散粒体斜坡上滚石法向碰撞恢复系数研究
Study on the Normal Restitution Coefficient of Rockfall Impaction Loose Granular Slope
- 防灾减灾工程学报 2023年43卷第3期 页码：604-613
- 作者机构：
1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059
2.成都理工大学环境与土木工程学院,四川 成都 610059
- 作者简介：
汤明高(1978—)，男，教授，博士。主要从事地质灾害机理、评价预测及防治研究。E-mail: tomyr2008@163.com
赵欢乐(1995—)，男，博士研究生。主要从事斜坡、冰川稳定性研究。E-mail: 2020010067@stu.cdut.edu.cn
- 基金信息：国家自然科学基金重大专项项目(41941019);第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0201)
DOI：
中图分类号： TU457收稿：2021-06-03，
修回：2021-10-13，
纸质出版：2023-06-28
- 稿件说明：
移动端阅览
汤明高,赵欢乐,毛宇祥.散粒体斜坡上滚石法向碰撞恢复系数研究[J].防灾减灾工程学报,2023,43(03):604-613.
TANG Minggao,ZHAO Huanle,MAO Yuxiang.Study on the Normal Restitution Coefficient of Rockfall Impaction Loose Granular Slope[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2023,43(03):604-613.
摘要
国内外在研究滚石碰撞问题时多将碰撞目标假设为弹塑性体，从而推导出恢复系数计算公式。但是对于散粒体斜坡，由于具有结构松散、高压缩、低黏结力等物理力学特性，如果将其完全考虑为弹塑性体，那么低估了其自身的耗能潜力。为此，我们考虑了松散介质的孔隙压密特征，改进提出了散粒体斜坡上滚石法向碰撞恢复系数的计算式，并探讨了滚石碰撞再回弹的临界条件。同时以西藏昌都察达隧道进口散粒体斜坡为算例进行数值模拟，分析了5种影响因素下滚石法向碰撞恢复系数变化规律，并与改进公式、已有相关公式计算结果进行了对比分析。结果表明改进公式与数值模拟结果较为吻合，优于假设为弹塑性体的公式计算值。研究思路及成果可为类似区域性问题提供参考。
Abstract
In the studies on rockfall impact problems in China and abroad， the impact target is commonly assumed to be an elastic-plastic body， from which the calculation formula for the restitution coefficient is deduced. However， for granular slopes， due to their physical and mechanical properties such as loose structure， high compression， and low cohesion， treating them strictly as elastic-plastic bodies may underestimate their energy dissipation potential. In this paper， we considered the pore compaction characteristics of the loose medium， improved the formula for calculating the normal restitution coefficient of rockfalls on granular slopes， and discussed the critical conditions of rockfall impact rebound. At the same time， we took the granular slope at the entrance to the Chada tunnel in the Changdu area of Tibet as an example， carried out the numerical simulation， analyzed the variation law of the normal restitution coefficient of rockfalls under five influencing factors. We also compared the calculations of the refined formula with existing ones. The results show that the improved formula aligns well with the numerical simulation results， outperforming the calculation values derived from the elastic-plastic body assumption. The methodologies and results from this study may provide reference to similar problems of other regions.
关键词
Keywords
references
Brake M R . An analytical elastic plastic contact model with strain hardening and frictional effects for normal and oblique impacts ［J］. International Journal of Solids & Structures ， 2015 ， 62 ： 104 - 123 .
Ma J L ， Liu D Y ， Chen X P . Normal and oblique impacts between smooth spheres and liquid layers： Liquid bridge and restitution coefficient ［J］. Powder Technology ， 2016 ， 301 ： 747 - 759 .
Li X ， Dong M ， Jiang D Y ， et al . The effect of surface roughness on normal restitution coefficient， adhesion force and friction coefficient of the particle-wall collision ［J］. Powder Technology ， 2020 ， 362 ： 17 - 25 .
Nietiadi M L ， Rosandi Y ， Urbassek H M . Collisions between ice-covered silica grains： An atomistic study ［J］. Icarus ， 2020 ， 352 ： 113996 .
鲍四元 ， 邓子辰 . 利用DMSM方法求解弹性撞击恢复系数 ［J］. 动力学与控制学报 ， 2005 ， 3 （ 4 ）： 44 - 49 .
Bao S Y ， Deng Z C . Solution of the coefficient of restitution for elastic impact using DMSM ［J］. Journal of Dynamics and Control ， 2005 ， 3 （ 4 ）： 44 - 49 . （in Chinese）
Johnson W . Impact strength of material ［M］. London ： Edward Arnold Limited ， 1972 .
Stronge W J . Impact mechanics ［M］. London ： Cambridge University Press ， 2004 .
Hertz H . Über die Berührung fester elastischer Körper ［J］. Journal Für die Reine und Angewandte Mathematik ， 1881 ， 92 ： 156 - 171 .
Johnson K L . Contact mechanics ［M］. London ： Cambridge University Press ， 1985 .
Thornton C . Coefficient of restitution for collinear collisions of elastic-perfectly plastic spheres ［J］. Journal of applied mechanics ， 1997 ， 64 （ 2 ）： 383 - 386 .
何思明 ， 李新坡 ， 吴永 . 滚石冲击荷载作用下土体屈服特性研究 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2008 ， 27 （ 增1 ）： 2973 - 2977 .
He S M ， Li X P ， Wu Y . Research on yield property of soil under rock-fall impact ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2008 ， 27 （ Sup1 ）： 2973 - 2977 . （in Chinese）
何思明 ， 吴永 ， 杨雪莲 . 滚石坡面冲击回弹规律研究 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2008 ， 27 （ 增1 ）： 2793 - 2798 .
He S M ， Wu Y ， Yang X L . Study of rock-fall motion on slope ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2008 ， 27 （ Sup1 ）： 2793 - 2798 . （in Chinese）
何思明 ， 吴永 ， 李新坡 . 颗粒弹塑性碰撞理论模型 ［J］. 工程力学 ， 2008 ， 25 （ 12 ）： 19 - 24 .
He S M ， Wu Y ， Li X P . Theoretical model on elastic-plastic granule impact ［J］. Engineering Mechanics ， 2008 ， 25 （ 12 ）： 19 - 24 . （in Chinese）
何思明 ， 吴永 ， 李新坡 . 滚石冲击碰撞恢复系数研究 ［J］. 岩土力学 ， 2009 ， 30 （ 3 ）： 623 - 627 .
He S M ， Wu Y ， Li X P . Research on restitution coefficient of rock fall ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2009 ， 30 （ 3 ）： 623 - 627 . （in Chinese）
杨海清 ， 周小平 . 边坡落石运动轨迹计算新方法 ［J］. 岩土力学 ， 2009 ， 30 （ 11 ）： 3411 - 3416 .
Yang H Q ， Zhou X P . A new approach to calculate trajectory of rockfall ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2009 ， 30 （ 11 ）： 3411 - 3416 . （in Chinese）
章广成 ， 唐辉明 ， 向欣 . 冲击地面过程中落石特征参量的理论分析 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2012 ， 31 （ 增1 ）： 2839 - 2846 .
Zhang G C ， Tang H M ， Xiang X . Characteristic parameters theoretical analysis of rockfall impact on ground ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2012 ， 31 （ Sup1 ）： 2839 - 2846 . （in Chinese）
柳宇 . 滚石坡面运动恢复系数研究 ［D］. 成都 ： 成都理工大学 ， 2012 .
Liu Y . The study of the coefficient of restitution of the rolling stones movement on slope ［D］. Chengdu ： Chengdu University of Technology ， 2012 . （in Chinese）
梅雪峰 ， 胡卸文 ， 罗刚 ， 等 . 基于弹塑性理论的落石碰撞恢复系数和峰值冲击力研究 ［J］. 振动与冲击 ， 2019 ， 38 （ 8 ）： 14 - 20 .
Mei X F ， Hu X W ， Luo G ， et al . A study on the coefficient of restitution and peak impact of rockfall based on the elastic-plastic theory ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2019 ， 38 （ 8 ）： 14 - 20 . （in Chinese）
叶四桥 ， 巩尚卿 . 落石碰撞法向恢复系数的模型试验研究 ［J］. 中国铁道科学 ， 2015 ， 36 （ 4 ）： 13 - 19 .
Ye S Q ， Gong S Q . Research on normal restitution coefficient of rockfall collision by model tests ［J］. China Railway Science ， 2015 ， 36 （ 4 ）： 13 - 19 . （in Chinese）
吕庆 ， 周春锋 ， 于洋 ， 等 . 滚石坡面碰撞破裂效应的试验研究 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2017 ， 36 （ 增1 ）： 3359 - 3366 .
Lyu Q ， Zhou C F ， Yu Y ， et al . Experimental study on fragmentation effects of rockfall impact upon slope ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2017 ， 36 （ Sup1 ）： 3359 - 3366 . （in Chinese）
Cui S H ， Pei X J ， Huang R Q . Rolling motion behavior of rockfall on gentle slope： an experimental approach ［J］. Journal of Mountain Science ， 2017 ， 14 （ 8 ）： 115 - 127 .
叶阳 ， 曾亚武 ， 曾超 ， 等 . 花岗岩球砾法向恢复系数试验研究 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2017 ， 36 （ 3 ）： 633 - 643 .
Ye Y ， Zeng Y W ， Zeng C ， et al . Experimental study on the normal restitution coefficient of granite spheres ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2017 ， 36 （ 3 ）： 633 - 643 . （in Chinese）
叶阳 ， 曾亚武 ， 彭志雄 ， 等 . 大理岩球砾法向碰撞恢复系数及损伤破碎试验研究 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2018 ， 37 （ 7 ）： 1680 - 1690 .
Ye Y ， Zeng Y W ， Peng Z X ， et al . Experimental study on normal coefficient of restitution and fragmenting of marble spheres ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2018 ， 37 （ 7 ）： 1680 - 1690 . （in Chinese）
胡杰 ， 李术才 ， 石少帅 ， 等 . 隧道仰坡落石冲击模型试验研究与机制探讨 ［J］. 岩土力学 ， 2018 ， 39 （ 7 ）： 2527 - 2536 .
Hu J ， Li S C ， Shi S S ， et al . Model test study of rockfall impacts on tunnel heading slope and discussion of related mechanisms ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2018 ， 39 （ 7 ）： 2527 - 2536 . （in Chinese）
杨晴雯 ， 裴向军 ， 吴梦秋 ， 等 . 不同加固技术在散粒体斜坡表层的应用对比研究 ［J］. 水文地质工程地质 ， 2019 ， 46 （ 1 ）： 139 - 147 .
Yang Q W ， Pei X J ， Wu M Q ， et al . Research on the effect of different reinforcement methods on the surface of a granular slope ［J］. Hydrogeology & Engineering Geology ， 2019 ， 46 （ 1 ）： 139 - 147 . （in Chinese）
裴钻 . 高寒山区散粒体斜坡形成演化过程及灾变机理研究 ［D］. 成都 ： 成都理工大学 ， 2016 .
Pei Z . The Evolution and catastrophic mechanism of talus slopes in alpine areas ［D］. Chengdu ： Chengdu University of Technology ， 2016 . （in Chinese）
张元才 ， 黄润秋 ， 傅荣华 ， 等 . 溜砂坡大规模失稳动力学机制试验研究 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2010 ， 29 （ 1 ）： 65 - 72 .
Zhang Y C ， Huang R Q ， Fu R H ， et al . Experimental research on dynamic failure mechanism of large-scale talus slope ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2010 ， 29 （ 1 ）： 65 - 72 . （in Chinese）
裴向军 ， 刘洋 ， 王东坡 . 滚石冲击棚洞砂土垫层耗能缓冲机理研究 ［J］. 四川大学学报（工程科学版） ， 2016 ， 48 （ 1 ）： 15 - 22 .
Pei X J ， Liu Y ， Wang D P . Study on the energy dissipation of sandy soil cushions on the rock-shed under rockfall impact load ［J］. Journal of Sichuan university （Engineering Science Edition） ， 2016 ， 48 （ 1 ）： 15 - 22 . （in Chinese）
Zhu C ， Wang D ， Xia X ， et al . The effects of gravel cushion particle size and thickness on the coefficient of restitution in rockfall impacts ［J］. Natural Hazards & Earth System Science ， 2018 ， 18 （ 6 ）： 1811 - 1823 .
王永东 ， 燕新 ， 彭浩 ， 等 . 基于Hertz理论和JKR理论的落石冲击力学研究 ［J］. 地下空间与工程学报 ， 2019 ， 15 （ 增2 ）： 598 - 603 .
Wang Y D ， Yan X ， Peng H ， et al . Study on rock-fall impact mechanics based on Hertz theory and JKR theory ［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering ， 2019 ， 15 （ Sup2 ）： 598 - 603 . （in Chinese）
朱大鹏 ， 彭泰鑫 ， 黄玲 . 砂土垫层的缓冲效应试验研究 ［J］. 中国测试 ， 2020 ， 46 （ 3 ）： 44 - 51 .
Zhu D P ， Peng T X ， Huang L . Experimental study on layering effect of sand layer ［J］. China Measurement & Test ， 2020 ， 46 （ 3 ）： 44 - 51 . （in Chinese）
徐胜 . 落石冲击力计算方法研究 ［D］. 重庆 ： 重庆交通大学 ， 2016 .
Xu S . Study on the computational method of rockfall impact force ［D］. Chongqing ： Chongqing Jiaotong University ， 2016 . （in Chinese）
王东坡 ， 周良坤 ， 裴向军 ， 等 . 滚石冲击棚洞砂土垫层物理模型试验及数值模拟研究 ［J］. 振动与冲击 ， 2020 ， 39 （ 18 ）： 195 - 202 .
Wang D P ， Zhou L K ， Pei X J ， et al . Experimental and numerical study on rockfall impacts on sand-soil cushions ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2020 ， 39 （ 18 ）： 195 - 202 . （in Chinese）
吴建利 ， 胡卸文 ， 梅雪峰 ， 等 . 高位落石作用下不同缓冲层与钢筋混凝土板组合结构动力响应 ［J］. 水文地质工程地质 ， 2020 ， 47 （ 4 ）： 114 - 122 .
Wu J L ， Hu X W ， Mei X F ， et al . Dynamic response of RC plate with different cushion layers under the high-level rockfall impact ［J］. Hydrogeology & Engineering Geology ， 2020 ， 47 （ 4 ）： 114 - 122 . （in Chinese）
张连震 ， 李志鹏 ， 张庆松 ， 等 . 基于土体非线性压密效应的劈裂注浆机制分析 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2016 ， 35 （ 7 ）： 1483 - 1493 .
Zhang L Z ， Li Z P ， Zhang Q S ， et al . Split grouting mechanism based on nonlinear characteristics of compression process of soil ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2016 ， 35 （ 7 ）： 1483 - 1493 . （in Chinese）
张连震 ， 李志鹏 ， 张庆松 ， 等 . 砂层压密特性及其对劈裂-压密注浆扩散过程的影响 ［J］. 煤炭学报 ， 2020 ， 45 （ 2 ）： 667 - 675 .
Zhang L Z ， Li Z P ， Zhang Q S ， et al . Compaction behavior of sand layer and its effect on diffusion process of fracture-compaction grouting mode ［J］. Journal of China Coal Society ， 2020 ， 45 （ 2 ）： 667 - 675 . （in Chinese）
曹文贵 ， 张超 ， 贺敏 ， 等 . 考虑空隙压密阶段特征的岩石应变软化统计损伤模拟方法 ［J］. 岩土工程学报 ， 2016 ， 38 （ 10 ）： 1754 - 1761 .
Cao W G ， Zhang C ， He M ， et al . Statistical damage simulation method of strain softening deformation process for rocks considering characteristics of void compaction stage ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2016 ， 38 （ 10 ）： 1754 - 1761 . （in Chinese）
阎宗岭 . 堆石体物理力学特性及其工程应用研究 ［D］. 重庆 ： 重庆大学 ， 2003 .
Yan Z L . Research on physical and mechanical characteristics of rockfill and its engineering applications ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2003 . （in Chinese）
毛宇祥 . 拟建线路工程昌都段崩塌发育分布特征及其滚石运动过程研究 ［D］. 成都 ： 成都理工大学 ， 2020 .
Mao Y X . Study on development and distribution characteristics of collapse and rockfall movement process in Changdu section of Proposed line project ［D］. Chengdu ： Chengdu University of Technology ， 2020 . （in Chinese）
Azzoni A ， Barbera G L ， Zaninetti A . Analysis and prediction of rockfalls using a mathematical model ［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts ， 1995 ， 32 （ 7 ）： 709 - 724 .
Kawahara S ， Muro T . Effects of dry density and thickness of sandy soil on impact response due to rockfall ［J］. Journal of Terramechanics ， 2006 ， 43 （ 3 ）： 329 - 340 .
0
浏览量
0
下载量
2
CSCD
- 网络PDF下载
- WORD下载
- Meta-XML下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 苏ICP备05012539号-11
苏公网安备32010202012147号 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies
