落石运动过程中的落石坡面接触-碰撞力学行为研究

Belonging to rapid-onset disasters, rockfall often damages the infrastructure and causes great loss to the life and properties of people. The design of protection works are based on the track and kinetic energy. The artificial assumptions introduced in the classical procedure for evaluating rockfall, however, have led to blindness in design..As an efficient computational method for analyzing movement and deformation of blocks, the discontinuous deformation analysis (DDA) is able to consider contact and impact properly between falling rocks and the slope, and uniformly to cope with movement of various forms. Rockfall along slopes is a typical 3-dimensional problem. Nevertheless, the 3-D DDA has not been ripe enough to solve such problems. The reason for this lies in the fact that the penalty method and the open-close iteration for treating contact and impact in 2-D cases is hard to extend to the 3-D cases. In this study, the finite dimensional variational inequality is used to describe contact between 3-D blocks, and then the nonlinear complementary algorithm to solve the resulting system of nonlinear equations. .Through model test in laboratory and mumerical simulation, behaviors of contact and impact during rockfall are studied with different initial conditions, energy loss in impact between falling rocks and the slope is computed, influences of some factors (such as mechnical properties, rock sizes, rock velocities,rock incidence angles ) are investigated, the track and impact energy of falling rocks is closer to reality, providing more scientific data for protection engineering against rockfall.

边坡落石是一种突发性强的地质灾害，往往给基础设施和生命财产带来巨大损失。落石运动轨迹与动能是防护工程实施的主要依据，落石与坡面的接触-碰撞行为的处理是否适当直接影响落石运动计算结果的可靠性。.落石与坡面接触-碰撞行为是典型的三维块体动力学问题，非连续变形分析方法（DDA）可以有效的处理块体系统运动与变形。目前的三维DDA并不成熟，原因在于二维情况下所采用的处理块体接触与碰撞的罚函数法和开-闭迭代计算格式在向三维推广时存在困难，本项目拟克服上述技术难点，建立三维DDA的变分不等式形式及其鲁棒的求解系统。通过室内模型试验和数值计算分析对落石与坡面接触-碰撞这一三维力学行为进行研究，考察落石与坡面接触-碰撞导致的落石运动变化和坡面变形情况，研究相关因素（落石与坡面的物理力学性质、落石大小、速度、入射角等）对落石能量损失的影响，得到更符合实际的落石运动轨迹和冲撞能量，为落石防护提供技术依据。

边坡落石灾害为三大山地地质灾害之一，落石运动轨迹和动能的合理评价是落石防护工程设计的重要依据，其中落石与坡面接触碰撞导致的落石运动突变问题尚未很好解决。针对该问题，本项目对三维块体之间碰撞接触时应满足的力学条件进行分析，并将变分不等式理论引入描述三维块体之间的接触条件，构建了三维非连续变形分析方法的变分不等式提法，并基于外梯度法发展了相应的求解系统，该提法摒弃了原方法中的人为罚参数且无需执行“开闭”迭代，求解过程无须进行大规模方程组组装与求解，有效提升了三维非连续变形分析方法的鲁棒性。进一步的，以此为工具进行落石冲击坡面后其碰撞恢复系数的数值模拟研究，并与室内模型试验结果、理论经验公式结果进行对比验证，发现同样的初始条件下室内试验结果最大，数值模拟结果次之，理论经验结果最小。落石的碰撞恢复系数受大小和形状影响较小，受坡面角度、撞击速度、坡面硬度影响较大。一般来说，撞击速度越大则恢复系数越小，坡面角度和坡面硬度的增加会导致恢复系数增大，坡面覆草情况下恢复系数可明显降低。通过数据统计分析，推荐在实际工程中碰撞恢复系数取值建议：坡面为坚硬基岩0.4~0.5，坡面为碎石、岩石强风化层时0.3~0.4，并根据落石的冲击速度和边坡角度进行适当调整。然后，对典型拦石墙结构墙后缓冲土体中落石冲击力的扩散问题，通过室内模型试验进行研究，发现：落石冲击力的最大扩散深度与落石重量呈正相关关系，其冲击扩散角在40o-50o之间；落石冲击能量大则落石冲击力的扩散速度加快，且表层土体扩散速度大于深层土体，落石冲击力消散速度与落石冲击能量关系不大。最后，以常见的素填土、粉质粘土和砂质粉土三种材料为对象，通过数值模拟研究了其对落石冲击力的缓冲能力，研究揭示：三种材料的缓冲能力均随着土层厚度的增大而非线性增强，当土层厚度超越3m后，土层厚度继续增大其缓冲能力增长有限；三种材料的缓冲能力大小排序为粉质粘土>素填土>砂质粉土，因此推荐工程中优先考虑将粉质粘土作为缓冲层。.本项目所获取的成果具有较好的科学意义和实际应用价值，建立的三维非连续变形分析方法的变分不等式提法及其求解系统可为执行岩石工程的三维运动计算提供有力工具，获取的落石-边坡碰撞恢复系数的影响因素及其工程推荐值可供合理分析落石运动轨迹和能量，落石冲击力的扩散规律和不同土体对落石冲击力的缓冲效果可为落石防护工程设计提供重要技术参考。