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原文传递斜坡散粒体冲击挡墙动力特性及其易损性研究

论文题名：	斜坡散粒体冲击挡墙动力特性及其易损性研究
关键词：	公路挡墙;动力特性;易损性;斜坡散粒体;冲击力
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:F=λγc/gV2csinαHcb，然后计算冲击力对挡墙的倾覆力矩:Mf=Fcosβ×h，再按照挡墙抗倾覆计算原理，计算挡墙的抗倾覆力矩:Md≤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:D=1.6λγcV2c sinαHcbh cosβ/g(Gx+Fb sinβ)，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。
作者：	杨智翔
专业：	土木工程
导师：	黄润秋;裴向军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	成都理工大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文