滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法.pdf

第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划项目()西藏自治区科技计划项目()国家自然科学基金项目()作者简介:姚 军()男硕士研究生主要从事滑坡碎屑流与防护结构动力作用的研究:.通讯作者:李新坡()男研究员博士主要从事滑坡崩塌灾害机理及防治技术的研究:.文章编号:()./.滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法姚 军李新坡孙玉莲吕珉昌(.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所四川 成都 .中国科学院大学北京)摘 要:滑坡碎屑流由于体积大、速度快和运动距离远的特性常常在下游造成较大破坏形成严重的自然灾害 基于消能桩与滑坡碎屑流结构的动力相互作用过程采用功能原理和结构力学方法推导了消能桩对滑坡碎屑流能量耗散的理论计算模型 首先通过冲击力计算模型获得滑坡碎屑流冲击力的垂向分布其次由悬臂梁挠曲变形的关系确定其抗弯反力然后根据滑坡碎屑流在坡面上流动的面积、厚度估算消能桩的反力以及在反力方向上碎屑流通过的距离最后计算单根桩的动能耗散量 采用推导的公式进行消能桩的优化设计:综合考虑下游防护对象的位置和滑坡体的堆积位置计算消能桩的“消能效益”确定消能桩的数量根据最大块石的冲击力作用计算需要消能桩的排数从而确定消能桩的排布设计 选取一个滑坡碎屑流实例采用上述理论计算模型设计消能桩计算出消能桩的数量和排数并根据计算结果进行优化布设 结果表明该模型适用于消能桩的优化设计与应用关键词:滑坡碎屑流消能桩动力计算优化设计中图分类号:文献标识码:(.):.:.自 然 灾 害 学 报第 卷:引言我国地域辽阔山地面积宽广导致地质灾害频发滑坡是最常见的地质灾害破坏性极大并且难以实现精准的预测往往对人们造成较大的伤害 滑坡碎屑流是由于滑坡失稳破坏后在重力作用下向下运动形成一种离散的、破碎的、具有流体特征的碎屑流 由于滑坡碎屑流的远程运动具有巨大的体积和能量经常造成生命财产和基础设施的重大损失滑坡灾害形成的碎屑流其运动特征表现为体积大、速度快和运动距离远往往会对沿途的居民和基础设施造成巨大的破坏 滑坡碎屑流的发生、运动机制是防护结构设计的基础近年来逐渐成为国内外学者关注的对象尤其是通过理论分析和模型试验对碎屑流的流动特征和运动特性的研究使得人们对于碎屑流的认识越来越清晰并且在此基础上提出了一系列的防护措施基于防灾减灾的重要需求近年来许多学者和工程技术人员在崩塌滑坡碎屑流防护结构和技术方面展开了大量研究取得了较多的进展 消能桩结构设置在滑坡碎屑流的运动路径上可以降低崩塌滚石和碎屑流的运动速度减小其运动距离和影响范围从而降低灾害对下游建筑物的危害 此前的研究中对滚石、滑坡或岩崩等形成的颗粒流的冲击力以及影响冲击力因素的研究较多 等、等通过室内模型试验研究了滑坡、岩崩灾害形成的巨大冲击力建立了基于动量守恒的方程从而推导挡墙上的时变力 等在室内进行模型试验分析颗粒流与挡土墙等防护结构相互作用时挡土墙前堆积死区和颗粒流动层对冲击过程的影响并且研究了颗粒流对挡土墙的冲击力计算 程谦恭等以谢家店子滑坡碎屑流为例对比分析了相同运动参数条件下的桩群防护结构对滑坡碎屑流运动产生的影响 结果表明桩群防护结构对碎屑流具有明显的阻滞和耗能效应 等采用数值模拟方法研究分析了挡墙、桩群对滑坡体灾害的防护机制、何思明等推导了滚石运动特性和冲击力的理论计算公式验算崩塌滚石的冲击力 陈果等基于三溪村滑坡研究高位远程滑坡的速度和冲击力等关键因素与时程的演化关系 沈均等利用桩土材料的弹塑性性质分析推导了消能桩在滚石冲击作用下的变形计算公式上述研究中无论是运用数值模拟方法还是理论计算方法都只关注碎屑流的冲击特性和冲击力大小对滑坡碎屑流冲击力的分布、消能桩的内力以及两者的动力作用计算考虑较少尤其是消能结构内力对碎屑流动能耗散的计算缺少可应用于实际的消能结构设计方案的研究 本文以此为基础主要进行滑坡碎屑流的冲击力计算研究推导得到碎屑流运动过程中的垂向速度分布探究得到滑坡碎屑流对消能桩结构的冲击力分布计算模型进而运用力法和功能定理计算消能桩的稳定性和挠曲变形 其中消能桩的变形能和内力做功是碎屑流动能耗散的主要方式基于此结合稳定性验算得到消能桩消能量的理论计算模型 最后采用具体算例验证了该理论计算模型的可行性消能桩系统的基本原理滑坡的防治主要分为主动防护和被动防护 种主动防护包括加锚杆、锚喷记忆抗滑桩等在危岩体发生破坏之前直接设置于危岩体上与其融为整体加强其稳定性达到防止危岩体失稳破坏的目的被动防护一般是在滑坡坡脚设置消能结构如消能桩、拦挡结构等被动防护主要通过消能结构耗散滑体的动能或改变滑体的运动路径达到保护基础设施和人们生命安全的目的 消能桩结构是被动防护的一种主要通过消能桩的变形、消能桩与碎屑流的碰撞、摩擦对滑坡碎屑流的动能进行耗散减小滑坡的冲击能量和影响范围从而达到降低目标风险的作用 消能结构一般布置在滑坡影响范围的中下游如图 所示施工条件优于高位滑坡体的主动加固工程在高位滑坡风险防控方面具有较大的工程应用价值 当碎屑流冲击消能桩时桩体发生变形产生抗弯反力作用于碎屑流以此耗散碎屑流的动能从而达到消能的目的 本文将探讨当消能桩锚固于基岩且不考虑岩土体的变形时消能桩对滑坡碎屑流的消能计算过程将地面以上的消能桩简化为悬臂梁结构在冲击力作用下悬臂梁会发生挠曲变形并且产生抗弯反力反力在消能桩与碎屑流相互作用整个过程中做功消耗滑坡碎屑流的动能如图 所示 在这个过程中消能第 期姚 军等:滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法桩的反力大小与分布的计算、反力作用的时间和距离以及分布式冲击力作用下消能桩的变形是消能计算的重要环节因此本文将研究滑坡碎屑流冲击力的分布、冲击力做功以及消能桩的变形计算模型并以此提出消能桩的设计方法 图 消能桩布设示意图 图 消能桩结构示意图 .动力作用解析计算模型.冲击载荷演变过程图 不同时段碎屑流冲击力的分布形式.消能桩的挠曲变形和抗弯反力是计算其消能量的前提碎屑流对消能桩的冲击力是设计的关键 根据 等在碎屑流对刚性结构冲击力的数值模拟研究中表明碎屑流冲击消能桩的冲击力变化可以概述为压力相对集中段峰值型分布段和稳定抛物线型分布段 个阶段如图 所示本文主要建立 种冲击形式下的消能计算模型分别是考虑碎屑流呈连续性流体时的抛物线型冲击力作用下的消能桩消能计算模型如图 中分布式冲击力所示和考虑大颗粒滚石冲击作用下的消能计算模型如图 中集中型冲击力所示.节和.节主要介绍滑坡碎屑流冲击力的计算推导过程为计算模型的建立提供依据.动力作用计算模型.碎屑流速度计算滑坡碎屑流与消能桩结构的动力计算模型是建立在滑坡碎屑流冲击力的计算基础上的滑坡碎屑流向下运动时将其视为连续流动冲击力的大小主要由碎屑流的速度确定本文根据碎屑流在垂向上的速度分布确定消能桩上冲击力的分布 在此基础上将碎屑流简化为连续介质引入碎屑流的垂向速度分布推导碎屑流冲击力的垂向分布计算模型并在该分布式冲击力作用下研究消能桩的动力计算模型碎屑流的运动速度由消能桩的布设位置确定 根据消能桩的布设位置计算滑坡碎屑流运动到消能桩处流过的路程 由能量守恒定理推导得到碎屑流冲击消能桩时的平均速度计算式为 ()式中:为碎屑流冲击过程的平均流速(/)为滑坡碎屑流的质量()为等效摩擦系数碎屑流在运动过程中会在底部出现一小段非流动层且底面处的速度为 在该段上速度直线增加但是这段厚度一般较小可忽略不计 等通过研究倾斜渠道中碎屑流的速度分布认为碎屑流的速度在表面最大底面处接近于 从自由面向下速度不断减小这种说法在试验中被验证并得到广泛应用由于在实际工程中滑坡碎屑流的粒径大小不一且在堆积体中难以测量因此本研究中的速度分布计算忽略了颗粒粒径的影响只考虑碎屑流的厚度和表面流速由此可推导出碎屑流的垂向速度分布式为自 然 灾 害 学 报第 卷()/()式中:为竖直方向坐标 为碎屑流的厚度 垂向速度的计算参数通过调研很容易得到底面处的速度等于 接近自由面部分呈现均匀分布与 等试验中碎屑流的速度分布相符合.碎屑流冲击力计算图 运动速度垂向分布图.将滑坡碎屑流简化为 流体从物源地在自重作用下发生运动运动过程中存在粘性和剪切特性 在计算碎屑流的速度分布时将其视为定常剪切流动垂直坡面不产生速度分量 简化计算时如图 所示将碎屑流简化为二维平面上的流动碎屑流的密度为 粘性系数为 坡体的倾角 由滑坡体的源位置与滑坡堆积位置的倾角确定根据防护对象位置消能结构的作用是消耗碎屑流的动能将滑坡堆积位置提前一定距离滑坡碎屑流在某一位置的冲击力由碎屑流的速度和碎屑流的流动特性确定 等根据试验分析得出滑坡碎屑流冲击力的经验计算式为 .().()式中:为颗粒密度(/)为颗粒流冲击速度(/)为冲击力计算点距离坡面的垂直深度()实验室的模型试验中碎屑流的速度相对较小往往不会大于 /使得上述计算模型在实际应用中具有局限性对于速度较大的碎屑流计算出的冲击力大小与实际情况相差较大 基于此根据水动力模型总结出适用更广的计算式为 ()式中:为运动过程的动压系数 值得注意的是当碎屑流的冲击速度大于 /时消能桩上的冲击力将大于 (为.为 /时)对于实际滑坡碎屑流冲击力的计算中依然相对有效因此应用式()计算某一位置处滑坡碎屑流的冲击力是可行的本文考虑滑坡碎屑流的垂向速度分布推导了抛物线型冲击力分布的理论计算模型根据碎屑流在不同运动位置的冲击力计算式()和碎屑流速度的分布式()得到作用于消能桩的冲击力计算模型为 /()碎屑流与消能桩的动力作用由滑坡碎屑流对消能桩的冲击力决定 根据冲击力分布考虑滑坡碎屑流与消能结构的相互作用、消能桩的抗弯反力做功设计消能桩的消能计算模型.碎屑流对消能桩的(主动)冲击与消能计算本文主要研究消能桩对滑坡碎屑流的消能作用滑坡碎屑流与消能桩相互作用过程中由于冲击力呈非均匀分布因此需要计算验证消能桩的稳定性和单根消能桩的消能量 主要存在 种能量耗散方式:一种是滑坡碎屑流冲击(主动)消能桩消能桩的变形能耗散滑坡碎屑流的动能另一种是消能桩的抗弯反力做功在计算之前做如下假定:)假定消能桩所受横向载荷均匀分布只沿竖直方向发生变化)消能桩水平方向的位移与等效模型的悬臂梁的挠度相等)将消能桩划分为 段并用每段中点的挠度、荷载作为该段的平均挠度、荷载作用于悬臂段的冲击力荷载采用差分方法进行处理如图 所示 对于任意冲击荷载 将第 段的荷载作用等效为一个集中力其值为(.)(.)()()式中:为消能桩宽度 为选取任意微小段在竖直方向的高度 为第 段的位置 根据梁上的冲击力分布由结构力学原理推导出梁上每一段的弯矩计算式并且由悬臂梁的挠曲微分方程确定消能桩悬臂段上每一段的挠曲变形计算滑坡碎屑流动能转化为消能桩变形能的大小 其中梁的挠曲微分方程表示为()()第 期姚 军等:滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法式中:、分别为消能桩的弹性模量()和截面的惯性矩()为冲击力作用下消能桩的变形挠度()()为梁截面的弯矩()将悬臂梁划分为 段计算时将每一段的冲击力分布简化为直线型分布并简化为三角形分布式荷载和均匀分布式荷载如图 所示建立以地面为起点的 轴图 悬臂梁冲击力载荷分布图.划分的第 段中根据碎屑流的冲击力分布式推导均布载荷作用下的弯矩计算表达式为()()()式中 为均布荷载时的冲击力大小联立梁的挠曲微分方程可积分得到第 段的挠曲方程为()()()式中 是任意常数可通过边界条件()确定 例如第一段梁高度为 代入边界条件得到挠曲方程为()()()同理计算三角形载荷作用下梁的弯矩计算表达式为()()式中 为三角形荷载作用下的最大冲击力联立求解第 段悬臂梁在三角形载荷作用下的挠曲方程为()()式中 为任意常数由每段梁的边界条件确定 例如第一段梁的边界条件为 时地面处的转角和挠度均为 因此第一段梁在三角形载荷作用下的挠曲方程为()()随后将第二段的边界条件当做是第一段自由端的转角和挠度依次计算各段的挠曲方程一般把悬臂段划分为 段即可获得较为精确的结果精度要求较高时可适当增加划分段数 根据上述计算过程可求得梁上各点的挠度()()()()对梁截面进行复核确定梁的最大承载力确保消能桩不被破坏只要消能桩与碎屑流存在接触则消能过程就一直持续 消能桩的抗弯反力()与碎屑流的冲击力是一对相互作用力根据滑坡碎屑流冲击力计算模型确定 消能桩的 个消能过程:一是滑坡碎屑流的冲击(主动)作用下由消能桩的变形消耗的能量由抗弯反力()和变形挠度()确定二是碎屑流流动过程中消能桩的抗弯反力(被动)作用的消能由碎屑流对消能桩冲击力和二者之间的相对运动距离 来确定由力学原理可确定单根消能桩的消能量计算公式为()()()()式中:为单根消能桩的消能量 为消能桩抗弯反力的作用距离可根据碎屑流在运动过程中的深度和运动宽度结合前期调研估计滑坡体的总方量估算碎屑流在运动时的堆积长度作为抗弯反力方向上的运动距自 然 灾 害 学 报第 卷离:/(为滑坡体的总体积 为滑体流动的宽度 为碎屑流的流动深度)()为消能桩的挠曲变形 根据上述计算过程可确定单根桩对滑坡碎屑流的消能量为后续消能桩阵的设计提供依据.大颗粒滚石对消能桩的(主动)冲击与消能计算滑坡碎屑流的颗粒粒径分布范围广泛小到几毫米大到几米 值得注意的是碎屑流中粒径较大的滚石往往运动速度更快对消能桩形成单独的冲击作用并且大颗粒滚石的冲击力集中往往会直接造成消能桩的破坏 因此在考虑滑坡碎屑流的消能计算时需要验算在大颗粒滚石的冲击作用下消能桩的整体稳定性 本文将大块石的冲击力简化为一个作用在消能桩悬臂段上的集中力 集中力作用下悬臂梁的变形与冲击力的关系可通过式()、式()计算:()式中:为消能桩的挠曲变形()为冲击力()为大块石作用在消能桩悬臂段的高度()、分别为消能桩的弹性模量()和截面的惯性矩()()()式中()为消能桩上受冲击位置的弯矩大小由式()、式()联立可得冲击力与消能桩变形的关系验算消能桩的稳定性 若单根消能桩在冲击作用下被破坏则需考虑采用多排消能桩的防护形式拦挡大颗粒滚石由功能定理计算大颗粒滚石的冲击动能单根消能桩的消能量取为最大形变量以将滚石动能减小到 为消能目标计算消能桩的排数为()式中:为设计最少消能桩的排数 为大块石的质量 为大块石的速度 式()可保证消能桩阵的稳定性保证在大颗粒(块石)的冲击作用下消能桩阵仍然发挥消能作用计算得到消能桩的排数可作为消能桩阵的设计依据即在保证消能桩阵具有持续的消能作用时至少需要布设 排消能桩.消能量计算与消能桩设计消能桩主要用以防护滑坡碎屑流对下游的基础设施和人们生产生活不被影响因此在设计消能桩的实际参数之前需要计算实际滑坡灾害的冲击动能以及在保障人们生命安全和基础设施安全的前提下消能桩需要提供的消能量滑坡碎屑流的运动距离是判定其运动速度储存动能的基础可根据能量守恒定理计算滑坡碎屑流的运动距离为 ()式中:为滑坡碎屑流的总质量 为滑动前后滑体堆积的高差 为滑动后堆积体的重心高度 为滑体运动过程中的等效摩擦系数 为碎屑流的运动距离 式中滑体总质量滑动前后高差以及碎屑流在运动过程中的等效摩擦系数均可由前期地质勘察得到在实际工程中可根据地形地貌等实际情况选取 滑动后碎屑流的最终堆积高度根据滑坡体本身的性质由现场试验进行简单测量滑坡体最终堆积下来速度为 由式()可计算出滑坡碎屑流的运动距离 消能桩的主要作用是减少滑坡碎屑流的动能使得滑坡碎屑流的最终堆积位置停留在防护对象之前假设碎屑流最终堆积的位置与需要防护的建筑物位置的距离为 在该处堆积的滑体与最终堆积位置的高差为 则需要消能桩提供的消能量为 ()由式()计算出消能桩阵需消耗的总消能量联立式()可计算确定至少需要的消能桩数量/为消能桩的设计提供依据综上所述可将滑坡碎屑流消能桩结构动力计算模型的具体计算步骤表述为:第一步对滑坡灾害点展开地质调查确定滑坡、消能桩的参数并计算消能桩阵需要承担的消能量滑坡碎屑流的运动距离防护对象位置碎屑流粒径等第二步根据获取的参数采用式()、式()式()计算滑坡碎屑流的冲击力及其分布第三步根据冲击力的分布和消能桩参数采用式()式()计算单桩的消能量和总的消能量第第 期姚 军等:滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法四步计算碎屑流中大颗粒滚石的冲击动能以及消能桩对大颗粒滚石的消能量第五步根据计算出的单桩消能量大颗粒滚石的冲击动能设计消能桩的数量和排数计算流程如图 所示 消能桩的行距以形成连续拦截效应为主要目的消能桩布设形成一个整体发挥类似于拦挡坝的效益排布形式如图 所示消能桩的布设位置根据地形地貌确定 下面通过一个算例验证上述计算模型并据此提出具体的消能桩设计过程图 计算流程图.算例.背景资料为验证本文理论计算的合理性以西藏自治区某高速远程滑坡碎屑流灾害点为例整体坡度 距离下游村庄约.滑坡前后缘最大高差 根据滑坡碎屑流水平运动距离和竖直高差估算等效坡度为 测算物源区滑体规模约为.滑坡体源区出口段距离斜坡坡脚高差约为 调查中测得碎屑流的重度约为 /距离该灾害点下游最近的防护对象是在滑坡体预测堆积体前缘 左右的村庄该灾害点的工程地质剖面图如图 所示 计算灾害点的具体参数如表 所示 该灾害点对下游交通与基础设施造成极大的危害亟需治理图 滑坡工程地质剖面图.自 然 灾 害 学 报第 卷表 灾害点特征参数 失稳方量/()滑动距离/平面面积/高差/地质摩擦系数颗粒粒径范围/等效坡度/().调查发现滑坡体主要含有黏土和碎石碎石块的直径范围在 内因此设计消能桩时为考虑对大块石的拦截作用消能桩悬臂段的高度设计为 选用钢筋混凝土浇筑刚性消能桩钢筋混凝土消能桩的标号根据工程实际选取主要通过梁的挠曲方程复核后进行验算桩的边长拟定为.根据混凝土施工规范确定消能桩的结构参数初步选定标号为 的混凝土修建消能桩阵其中弹性模量为:./截面惯性矩 /.土建工程中对于梁结构限制其挠跨比的范围为/为梁的有效长度 将悬臂梁划分为 个小段计算其挠曲变形和抗弯反力.碎屑流消能桩动力作用计算第一步:参数获取 消能桩阵的位置设计在滑坡体源区出口段距离斜坡坡脚高差约为 由功能定理计算碎屑流从物源区运动至坡脚的平均速度为 /由消能桩阵流出的速度为 /本文的计算模型采用两者均值作为碎屑流速度分布计算的表面流速 等于 /第二步:碎屑流冲击力(主动)的计算 根据混凝土施工规范已知在土建工程中梁的挠跨比的范围为/这里选取/进行验算梁长度为 因此梁的最大允许挠度为 由能量守恒定律计算滑坡碎屑流冲击消能桩时的平均速度为 /由式()可计算出碎屑流在垂直方向上的速度分布:()/()从而确定垂直方向上的冲击力(式()其中 取.为.为滑坡碎屑流的密度为./将消能桩划分为 段每段长度为.根据式()计算每段消能桩所受的冲击力如表 所示冲击力分布如图 所示表 碎屑流切向冲击力 垂直高度/冲击力/矩形荷载/三角形荷载/消能桩变形/.第三步:消能桩的稳定性与消能计算 将每段上冲击力的变化视为均匀变化因此可以将冲击力分解为三角形载荷和均布载荷 对于三角载荷作用下桩的变形采用式()进行计算从地面向上以此计算矩形均布载荷采用式()计算从下向上叠加最终得到各段结点处的变形挠度如表 所示 经计算消能桩的最大变形为.小于消能桩悬臂梁段的允许变形 失稳复核满足要求消能量计算:根据前期地质勘察得到滑坡碎屑流的物源与出口段之间的高差、总规模和等效摩擦系数由能量守恒定律估算滑体的运动距离计算最终的堆积区冲击村庄后还继续向前运动约 因此消能桩的效能效益取 可保证村庄的安全消能桩的总消能量按照式()计算:其中 根据地形地质选取等效摩擦系数为.根据计算出的滑坡碎屑流水平运动距离和竖直高差估算为 消能前后堆积体的高程相同即 为 由式()计算出需要消能桩提供的总消能量为.消能桩设计:根据滑体规模、滑动路径的宽度以及运动过程中碎屑流的深度获得抗弯反力的作用距第 期姚 军等:滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法离 结果为 根据式()计算单根消能桩的抗弯反力在整个冲击过程中做功和消能桩变形消能量之和为.需要消能桩阵提供的总消能量为.则至少需要布设的消能桩数量为:./.根图 滑坡碎屑流冲击力分布图.第四步:碎屑流大颗粒滚石的冲击与消能计算 前期调查显示碎屑流中块石直径的范围为 选用最大块石直径 验算消能桩的稳定性根据现场调查显示滑坡碎屑流中最大块石的直径为.其质量为 /(/)假设撞击过程中的冲击力大小恒定则根据式()计算出冲击力的大小为.冲击力作用的位置在消能桩的悬臂段中间部分 在集中荷载作用下消能桩的挠曲变形按照式()计算其中悬臂梁的长为.运用积分计算在该冲击力作用下消能桩的消能量为.大块石的动能为/.在保证消能桩阵整体稳定性的前提下根据式()计算出至少需要消能桩的排数:./.即至少需设计 排消能桩这里取 排第五步:消能桩阵设计 根据上述计算得出在冲击力作用下单根消能桩的最大耗能量确定在防护下游村庄安全前提下所需要的消能桩数为 根保证消能效益的前提下消能桩的排数至少为 排这里设计布置 排 为保证消能桩系统的稳定性可选择增加 根消能桩便于布设 碎屑流的运动具有流体的连续性因此各消能桩的布置呈梅花型每排的桩间距取 每排布设 根消能桩每排消能桩的间距根据地形条件设计为 上述计算中考虑了消能桩的变形能和桩的抗弯反力做功来耗散滑坡碎屑流的动能由下游村庄位置确定消能桩阵的作用是将滑坡碎屑流的堆积位置提前约 同时针对滑坡碎屑流中的大颗粒块石计算中设计多排消能桩拦挡将大颗粒块石的动能完全耗散的同时也保证了消能桩阵的稳定 由此设计的消能桩阵即可以满足防护作用的要求也可以保证消能桩阵的稳定表明上述计算方法的可行性 综上所述本文提出的消能桩计算方法应用到实际滑坡碎屑流灾害的消能桩设计是可行的能够为滑坡碎屑流灾害的工程防护提供一定的设计建议结论本文研究了滑坡被动防护中的一种消能桩的设计方法考虑消能桩的 种消能形式即桩的变形能和抗弯反力做功消能以消能桩的变形理论为基础假设地基是不发生变形的刚体研究了消能桩挠曲变形和反力做功的理论计算方法通过计算碎屑流冲击作用下消能桩的挠曲变形验证消能桩的稳定性结合功能原理对消能桩的消能量和消能效益进行研究得出以下结论:)根据水动力学模型结合碎屑流的垂向速度分布推导了碎屑流冲击力分布计算模型为探明滑坡碎屑流消能桩结构动力作用提供理论依据 运动过程的冲击力根据功能原理计算得出的平均流速与实际情况存在一定的差异性运动速度的计算模型后续会继续研究并补充)计算中考虑 种消能方式一种是消能桩的变形能另一种是消能桩的反作用力做功 计算中假设自 然 灾 害 学 报第 卷冲击力在碎屑流与消能桩的接触过程中一直存在计算出消能桩的消能量将大于其实际承担的消能量在理论上是可行的)提出了一种消能桩的设计方法:即根据地形、消能效应设计计算滑坡碎屑流防护所需的消能桩数量和排数该计算模型在算例中得到验证 在基于功能原理、碎屑流速度、冲击力和悬臂梁的挠曲变形计算过程中合理的假设和正确的理论模型是计算正确的关键 文中未考虑消能桩位置、排布的影响忽略每排消能桩受力的差异和消能桩之间的土拱效应后续会继续开展研究参考文献:张明 殷跃平 吴树仁 等.高速远程滑坡碎屑流运动机理研究发展现状与展望.工程地质学报 ():.():.().():.李华 史文兵 朱要强 等.贵州省水城县“”灾难性滑坡形成机制研究.自然灾害学报 ():.“”.():.().:.(/):.鲁晓兵 王义华 王淑云 等.碎屑流沿坡面运动的初步分析.岩土力学 (增刊):.():.()郝明辉 许强 杨磊 等.滑坡碎屑流物理模型试验及运动机制探讨.岩土力学 (增刊):.():.().:.:.何思明 吴永 李新坡.滚石冲击碰撞恢复系数研究.岩土力学 ():.():.()吴永 何思明 李新坡 等.山区桥墩抗滚石冲击的双腔椭圆偏心包裹结构研究.工程力学 ():.():.()王东坡 何思明 李新坡 等.冲击荷载下 垫层棚洞耗能减震作用研究.四川大学学报(工程科学版)():.()():.()王东坡 何思明 李新坡 等.滚石冲击闭孔泡沫铝夹芯板耗能缓冲机理研究.四川大学学报(工程科学版)():.()():.()宋跃 姜元俊 王萌.碎石垫层对碎屑流冲击棚洞的缓冲效应研究.岩石力学与工程学报 ():.():.()张睿骁 樊晓一 姜元俊 等.不同拦挡结构对滑坡碎屑流冲击和堆积特征的影响.自然灾害学报 ():.():.().:.():.():.:.程谦恭 王玉峰 宋章.高速远程滑坡岩屑流桩林防控机理分析川藏铁路建设的挑战与对策 学术交流会.成都:中国铁道学会 :.第 期姚 军等:滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法 .:.().():.():.():.:.():.何思明 吴永 沈均.泥石流大块石冲击力的简化计算.自然灾害学报 ():.():.()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.岩石力学与工程学报 (增刊):.():.()陈果 钮志林 樊晓一 等.高速远程滑坡沿程速度演化与冲击力分布研究 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