泥石流堆積體物性參數測試及沖擊荷載相似模擬試驗研究

基金項目：國家自然科學基金項目（52104088）；2021年度遼寧省教育廳科學研究經費項目（面上項目）（LJKZ0361）

第一作者簡介：于洋洋（1988-），男，碩士，高級工程師。研究方向為結構設計。

*通信作者：劉家順（1986-），男，博士，副教授。研究方向為巖土力學。

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

摘" 要：泥石流是一種常見的自然災害，其突發的特性和強大的沖擊力對工程建設和人類生活構成巨大威脅。該研究主要針對泥石流堆積物材料參數及其沖擊力特性進行深入探討，對泥石流堆積物進行系列的沖擊荷載試驗。通過控制泥石流堆積物的物理參數，如顆粒級配、密度和含水量，探究這些參數對沖擊荷載的影響。結果表明，泥石流堆積物的沖擊荷載大小與其物理參數有密切關系。研究結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，也為工程實踐中的泥石流災害防治提供有價值的參考。

關鍵詞：泥石流；沖擊荷載；試驗研究；動力響應；參數

中圖分類號：P642.23" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

泥石流是一種常見的自然災害，由于其突發性和破壞性，給人類生活和工程建設帶來了巨大的風險[1-2]。在許多山區和陡坡地帶，尤其是在雨季，泥石流常常發生。這種現象是由于地表的泥石流堆積體和礫石在強烈降雨或地震的影響下突然流動，并迅速帶走大量的材料。這些移動的材料最終會在山腳或其他地方堆積，形成泥石流堆積物[3]。

近年來，隨著泥石流災害事件的增多，關于泥石流堆積物沖擊荷載的研究也逐漸增加。許多學者通過實驗和觀測，探討了泥石流堆積物的物理特性和其對工程結構的沖擊力度。例如， Bai等[4]針對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，并得到了一些有價值的結論。孫魯一等[5]使用數值模擬方法，模擬了泥石流堆積物在不同條件下的流動和沖擊過程。然而，大多數研究主要集中在單一的實驗或模擬方法上，而缺乏實驗和模擬相結合的研究方法。此外，關于泥石流堆積物沖擊荷載的研究還存在一些爭議，例如關于沖擊力度的預測方法和影響因素等[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既有建筑物的響應，但沖擊荷載作用下泥石流堆積體的動力響應研究則鮮有涉及[7-8]。因此，設計沖擊荷載作用下泥石流堆積體動力響應相似模型試驗，研究列車等沖擊荷載作用過程中泥石流堆積體的動力響應特征，以期為車輛防撞設計提供有效支撐。

1" 模型參數試驗

1.1" 含水率試驗和飽和度

根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》（以下簡稱《標準》），采用烘干法得到土樣含水率，計算公式如式（1），測試結果見表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為盒質量，g；m1為盒+濕土質量，g；m2為盒+干土質量，g。

1.2" 密度試驗

采用環刀法按式（2）計算得到試樣的密度。根據密度和含水率結果，計算得到該泥石流堆積體的干密度，見表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為環刀質量，g；m2為環刀加土樣的質量，g。

1.3" 比重試驗

按式（3）計算得到泥石流堆積體的比重結果見表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為干土質量，g；mbw為比重瓶、水總質量，g；mbwT為比重瓶、水、試樣總質量，g；ＧiT為T℃時純水的比重。

1.4" 顆粒分析試驗

采用篩析法測定泥石流堆積體的顆粒級配特征，得到顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1" 顆粒級配曲線

根據式（4）和式（5）計算得到泥石流堆積體的不均勻系數Cu和曲率系數CC。

不均勻系數Cu

Cu=■ ， （4）

曲率系數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，連續粒徑d30=0.18 mm，有效粒徑d10=0.08 mm。據此計算得到泥石流堆積體的不均勻系數Cu=d60/d10=78.125，曲率系數Cc=d■■/d60d10=0.06，可見泥石流堆積體主要以粒徑0.1 mm≤d≤10 mm分布為主，不均勻系數較大，說明土樣的粒徑分布范圍較廣，但其級配不良，存在中間粒徑的缺失。

2" 沖擊載荷試驗

2.1" 模型試驗設計

為探究高速列車撞擊泥石流堆積體過程中車結構-泥石流堆積體動力響應分析，本次試驗設置了長度1.0 m，寬度和高度均為0.6 m的模型試驗箱，并設置5個監測斷面，其中1、3、5監測斷面為監測沖擊過程中土體的振動加速度，2和4監測斷面為監測沖擊過程中土體的動壓力，子彈入射速度V=45 m/s測試沖擊荷載作用過程中的加速度和土壓力。每個監測斷面4個傳感器，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" 試驗結果分析

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生輕微坍塌，在泥石流堆積體表面形成較大的鼓包測量標定彈體侵入深度為0.29 m。彈體在侵徹泥石流堆積體時也發生了翻轉，但是彈體運動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為實驗得到的彈體侵徹泥石流堆積體的加速度和位移時程曲線圖。

從圖3可以看出，埋深10 cm處為1—4號加速度傳感器，埋深20 cm處為5—8號加速度傳感器，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，同時沿沖擊方向兩側的加速度值也逐漸減小，經過一段時間的波動后很快趨于穩定，這表明加速度波在傳播過程中，彈體與泥石流堆積體接觸面之間產生加速度波，加速度對土體起到拉伸作用。同理，可將加速度積分獲得位移曲線，10 cm處1號和4號處速度最大，20 cm處5號速度最大，說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力分析

圖4為彈體沖擊荷載作用時泥石流堆積體的應力時程曲線圖。

從圖4可以看出，埋深5 cm處為11—14號土壓力傳感器，泥石流堆積體應力峰值分別為8.12、6.22、9.68，11.46 kPa；埋深15 cm處為15—18號土壓力傳感器，土壤應力峰值分別為6.13、3.03、6.0、6.25 kPa。由上述可知，泥石流堆積體附加動應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。

3" 結論

1）研究并測試了泥石流堆積體的含水率、密度、比重和顆粒級配等參數。

2）設計了沖擊荷載作用下泥石流堆積體動力響應相似模型試驗，研究了沖擊荷載作用下泥石流堆積體加速度、速度、位移和動應力響應規律。

參考文獻：

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