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基于空腔膨胀理论的落石冲击作用及明洞响应研究
| 论文题名： | 基于空腔膨胀理论的落石冲击作用及明洞响应研究 |
| 关键词： | 山区公路;落石冲击;空腔膨胀理论;明洞防护结构;动态响应 |
| 摘要： | 落石灾害频发对山区公路交通构成了巨大的威胁，带来严重的安全风险。从落石防治的工程角度来看，难以准确地计算落石冲击力是工程实际中面临的主要难题。对落石冲击力进行有效计算，为防护结构设计提供参考依据，是目前交通建设中亟需解决的问题。本文基于空腔膨胀理论，通过理论推导和数值模拟对落石冲击作用及其计算方法、落石因素及缓冲层因素对落石冲击作用影响、明洞结构的响应规律进行研究。 首先基于空腔膨胀理论，建立了落石冲击缓冲层的计算模型，通过理论推导得到了缓冲层对落石阻力的应力表达式，并依据牛顿第二定理，推导了可通过四阶Runge-Kutta法计算得到了落石冲击力和冲击深度的计算方法。通过数值模拟对该计算方法的落石冲击力和冲击深度结果进行对比分析，结果表明本文空腔膨胀算法的落石冲击力和冲击深度计算结果与数值模拟吻合较好，在冲击速度10m/s~60m/s范围内，落石冲击力的计算偏差处在19.07%之内；在冲击速度20m/s~60m/s范围内，落石冲击深度的计算偏差处在18.7%之内。对比分析本文算法和现有落石冲击力算法，结果表明当落石冲击速度较小时，本文算法结果与隧道算法、路基算法、关宝树算法结果一致性较好，随着落石冲击速度的增大，本文算法与日本算法和瑞士算法结果一致性较好，本文算法和澳大利亚算法的落石冲击力与冲击速度呈二次函数关系，符合动能定理。整体来看，本文算法与数值模拟结果吻合较好，量值变化趋势基本一致，与现有算法结果一致性较好，符合动能定理，说明结果基本可信，计算方法基本可靠。 然后在空腔膨胀力理论计算方法基础上对落石和缓冲层因素对落石冲击作用的影响进行研究，分析总结了落石质量、冲击速度，缓冲层密度、弹性模量、压缩模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角对落石冲击深度和落石冲击力的影响趋势。 最后通过数值模拟，结合工程实际，将本文算法应用于明洞防护结构，分析了不同缓冲层设置情况下的落石冲击作用以及明洞结构的受力和位移，总结落石冲击作用下明洞结构的响应规律，为工程实际提供参考。 |
| 作者： | 任然 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 王建华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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