儿西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图.西南山区铁路沿线岩质路堑边坡坡高分布表 除了考虑边坡的几何形态外,边坡的材料也是重要影响参数,不同的边坡材料主 要通过法向恢复系数、切向恢复系数及摩擦角来反映。根据表.知,岩质边坡法向恢 复系数主要集巾为.~.,切向恢复系数主要集中在.~.,故可将法向恢复系 数划分为以下四个水平:.、.、.和.,切向恢复系数划分为以下四个水平: .、.、.和.;摩擦角取值通常在。~。之间【,故可将摩擦角划分为 矿个水平:。、。、。和。。 落石自身参数主要有:落石质量、落石形状和落石启动速度。基于将落石 当做质点处理,且质量固定,故忽略了落石质量和落石形状的影响,只考虑启动速度 的影响。将启动速度按水平速度和竖直速度标定?,水平速度圪和竖直速度?均划 分为四个水平:、/、/和/。 综合以上得到,选取的影响落石运动轨迹的因素有种,每种因素对应着个水 平,如表.。 表.正交试验的因素及水平 查兰 丝垄 堡鏖垫壹翌 墨墨 翌笙竺 匕竺 近直线坡。 ..。凸形坡 。凹形坡 。阶梯形坡。 ......。。。假定各个影响因素之间不存在交互作用,对上述八因素四水平,可选取厶:正 交表来安排因素影响分析试验方案,试验组合见表.。表中最后一列作为估计试验误 差。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 试验次数 坡形 坡度。 坡高 误差 足 墨 伊。 圪/ 巧/西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .落石运动轨迹分析 将上述各 个试验参数组合输入到软件巾,进行数值模拟,便可以得到落 石运动轨迹分析。种坡形分别摘取一组较有代表性的轨迹进行分析,如图、图、 图.和图.,由这些图可知当边坡为凸形边坡,落石在坡度改变处发生飞落,运动 距离较大,落石基本到达路基范围,且能量较大,故其影响较大:凹形边坡落石主要 以滑动运动为主,运动能量、弹跳高度、运动距离均较小,是较为安全的坡形;落石 在阶梯形边坡会发生多次弹跳,能量损失较大,运动距离也相应减小,影响范围减小, 能有效降低落石的危害性;近直线型边坡由于坡度改变不剧烈,落石即使会在坡度改 变处发生弹跳或者飞落,但程度均较小。 \ 岳毫. 图?试验组合 图试验组合西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 端嚣?蕊 图.试验组合 \ \?堙生竺竺竺曼氮葳釜? 图.试验组合 .落石水平运动距离分析 在落石灾害中,致灾范围是一个重要问题,致灾范围是否到达铁路限界对铁路设 计存在影响,而水平运动距离可以反映致灾范围,因此,可将其作为落石运动的一个 考察指标。 ..落石水平运动距离试验结果与极差分析 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 各次试验结果,并且分析计算,如表.。表中、巧、耳和砺分别代表 第,个因子第、第、第和第水平的次水平运动距离的平均值;称为极差, 是衡量数据波动大小的重要指标,尺值小的因素对指标的影响小,是影响指标次要因 素,反之,值大的因素对指标的影响大,是影响指标的主要的因素。 参。一一 爹 。擐崭。?磐蕊蜃芷季秽第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ’,哆///一曲万,丽 从表.可以看出,边坡坡度因素是主要因素,以下因素依次是切向恢复系数、 水平启动速度、边坡坡高、边坡坡形、摩擦角、法向恢复系数,竖直启动速度。 表.水平距离正交试验结果西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 试 // 、, 差 妖 误 兄 圪 髟 蓑坡形篱瑟 艇蹰佃平离 数第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 为了直观地得出各个因素对指标影响的程度,选择出各个因素对指标最有利水平, 可以根据表.做出因素和指标的关系图来进一步的分析。将每个因素对应的,,、口,、 面和万绘制于坐标上,便得到因素直观图.。 当一个不同的因素水平,其对应的指标的差异较大时,说明这个因素对这个指标 的影响较大,是主要因素,反映在图上,即是点比较分散;当一个不同的因素水平, 其对应的指标的差异较小时,说明这个因素对这个指标的影响较小,是次要因素,反 映在图上,即是点比较集中。根据这个原则,从图可以看出,边坡坡度因素对 于 的点比较分散,故为主要因子,接下来的因素依次是切向恢复系数、水平启动速度、 边坡坡高、边坡坡形、摩擦角、法向恢复系数,竖直启动速度,和前述结论相符。 由图还可以得到各个因素对水平距离最不利水平及其最不利的水平组合: 边坡为凸形边坡时,落石水平运动距离最大; 边坡坡度为。时,落石水平运动距离最大; 边坡坡高为时,落石水平运动距离最大; 边坡法向恢复系数为.时,落石水平运动距离最大: 边坡切向恢复系数为.时,落石水平运动距离最大:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 边坡摩擦角为。时,落石水平运动距离最大; 落石水平启动速度为/时,落石水平运动距离最大; 落石竖直启动速度为/时,落石水平运动距离最大; 综合可知,当边坡为凸形坡,坡度为。,坡高为,法向和切向恢复系数分 别为.和.,摩擦角为。,落石水平和竖直启动速度分别为/和/时, 可以获得最大水平运动距离。 韫 入. 久 一/、人 职 /\, ’、\厂 ’ \/ 鲁 坡度 坡高 法向 协向摩擦角 水平 竖直 坡形 恢复系数 恢复系数 启动速度 启动速度 图各影响因素直观图 ..落石水平运动距离方差分析 通过正交试验的平均值和极差分析得到了因素的影响主次顺序和最佳水平 组合, 但是忽略了误差的影响,没有进行误差分析,不能给出误差估计,数据波动是 由实验 条件变化还是试验误差所导致的也不便判断,虽然给出了因素的影响主次顺 序,但是 没有研究各个因素影响显著程度,故引入方差分析。 由数理统计理论有: 丁?兄 一 ? 歹吉善兄 绋喜儿一歹‘ 式中力一试验次数; ?试验测试值;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 丁?试验测试值总和: ,一试验测试值总均值; 一试验测试值总偏差平方和。 试验测试值总偏差平方和又可以分解为各个因素的偏差平方和和实验误差 平方和甄,即 总偏差平方和.对应的自由度石等于各个因素的自由度和实验误差平方和如 的自由度无,即 七八七七?七七? . 则对应的方差估计值: 《宝 簧拿 ‰ 统计量: 』三 ~ 在方差分析巾,常有的显著性水平口有.、.和.,将各个因素的值与三 种显著性水平的比较,可以将因素对试验指标影响程度划分为: 当互,五芝.。.,五时,影响特别显著,因素是特别显著性因素,记 为宰木; 当冗舾,厶?,五磊.。.,五时,影响显著,因素是显著性因素, 记为木; 当磊加,五??,以磊脚,五时,有一定影响,因素是非显著性因 素,记为宰; 当互,五瓦舯,,五时,无影响; 其中,兄,五的值查分布表可得。 本次试验正交表各列不饱和时,方差计算方法采用以下方法: 设定正交表共有列,其中列中排了因素的有玛列,空白列数为鸭列,每列 水平为包扛,,?朋?,每列水平重复次数待,,疗 百