斜坡散粒体冲击挡墙动力特性及其易损性研究

发布时间：2020-04-17 08:50

【摘要】：随着西部交通、经济的高速发展,各类地质灾害威胁着西部交通运营的安全,例如:崩塌、滑坡、泥石流、散粒体斜坡等。散粒体斜坡主要是由碎石、碎屑颗粒聚集在一起形成的边坡,具有结构松散、抗渗性差、粘聚力低的结构特点以及稳定性差的成灾特点,失稳后可对挡墙造成巨大的冲击破坏,对交通安全、行人造成严重威胁。本文以新疆天山公路(G217)沿线的“独山子—库车”段为研究区,对公路沿线发育的散粒体斜坡进行调查统计,分析散粒体斜坡的发育分布特点和失稳机理;在调查研究的基础上,采用物理模拟试验的方法研究挡墙受到散粒体冲击后冲击力变化特征;通过数值模拟的方法分析散粒体冲击挡墙的动力特性;最后对天山公路沿线的35处散粒体斜坡进行挡墙易损性评价。通过以上研究,论文主要取得了以下成果:(1)对研究区发育的散粒体斜坡进行调查统计得出:天山公路的散粒体斜坡主要分布于北天山区域k610~k655段,沿线发育35处典型散粒体斜坡,影响公路长度约8.71公里,散粒体斜坡的分布主要与地形、岩性、地质构造、坡向以及大气气候有关,诱发其失稳的主要因素为地震、风载作用、降雨以及滚石的冲击作用。(2)通过散粒体冲击挡墙的物理模拟试验分析得出:散粒体的不同颗粒级配、启动高度、启动厚度、冲击角度以及挡墙结构对冲击力、堆积高度均有显著的影响:(1)散粒体粒径越大,挡墙受到的冲击力越大,在挡墙处堆积高度越高。(2)散粒体的启动高度增大,冲击挡墙后的堆积高度呈线性增大,同时挡墙受到的冲击力呈幂函数增大。(3)散粒体的启动厚度增大,挡墙受到的冲击力呈幂函数增大,同时在挡墙前堆积高度呈线性增大。(4)散粒体对挡墙的冲击角度增大,挡墙受到的冲击力呈幂函数增大,同时堆积高度呈线性减小。(5)折线型挡墙受到的冲击力明显小于直线型挡墙,说明冲击力的大小与挡墙结构有关。(6)从散粒体冲击挡墙的运动过程发现,冲击过程中既有颗粒的摩擦运动又有碰撞运动,两种运动形式会相互转化,对挡墙造成巨大的冲击,开始运动时颗粒间接触比较紧密,此时运动以颗粒与滑槽之间的摩擦运动为主;随着颗粒继续向下运动,前缘开始撞击挡墙,整个流体逐渐拉长,颗粒间接触变得松散,流动厚度逐渐减小,此时以颗粒间的碰撞运动为主;最后受到挡墙阻挡,颗粒间接触又变得紧凑,碰撞运动转为摩擦运动,最终在挡墙前静止堆积。(3)通过数值模拟研究散粒体冲击挡墙的动力特性发现:散粒体冲击挡墙是一个连续冲击的过程,挡墙不同高度处受到的冲击力随时间均呈非线性变化,高度越大受到的冲击力越小。折线型挡墙能够将颗粒向两端分流,增加颗粒间的碰撞频率,造成能量损失,因此折线型挡墙受到的冲击力比直线型挡墙小。颗粒形状对冲击力有一定影响,当坡度较小时,冲击力随着圆形度的增大而增大;随着坡度增大,颗粒形状对冲击力的影响性减小。研究还发现坡度越大时,散粒体对挡墙造成的冲击力非线性变化越明显,这种变化和土拱作用有关:当斜坡坡度比较小时,颗粒与滑槽之间形成小冲击拱,此时挡墙受到的冲击力比较小;当斜坡坡度比较大时,颗粒与挡墙之间形成大冲击拱,此时挡墙受到的冲击力比较大。(4)通过三维激光扫描仪对天山公路k628+500斜坡进行扫描,通过三期扫描数据计算其年平均产屑率,从该斜坡2015年9月和2016年9月地形线变化可知斜坡后缘的损失厚度可达1.12m;根据年平均产屑率建立该斜坡的数值计算模型,发现边坡上部岩体经过长期的风化产生的碎石会不断滚落冲击挡墙,通过模拟散粒体冲击挡墙的倾覆破坏过程可以看出,散粒体对挡墙的冲击首先是在挡墙后方不断堆积,堆积高度会越来越高,甚至能越过挡墙滚落至公路,此时冲击力对挡墙的倾覆作用非常明显;挡墙倾覆后,散粒体斜坡坡脚开始发生滑动,随后上部颗粒会带动下部颗粒一起向前溃滑,掩埋公路。(5)对新疆天山公路沿线发育的散粒体斜坡进行挡墙易损性评价,首先根据路基规范计算出散粒体对下方挡墙的冲击力:(?),然后计算冲击力对挡墙的倾覆力矩:M_f=Fcosβ×h,再按照挡墙抗倾覆计算原理,计算挡墙的抗倾覆力矩:M_d≤Gx+Fbsinβ,最后按照易损性量化评估方法建立挡墙易损性评价模型:(?),并计算出挡墙易损性量化值,以此区分挡墙易损性高低。从结果中可以看出,新疆天山公路沿线的挡墙处于高易损性以上比较少,大部分处在中等易损状态,且分布在北天山地区的k610~k655段。
【图文】：

天山公路,位置图

第 1 章绪论1.1 选题依据及研究意义1.1.1 选题依据我国是个地质灾害频发的国家，，山区人口是总人口的 1/2，因此这些地质灾害严重威胁着山区人口的生命财产安全。随着我国经济建设的推进和大力发展西部地区方针的实施，山区的道路交通建设进入了一个高速发展的时期，由于山区地质条件的复杂性和气候的恶劣性，公路沿线的地质灾害十分发育，使得公路建设和运营受到巨大威胁。如图 1-1 是研究区公路位置图，散粒体斜坡就是新疆天山公路（G217）“独山子—库车”段发育的一种典型的地质灾害（见图 1-2）。天山公路沿线全年受季风气候影响，高位岩体在冻融、物理风化作用下发生碎裂垮塌，掉落的碎石、碎屑，运移至坡脚堆积形成散粒体斜坡，它的主要特点是碎石和碎屑中细颗粒含量很少，几乎不含有粘结力，完全通过颗粒间的摩擦维持稳定

散粒体,天山公路,灾害,斜坡失稳

图 1-2 天山公路散粒体斜坡失稳灾害斜坡散粒体冲击灾害是指坡体碎石或者岩屑在自重、地震等外荷载的作用下极高的速度冲击下方挡墙，造成挡墙位移、变形、破坏的现象（见图 1-2）。粒体斜坡与滑坡失稳机理不同，滑坡失稳是沿滑动面的整体运动，而散粒体斜的失稳是以碎石滚落为主的局部运动，散粒体斜坡失稳后会对下方公路、车辆成巨大的威胁（见图 1-3），目前对散粒体斜坡的主要防护措施是在坡脚修建墙，因此从工程应用来说，对散粒体冲击挡墙的动力特性及挡墙易损性研究是常有必要的。研究区位于新疆天山地区，该地区面积辽阔，天山公路（G217）是一条连南北疆的重要交通要道，北起独山子南至库车，更为重要的是其在军事上的战意义。天山公路横跨整个天山山脉，沿线散粒体斜坡十分发育，近年来，散粒斜坡的失稳破坏引起了广泛的关注。2008 年对公路进行了重新修建，由于修时对斜坡的不合理开挖，并且破坏了坡表植被，所以造成了很多新的地质灾害题，使得该公路的正常运行存在很多隐患，因此对天山公路沿线发育的散粒体坡进行详查是必要的。
【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】：U418.5

【参考文献】