落石冲击路基边坡滑塌机制模拟

发布时间：2017-08-06 00:03

  本文关键词：落石冲击路基边坡滑塌机制模拟

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【摘要】：随着西部大开发的大力推进,我国山区公路建设发展迅速。山区公路落石灾害频发,已成为公路路基塌方的主要影响因素之一,严重影响交通通畅,甚至造成巨大的人员伤亡。结合落石冲击理论及公路路基设计特征,本文采用基于有限元理论的LS-DYNA显式动力分析方法,模拟研究了不同的落石冲击特征、不同路基及路面结构特征条件下落石冲击路基边坡变形破坏特征及力学机制。讨论了落石尺寸、下落高度及入射角等落石因素、基岩坡率及填土厚度等路基结构因素和混凝土及沥青等路面结构因素对落石冲击路基边坡变形破坏的影响规律。主要有以下研究工作及成果:(1)通过数值模拟落石跌落试验得出落石最大冲击力,并与当前落石冲击力理论计算方法比较,讨论主流冲击力计算方法的优缺点。并通过引用落石跌落试验数据对比,验证了采用LS-DYNA模拟落石冲击路基的可行性。(2)针对落石冲击位置、高度、尺寸和入射角度等变量,模拟研究落石冲击半填半挖式路基边坡的力学响应。通过对冲击影响范围、变形特征和能量变化等计算结果分析,揭示了落石特征对路基冲击破坏的影响规律。冲击能量相同时,落石尺寸变化对路基表层变形程度有较大影响,而高度变化对路基变形范围及深度影响明显;冲击位置主要影响路基破坏位置及破坏范围;入射角度主要影响路基表层土体变形大小。归纳不同冲击作用下的路基边坡滑塌机制。(3)针对半填半挖式路基边坡中不同的基岩坡率和填土厚度,模拟研究了在相同的落石冲击下具有不同的基岩坡率及填土厚度的路基边坡冲击力学响应规律。基岩边坡越缓,路基边坡整体能量耗散越大。填土较厚,落石易发生完全非弹性碰撞;填土较薄,落石有发生非完全弹性碰撞的趋势。根据具体公路选线地理及人文环境确定路基基岩坡率和填土厚度,以改善落石回弹方式。分析挖填形态改变对路基边坡滑塌机制的影响。(4)模拟研究了低等级公路设计常用的三种路面材料(水泥混凝土、沥青混凝土和碎(砾)石路面)在落石冲击路基边坡变形破坏的影响。发现:水泥混凝土路面抗冲击性能最好,但在落石冲击作用下填土临空面的稳定性较差,导致靠近临空面的路面悬空,且填土-基岩界面的稳定性较差;沥青混凝土路面与路基协调变形和能量耗散性能最优;而碎(砾)石路面的路基变形较大,难以起到到保护路基冲击破坏的效果。
【关键词】：落石冲击 路基 边坡 动力响应 LS-DYNA
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U418.55
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-13
• 1 绪论13-21
• 1.1 选题工程背景及研究意义13-15
• 1.2 研究现状综述15-18
• 1.2.1 落石冲击研究现状15-17
• 1.2.2 路基动力冲击研究现状17-18
• 1.3 研究内容及技术路线18-21
• 1.3.1 研究内容18-19
• 1.3.2 技术路线19-21
• 2 LS-DYNA动力分析应用及落石冲击校验21-37
• 2.1 LS-DYNA简介21-25
• 2.1.1 LS-DYNA程序算法简介22-23
• 2.1.2 LS-DYNA建模相关设置流程23-24
• 2.1.3 当前应用情况24-25
• 2.2 落石冲击力计算方法比较25-29
• 2.3 LS-DYNA程序数值模拟落石冲击力计算29-36
• 2.3.1 建立落石跌落模型29-32
• 2.3.2 数值模拟及理论公式结果的比对32-36
• 2.4 本章小结36-37
• 3 落石冲击特征对路基边坡的稳定性影响规律37-83
• 3.1 LS-DYNA模型建立及设置概述37-41
• 3.1.1 几何模型计算方案38-39
• 3.1.2 模型本构及相关计算设置39-41
• 3.2 冲击位置的影响41-50
• 3.2.1 路基土体应变分析42-44
• 3.2.2 路基变形对比44-45
• 3.2.3 应力变化分析45-47
• 3.2.4 能量变化分析47-50
• 3.3 落石高度的影响50-61
• 3.3.1 路基土体应变分析51-53
• 3.3.2 路基变形对比53-56
• 3.3.3 应力变化分析56-58
• 3.3.4 能量变化分析58-61
• 3.4 落石大小的影响61-70
• 3.4.1 路基土体应变分析62-64
• 3.4.2 路基变形对比64-65
• 3.4.3 应力变化分析65-67
• 3.4.4 能量变化分析67-70
• 3.5 入射角度的影响70-79
• 3.5.1 路基土体应变分析71-73
• 3.5.2 路基变形对比73-75
• 3.5.3 应力变化分析75-76
• 3.5.4 能量变化分析76-79
• 3.6 落石影响下的路基滑塌机制概化79-81
• 3.7 本章小结81-83
• 4 基岩坡率及填土厚度对落石冲击路基边坡的影响规律83-107
• 4.1 计算方案选择83-85
• 4.2 基岩边坡坡率的影响85-94
• 4.2.1 土体应变分析86-87
• 4.2.2 路基变形对比87-90
• 4.2.3 应力变化分析90-91
• 4.2.4 能量变化分析91-94
• 4.3 填土厚度的影响94-103
• 4.3.1 土体应变分析95-96
• 4.3.2 路基变形对比96-97
• 4.3.3 应力变化分析97-99
• 4.3.4 能量变化分析99-103
• 4.4 改变填挖形态对滑塌机制的影响103-105
• 4.5 本章小结105-107
• 5 路面材料对落石冲击路基边坡的稳定性影响规律107-121
• 5.1 路面简述107-109
• 5.1.1 路面材料分类107-108
• 5.1.2 一般路面结构108-109
• 5.2 计算方案选择109-111
• 5.2.1 模型建立109
• 5.2.2 材料参数设置109-111
• 5.3 模拟结果111-120
• 5.3.1 应变结果分析111-112
• 5.3.2 路面及路基变形分析112-114
• 5.3.3 应力变化分析114-117
• 5.3.4 能量变化分析117-120
• 5.4 本章小结120-121
• 6 结论与展望121-125
• 6.1 全文总结121-123
• 6.2 研究展望123-125
• 致谢125-127
• 参考文献127-131
• 附录131
• A. 作者在攻读硕士学位期间撰写的论文目录131
• B. 作者在攻读硕士学位期间申请发明专利131
• C. 作者在攻读硕士学位期间参加科研项目131

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本文编号：627475