泥石流大块石冲击作用下桩林结构受力机理研究

发布时间：2020-05-19 21:21

【摘要】：泥石流是发生在山地、丘陵等地的常见地质灾害,我国西南地区发生的泥石流一般都携带有大量大块石,这些大块石到中下游时携带有巨大的能量,对中下游的各种拦挡结构物造成极为严重的破坏。桩林结构拦挡坝在拦截大块石的工程实践中得到越来越多的应用,但由于相关的理论研究较为滞后加之泥石流灾害防治的非标准设计,使桩林结构的使用在技术经济层面得不到有效保障。鉴于此,本文针对桩林结构在泥石流大块石冲击作用下的动力响应开展了解析分析、数值计算和对应的试验研究,并对其结构尺寸进行了优化分析。主要工作和成果如下:1.分析建立桩林结构受冲击的力学模型,依据桩体横向运动方程及桩体与地基强度关系分别建给出桩林结构发生整体倾覆破坏、固定段弯曲破坏、冲击位置弯剪破坏三种破坏类型的临界条件公式。2.考虑桩林结构悬臂端弹塑性特性及弯曲变形造成的能量损耗,根据前述桩林结构受冲击的力学模型,从碰撞发生时刻以及碰撞过程中的能量守恒角度出发,推导了泥石流大块石对桩林结构简支梁模型和桩林结构塑性铰模型的冲击力计算公式。3.依据前述力学模型,建立桩林结构“品”字形三桩结构数值模型。利用Ansys workbench/Explicit Dynamics软件对不同的荷载作用位置下,桩间距、排间距不同的“品”字形三桩结构进行了大块石冲击下的动力响应模拟和分析,数值分析结果与力学模型分析得出的结果较吻合。对结果总结分析后,得出了桩间距、桩排间距、荷载作用位置对桩林结构受力机理的影响。4.为验证力学模型准确性以及数值计算结果的可信性,开展了泥石流大块石冲击作用下桩林结构动力响应的试验研究。试验得到了不同工况下几个不同监测点的应变时程曲线。分析归纳试验结果,对明显离散的数据进行剔除,所获冲击时程曲线与数值模拟结果的时程曲线吻合较好。试验桩在应变传递过程及荷载分配的机理上与力学模型较吻合。5.对汶川县七盘沟泥石流沟桩林结构拦挡坝的现场观测收集资料进行了分析,并对桩林结构的受冲击过程进行了推测、反演。针对该桩林结构拦挡坝整体开展了动力冲击三维有限元数值模拟分析,较全面地考察了桩林结构的应力应变传递过程及各桩受荷分配情况,相关结果与现场观测收集资料较一致。本文计算分析结果可为桩林结构拦挡坝的结构尺寸做进一步的优化设计,并对桩体和连系梁强度、刚度设计提供依据,同时可为类似工程分析提供参考。
【图文】：

冲击模型,大块石

林结构拦挡坝受大块石冲击的受冲击的力学模式区尤其是西藏、青海和四川西南、西北部山区坝及排导槽等工程在泥石流防治方面起了关石流浆体动压力和大块石撞击力，如果泥石流冲挡结构不仅不能防止泥石流危害，很有可能使倾泻而下加重泥石流的危害。而大块石的冲击很主要原因。石流治理措施中，拦挡结构物的破坏方式因泥结构物的结构类型不同而不同，，对于桩林结构小颗粒的块石及黏性泥石流浆体物质通过，其破，可忽略泥石流浆体对桩林结构及大块石运动路）。

固定端,塑性铰,大块石

图 2.2-1 固定端塑性铰破坏图 2.2-2 固定端拉弯破坏图 2.2-3 冲击点弯剪破坏2.2.3 大块石冲击位置弯剪破坏当地基抗力足够大，而桩林结构本身的刚度及强度不足时，泥石流大块石撞击桩身会直接导致大块石作用点附近发生拉弯破坏或剪切破坏。为求临界条件，令桩身的极限剪力 Vu与泥石流大块石产生剪力相等，当桩身截面尺寸较小特别是截面高度较小或抗剪钢筋配置不足时，桩身发生剪切破坏，根据钢筋混凝土结构特性，剪切斜裂缝沿上下两个方向 45 度角展开，此时剪应力主要为泥石流大块石的动力冲击作用。将此种破坏状态下的前桩简化为简支梁模型，由材料力学及钢筋混凝土结构设计原理知，简支梁的受剪的破坏形态不仅与剪跨比有关，分析受剪隔离体，根据受剪隔离体的平衡条件可得：cot cotsv svu sv sv sv svA fV A f z f bzs （2-16）
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P642.23;TU473.1

【参考文献】