于洋洋 趙士忠 田洪雷 王洋 鄭智勇 劉家順

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52104088）；2021年度遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（面上項(xiàng)目）（LJKZ0361）

第一作者簡(jiǎn)介：于洋洋（1988-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

*通信作者：劉家順（1986-），男，博士，副教授。研究方向?yàn)閹r土力學(xué)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.005

摘? 要：泥石流是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害，其突發(fā)的特性和強(qiáng)大的沖擊力對(duì)工程建設(shè)和人類生活構(gòu)成巨大威脅。該研究主要針對(duì)泥石流堆積物材料參數(shù)及其沖擊力特性進(jìn)行深入探討，對(duì)泥石流堆積物進(jìn)行系列的沖擊荷載試驗(yàn)。通過(guò)控制泥石流堆積物的物理參數(shù)，如顆粒級(jí)配、密度和含水量，探究這些參數(shù)對(duì)沖擊荷載的影響。結(jié)果表明，泥石流堆積物的沖擊荷載大小與其物理參數(shù)有密切關(guān)系。研究結(jié)果不僅為理解泥石流堆積物沖擊荷載提供新的視角和方法，也為工程實(shí)踐中的泥石流災(zāi)害防治提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：泥石流；沖擊荷載；試驗(yàn)研究；動(dòng)力響應(yīng)；參數(shù)

中圖分類號(hào)：P642.23? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）16-0020-04

Abstract： Debris flow is a common natural disaster， and its sudden characteristics and strong impact pose a great threat to engineering construction and human life. In this study， the material parameters and impact characteristics of debris flow deposits are discussed deeply， and a series of impact load tests are carried out. By controlling the physical parameters of debris flow deposits， such as active matching， density and water content， the influence of these parameters on impact load is explored. The results show that the impact load of debris flow accumulation is closely related to its physical parameters. The research results not only provide a new perspective and method for understanding the impact load of debris flow deposits， but also provide a valuable reference for debris flow disaster prevention and control in engineering practice.

Keywords： debris flow; impact load; experimental study; dynamic response; parameter

泥石流是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害，由于其突發(fā)性和破壞性，給人類生活和工程建設(shè)帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。在許多山區(qū)和陡坡地帶，尤其是在雨季，泥石流常常發(fā)生。這種現(xiàn)象是由于地表的泥石流堆積體和礫石在強(qiáng)烈降雨或地震的影響下突然流動(dòng)，并迅速帶走大量的材料。這些移動(dòng)的材料最終會(huì)在山腳或其他地方堆積，形成泥石流堆積物[3]。

近年來(lái)，隨著泥石流災(zāi)害事件的增多，關(guān)于泥石流堆積物沖擊荷載的研究也逐漸增加。許多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)，探討了泥石流堆積物的物理特性和其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的沖擊力度。例如， Bai等[4]針對(duì)北京市王虎溝的泥石流研究了不同粒度分布的堆積物沉積參數(shù)，并得到了一些有價(jià)值的結(jié)論。孫魯一等[5]使用數(shù)值模擬方法，模擬了泥石流堆積物在不同條件下的流動(dòng)和沖擊過(guò)程。然而，大多數(shù)研究主要集中在單一的實(shí)驗(yàn)或模擬方法上，而缺乏實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的研究方法。此外，關(guān)于泥石流堆積物沖擊荷載的研究還存在一些爭(zhēng)議，例如關(guān)于沖擊力度的預(yù)測(cè)方法和影響因素等[6]。

綜上，可以看出目前的研究成果主要集中于泥石流沖擊對(duì)既有建筑物的響應(yīng)，但沖擊荷載作用下泥石流堆積體的動(dòng)力響應(yīng)研究則鮮有涉及[7-8]。因此，設(shè)計(jì)沖擊荷載作用下泥石流堆積體動(dòng)力響應(yīng)相似模型試驗(yàn)，研究列車等沖擊荷載作用過(guò)程中泥石流堆積體的動(dòng)力響應(yīng)特征，以期為車輛防撞設(shè)計(jì)提供有效支撐。

1? 模型參數(shù)試驗(yàn)

1.1? 含水率試驗(yàn)和飽和度

根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》），采用烘干法得到土樣含水率，計(jì)算公式如式（1），測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。該泥石流堆積體的平均含水率為21.01%，飽和度為88%。

w＝■ ， （1）

式中：m0為盒質(zhì)量，g；m1為盒+濕土質(zhì)量，g；m2為盒+干土質(zhì)量，g。

1.2? 密度試驗(yàn)

采用環(huán)刀法按式（2）計(jì)算得到試樣的密度。根據(jù)密度和含水率結(jié)果，計(jì)算得到該泥石流堆積體的干密度，見(jiàn)表1。該泥石流堆積體的平均密度為2.00 g/cm3，平均干密度為1.67g/cm3。

？籽=■=■ ，（2）

式中：m1為環(huán)刀質(zhì)量，g；m2為環(huán)刀加土樣的質(zhì)量，g。

1.3? 比重試驗(yàn)

按式（3）計(jì)算得到泥石流堆積體的比重結(jié)果見(jiàn)表1。泥石流堆積體的比重平均值為2.71。

Gs=■×ＧiT ，? （3）

式中：Gs為土的比重；md為干土質(zhì)量，g；mbw為比重瓶、水總質(zhì)量，g；mbwT為比重瓶、水、試樣總質(zhì)量，g；ＧiT為T℃時(shí)純水的比重。

1.4? 顆粒分析試驗(yàn)

采用篩析法測(cè)定泥石流堆積體的顆粒級(jí)配特征，得到顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1? 顆粒級(jí)配曲線

根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算得到泥石流堆積體的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)CC。

不均勻系數(shù)Cu

Cu=■ ， （4）

曲率系數(shù)CC

CC=■ ， （5）

式中：d60為限制粒徑，在粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的60%的粒徑；d30為在粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的30%的粒徑；d10為有效粒徑，在粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑。

所取泥石流堆積體的限制粒徑d60=6.25 mm，平均粒徑d50=3.25 mm，連續(xù)粒徑d30=0.18 mm，有效粒徑d10=0.08 mm。據(jù)此計(jì)算得到泥石流堆積體的不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=78.125，曲率系數(shù)Cc=d■■/d60d10=0.06，可見(jiàn)泥石流堆積體主要以粒徑0.1 mm≤d≤10 mm分布為主，不均勻系數(shù)較大，說(shuō)明土樣的粒徑分布范圍較廣，但其級(jí)配不良，存在中間粒徑的缺失。

2? 沖擊載荷試驗(yàn)

2.1? 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究高速列車撞擊泥石流堆積體過(guò)程中車結(jié)構(gòu)-泥石流堆積體動(dòng)力響應(yīng)分析，本次試驗(yàn)設(shè)置了長(zhǎng)度1.0 m，寬度和高度均為0.6 m的模型試驗(yàn)箱，并設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中1、3、5監(jiān)測(cè)斷面為監(jiān)測(cè)沖擊過(guò)程中土體的振動(dòng)加速度，2和4監(jiān)測(cè)斷面為監(jiān)測(cè)沖擊過(guò)程中土體的動(dòng)壓力，子彈入射速度V=45 m/s測(cè)試沖擊荷載作用過(guò)程中的加速度和土壓力。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面4個(gè)傳感器，分別位于彈體入射口四周約為5倍彈體直徑的四周，如圖2所示。

2.2? 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1? 彈體垂直侵徹泥石流堆積體軌跡分析

彈體垂直侵徹泥石流堆積體表面的速度為45 m/s。彈體侵入泥石流堆積體后，泥石流堆積體迎彈體面發(fā)生輕微坍塌，在泥石流堆積體表面形成較大的鼓包測(cè)量標(biāo)定彈體侵入深度為0.29 m。彈體在侵徹泥石流堆積體時(shí)也發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，但是彈體運(yùn)動(dòng)方向向泥石流堆積體下表面傾斜，在距離入射口0.1 m左右形成大空腔，之后彈體以傾斜姿態(tài)侵徹泥石流堆積體直至停止。

2.2.2? 泥石流堆積體加速度分析

圖3為實(shí)驗(yàn)得到的彈體侵徹泥石流堆積體的加速度和位移時(shí)程曲線圖。

從圖3可以看出，埋深10 cm處為1—4號(hào)加速度傳感器，埋深20 cm處為5—8號(hào)加速度傳感器，埋深10 cm處泥石流堆積體加速度峰值分別為3.36、0.79、1.14、3.52 g；埋深20 cm處泥石流堆積體加速度峰值分別為2.23、0.13、0.26、0.94 g。表明加速度隨深度遞減，同時(shí)沿沖擊方向兩側(cè)的加速度值也逐漸減小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的波動(dòng)后很快趨于穩(wěn)定，這表明加速度波在傳播過(guò)程中，彈體與泥石流堆積體接觸面之間產(chǎn)生加速度波，加速度對(duì)土體起到拉伸作用。同理，可將加速度積分獲得位移曲線，10 cm處1號(hào)和4號(hào)處速度最大，20 cm處5號(hào)速度最大，說(shuō)明彈體與其距離較為接近。

2.2.3? 沖擊荷載作用下泥石流堆積體應(yīng)力分析

圖4為彈體沖擊荷載作用時(shí)泥石流堆積體的應(yīng)力時(shí)程曲線圖。

從圖4可以看出，埋深5 cm處為11—14號(hào)土壓力傳感器，泥石流堆積體應(yīng)力峰值分別為8.12、6.22、9.68，11.46 kPa；埋深15 cm處為15—18號(hào)土壓力傳感器，土壤應(yīng)力峰值分別為6.13、3.03、6.0、6.25 kPa。由上述可知，泥石流堆積體附加動(dòng)應(yīng)力隨深度增加而減少，且沖擊能量耗散在29 cm左右的土層內(nèi)。

3? 結(jié)論

1）研究并測(cè)試了泥石流堆積體的含水率、密度、比重和顆粒級(jí)配等參數(shù)。

2）設(shè)計(jì)了沖擊荷載作用下泥石流堆積體動(dòng)力響應(yīng)相似模型試驗(yàn)，研究了沖擊荷載作用下泥石流堆積體加速度、速度、位移和動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律。

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