文摘
介绍了法律的落石跳动范围和影响横向色散引起的不同的参数。创意组合模型试验台是开发测试网站,斜率,块人工使用相似的材料,可以满足实验所需的强度。落石跳动范围的分析,进行了一系列的实验,形状,重量,和释放的块不同澄清3个因素的影响。块的运动轨迹记录基于高速相机和定义的坐标系统。此外,最终的纵向和横向偏转距离块也被测量。此外,扩展进行实验室调查,与体块组成的160测试,提出了实证模型的试验结果估计横向分散体块质量和释放高度不同。设计的实用的缓解措施,本文研究结果可以提供一个有用的参考。
1。介绍
落石代表一个重大安全隐患运输在世界各地的山区。这是导致严重伤害或死亡的人员,可以破坏的基础设施。此外,它会导致重大经济损失当交通暂时停止由于安全原因(1,2]。与落石事件相关联的风险在这些领域需要严格管理较差的环境。因此,研究落石是预报和减灾具有重要意义。为了说明落石的问题,图1显示了一个落石事件发生在四川7月17日,2014年。总共有10人死于事故,,20多人受伤。灾难切断G213路40小时,造成直接经济损失超过2000000美元。
和之前影响边坡落石运动期间,块沿着抛物线路径在重力的作用下,初始速度和轨迹可以通过运动学计算公式。一旦块接触一个斜坡,轨迹可能会改变到另一个,和运动形式变得不确定,因为运动和地形条件。常见的响应类型反弹包括跳跃、滚动和滑动或组合(3]。减少落石灾害,各种缓解措施包括线锚、岩石螺栓、拦截沟渠、SNS柔性网和衰减器系统被广泛采用(1,4,5]。应对这些落石的设计是基于落石运动的轨迹,包括弹跳高度,偏转距离,动能,横向扩散。为模拟块的轨迹,前三个参数可以通过使用大多数二维数值软件如RocFall [6]或CRSP [7]。落石的分析横向分散,从业人员普遍采用三维数值模拟软件,给推荐值来实现减排设备。然而,使用这些程序中常见的集中参数模型,在一块被描述为刚性和无量纲一个理想化的形状(8,9]。在这个模型中,块的实际形状和配置影响被忽视,影响横向分散效果明显。因此,岩崩横向跳动的律法,对色散的影响所造成的不同的参数(如形状)不能通过大多数数值模拟(10]。
在天平斜率,最明显的3 d效果的发生“横向分散。“横向分散的比率被定义为横向偏转距离中央线的斜率(如看的斜率)偏转距离脚趾的斜率测量直线在平面追踪斜率和上平跳动区(11,12]。图2显示横向扩散的定义。文学研究考虑的决心落石横向跳动显示的因素可以分为三类:macrotopographic因素,与整体形态(如边坡坡度、凹面和凸面,纵向和横向山脊);microtopographic因素,由斜率控制“粗糙度”,这是一个函数的斜率碎片的粒度分布影响能量损失和几何散射轨迹的影响;和动态因素,相关斜率之间的相互作用特性和块动力学在跳跃,滑动和滚动1,10,11]。根据Azzoni Freitas [11],岩崩横向偏转距离的增加长缓坡,和横向分散通常相当于20%不管斜率的长度。此外,Agliardi和Crosta [1)产生的横向扩散是高达34%的基础上高分辨率数值模型进行自然粗糙和几何复杂的斜坡。
许多研究已经进行了分析落石的跳动范围和色散特性,包括现场测试,实验室调查和数值模拟。然而,没有一种实验技术,全面评估的依赖横向分散在不同的模型参数。在这项研究中,提出了一种创造性的模型试验模拟横向分散的落石过程和发展规律。此外,共进行了420组实验在落石,形状,重量,并释放块的高度是不同的澄清3因素对色散。此外,扩展进行实验室调查,与体块组成的160测试,提出了实证模型的试验结果估计横向分散体块质量和释放高度不同。
2。实验室调查
本研究的实验设计是孤立的角色rock-shape,岩体,rock-release高度落石跳动动力学从大量的重复实验。在实验室研究中,大型自然落石是不切实际的。因此,方法与小型岩石物理模型试验使用块和人工边坡结合释放装置和记录系统应用。这种方法促进重复性和岩崩动力学的量化与足够的数据进行统计和描述的行为,不同的参数在岩崩跳动。
2.1。实验仪器
模型测试系统设备专为本研究建立了包括钢结构框架,rock-release设备,人造斜坡,岩石块,和记录系统(图3)。构架是钢做的渠道,通过高强度螺栓连接结构的稳定性。此外,实验台的大小可以调整方便地根据测试需求的增加或减少的数量单帧。满足的要求释放摇滚块在任何位置,rock-release设备主要是由发布框包含与可调倾角斜底,两种类型的气体压力缸(一个是提升和下降控制箱,另一个是盒子底部)的倾向,也是一个液压油缸调整纵向rock-release框的位置。
实验用人工边坡材料制成的类似于千枚岩,由砂、水、重晶石粉、凡士林、硅油、水泥、和滑石粉按比例由张(13),具体比例如表所示1。这种相似材料研制了基于斜率材料在实际工程项目。这种材料的均匀性好,物理化学性质稳定。单位重量是25.1 kN / m3,这是接近原始的岩石。斜率是切成陡脚趾观察第一块的位置影响更明显的现象与平坦的区域,和坡面宽1.5米,高0.8米45°坡角。模具的材料用于制造岩石块采用砂的混合物,重晶石粉、石膏、水泥、水,满足高强度的要求,防止在碰撞破碎。这允许创建许多相同的块铸造模具,导致体积,球形,楔形的块有不同的质量。材料的属性用于制造斜率和街区展示在表2。碰撞块被释放的释放盒子和底板对表面通过控制底板倾角的影响。测试是由高速摄像机记录(索尼NEX-FS700)的捕获率120 fps,允许落石轨迹采集和分析物体的运动受几个参数的影响。相机被放置在距离1.5试验台和面临的斜率。
2.2。实验程序
数据是在实验室测试中,下降块相对于体积变化,球形,楔形的块有不同的质量。块高度可变的响应的影响,为每一个测试集许多重复进行。总共420例实验室进行了测试,给出了表的细节3与60倍,每个案例测试账户的随机性的影响。对于每个测试,采用坡角45°和释放角为30°。土壤剖面边坡正规化后确保测试的重现性的影响。研究通过比较立方体形状的影响,球形,楔形的块相同的初始条件(表3集1、3和6)。块质量检查的效果通过释放体块斜坡表面上有两个不同的质量值(表3集3和5)。为脱产进修高度的影响,测试执行通过控制块和坡面之间的垂直距离的初始位置(表10厘米到20厘米3集1 - 2、3 - 4和6 - 7)。测试结果进行统计的方式提供一个量化的落石特征行为根据几个参数。有必要建立一个合适的坐标系统来记录块(图位置的影响4)。远离的方向被定义为“−斜率y“在这个实验中相同坐标系统在不同实验使用这个模型试验系统。在后来的实验中,一个模型隧道将在斜坡的脚趾,发掘和挖掘方向(y)将被定义为正方向。
2.3。实验的程序
对于每个测试,10块相同形状和质量投入发布框。根据每个测试组的设计,发布框感动中直线的斜率(x= 0,参考坐标系如图4),两个气压缸由计算机控制来调整发布框之间的高度和坡面框底部的倾角,分别。为了捕获块轨迹和分析上述参数的影响,运动过程被相机记录。可以逐帧重放视频记录在计算机系统获得相对应的位置准确的时间。图5显示了典型轨迹重建合成了一系列的图片从视频中提取。块位置的影响是指记录定义的坐标系统当块影响平面区域。这项研究的结果发表在部分3重点的跳动范围块由于下降的影响。
(一)
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3所示。实验结果和评价
3.1。形状的影响
检查使用球面形状的影响,楔形的,和体块质量相同的72克,被释放在10厘米的高度。60为每个形状重复进行,导致180测试,绘制沉积数据呈现在图6。散点图的左轴是纵坐标y和下面的轴是横坐标x;正方向的y设在面临边坡表面的正方向x设在是正确的。很明显,球形块显示更大的偏转距离和横向分散比跳动的体积和楔形的块观察到沉积模式。球形块最大的绝对最大偏转距离27厘米。然而,球形块的横向扩散的趋势并不明显,大大缩短横向偏转距离与整体最大值到10厘米。在运动过程中,球形块主要是在滚动和更大的速度。观察到的实验现象,造成的球形块有点大变形斜坡碰撞过程中相对于其他两种形状。体块的径向跳动范围明显大于球形块的横向偏转距离可达40厘米。球形块相比,体块较大的摩擦阻力,当边坡表面移动,和碰撞配置发挥重要作用在反弹11,14]。球形块与相同配置的影响由于形状的对称性和体块可能会影响与侧表面,边缘,或角落,导致横向分散的偏转距离和变异较小。楔形的块、横向偏转距离是类似于立方体块,但它有偏转距离小于其他两个形状类型。由于不对称,最初版本状态影响楔形的块的运动显然这意味着块释放状态的变化可能会导致不同的边缘和方面影响斜率。从轨迹的观察记录的视频摄像头,阻止了滑动状态时的主要方面接触斜坡表面和跳动减少距离和色散。相比之下,反弹现象和轨迹变化明显时边缘影响相关斜率较大的系数归还的楔形的块(15]。由于本文的重点是横向跳动,只统计分析指的是x设在。图7显示位置横向协调的影响(x)三种形状分布统计的方式。
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(c)
从图可以得出结论7偏差的规律性似乎近似正态分布的定性视觉协议。块之间的联系方式和边坡随机影响块运动在实验过程中,这可以解释的偏差规律(10]。明显的统计数据可以来自正态分布球形块大约有80%的可能性表现出横向偏转距离小于5厘米,体块定位在这个范围内的可能性仅为50%。体积和楔形的块的影响范围是67.2厘米和87.9厘米,分别,这明显超出范围的球形块。落石冲击坐标的详细统计数据列在表中4。对于这个规律,使用集中参数模型,在理想化的球形是常见的,在2 d或3 d模拟跳动范围落石分析方法可以忽略的关键参数(块形状类型)的设计缓解。
3.2。释放高度的影响
研究块释放高度的跳动的影响范围,发布框设置为10厘米的高度和20厘米,分别。测试执行三种形状的块;为每组60重复进行。每个形状的映射沉积数据两种不同版本的高度图所示8。球形和体块偏转距离明显增加的一组20厘米释放高度相比,10厘米由于与斜率较大的初始速度时首先接触表面。球形块大的横向摆动范围当释放高度为20厘米,和的分布x协调的范围主要位于−15厘米到15厘米,这仍然是横向分散在三种形状。体块,很显然,跳动的距离和横向分散从释放高10厘米增加到20厘米,最大偏转距离和横向偏转距离可以获得40厘米和50厘米,分别。观察到的视频记录在运动过程中,体积块有明显的反弹现象,改变的可能性postimpact轨迹有增加的趋势。然而,规律性不明显楔形的块和跳动范围是相似的两个版本状态,从而构成承认楔形的高度危险的岩石的效果(图9)可以忽略设计时缓解。
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3.3。块质量的影响
为了解决在偏心块质量的影响范围,发布框设置为10厘米的高度;120与体块进行了测试,他们更实际地代表接触自然落石的配置。两块的映射沉积数据类型与不同质量(72克,170克)在图所示10。通过看情节,很显然,重块显示更大的绝对最大偏转距离28厘米,而横向偏转范围已从块质量下降的趋势72 g - 170 g和的分布x协调的范围主要位于−15厘米到15厘米。情节提供了规律,轻块对缓解措施可能会引起更严重的威胁的横向维度防护结构的设计是很重要的(例如,SNS柔性网和岩崩隔墙)。
3.4。分析离散率
离散率定义为被选为描述符的横向分散在落石的发生。考虑离散率是很重要的,因为他们是负责定义落石跳动的程度区(16]。通过量化横向跳动,倾向于一个特定的岩石跟随中央瀑布线,或偏离它,可以调查。特定的斜坡,危险的岩石的体积和位置可以考虑显然影响横向跳动,也可以从部分被发现3.2和3.3。量化这种直观的期望,一个扩展实验过程实施。发布框底部的倾角设置为30°,和四个测试集进行释放高5厘米,10厘米,15厘米,并为每一个质量20厘米(72克,170克);总数量160进行了测试。斜率等于1.1米的长度,和每一个测试集计算的价值。
图(11日)描述结果的不同释放高度(x设在)和离散率(y设在),所有测量。很明显,随着版本的差异高度增加,价值增加。另外,离散率的大小是影响块质量,轻块更大的具体价值。这在图表现得尤为明显11 (b),每一个测试集的5日和第95百分位值绘制的平均值不能合理地描述postimpact轨迹。实证模型考虑色散来自实验结果;第五百分位边界最好可以表示为一个线性函数和第95百分位边界的指数是指(10]。因此,通过最小二乘法回归系数,b,c(图11 (b)每个边界可以确定的)。此外,轻质量分布范围更大的块分散比观测到的阴谋。图的拟合公式11 (b)给出了(1- - - - - -4)。方程(1)和(2适合72 g的块。方程(3)和(4适合170 g的块。
(一)
(b)
4所示。结论
落石轨迹造型well-concerned问题,许多学者和工程师以减少潜在的落石灾害的风险。然而,有许多因素导致的不确定性块运动如边坡坡度、坡表面粗糙度,岩石的特征块,和其它一些动态因素。特别是,块的反应影响坡面和轨迹变化受到很多参数的影响。在过去的研究中,研究人员主要集中在归还的系数是一个关键的参数来确定旅行距离,高度,和能量变化模拟的计算机程序。而缓解措施的设计不仅是基于高度的纵向距离和影响,缓解措施的横向尺寸也与落石的横向扩散。然而,落石轨迹的偏差通常被忽视。
在目前的研究中,结合模型试验台是专门开发的测试网站。斜率和块人工使用相似的材料,和物理和力学参数进行了测试在实验室实验以满足强度要求。研究实时轨迹的边坡表面上移动时,基于高速摄像机和视频数据采集方法采用坐标系统定义。此外,一系列的重复实验根据测试集设计澄清块质量的影响,块形状,释放高度落石跳动范围和横向扩散。
形状的影响与球形检查通过执行测试,体积,楔形的街区。球形块少了横向偏差和更大的偏转距离相比,体积和楔形的块。与楔形的块,体块偏转距离和相似的横向分布范围更大。散点图中的差异是由于接触的配置块。球形块以可重复的方式影响而体积和楔形的块有许多不同的配置,这可能影响轨迹的偏差造成的影响。此外,楔形的块的径向跳动范围也受到初始释放状态由于不对称和释放状态的差异可能会导致不同的边缘和方面影响斜率,从而影响到运动轨迹,最终影响明显位置。
释放高度也影响偏心块的范围。球面和立方体块,偏心距离显然从发布10厘米的高度增加到20厘米,和横向偏转范围有增加的趋势。但是,楔形的块的径向跳动范围被发现对释放高度。跳动范围块质量的影响,以及质量的影响进行了研究与体块通过执行测试。的结果,很明显,重块显示更大的偏转距离而横向偏转范围有减少的趋势。基于大量实验的结果,提出了本文实证模型可以提供数量的趋势主要参与落石分散的问题。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
本文中提供的大部分工作是由中国国家自然科学基金(批准号51609129和51609129),为地质力学与地下工程国家重点实验室,中国矿业大学和技术(批准号SKLGDUEK1515),中国山东省自然科学基金(批准号ZR2014EEQ002),山东大学基础研究基金(批准号2015 gn029)和山东省博士后创新项目特别基金会(批准号201502025)。模型测试进行的岩土工程和结构工程研究中心山东大学,和帮助是高度赞赏。