关于泥石流路基的破坏机理及支挡结构研究.pdf

122023No.2上语么路收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 1道路工程SHANGHAI HIGHWAYS-关于泥石流路基的破坏机理及支挡结构研究柯韶光（江西省嘉恒实业有限公司，江西南昌330 10 0）摘要：为研究泥石流路基的破坏机理和支档结构，运用泥石流路基流固耦合原理、泥石流发生机理和物理力学特性的相关理论知识，结合有限元软件ADINA，建立对应的泥石流体k-紊流模型，进行二维数值的仿真模拟，以此来分析路基-拦挡结构在泥石流冲击作用下的力学特性，同时对路基-拦挡结构的主体材料进行优化研究。研究结果表明：在路基受到泥石流冲击的过程中，泥石流速度从零开始，不断变大，路基应力和泥石流冲击呈现出明显的正相关关系。泥石流和路基边坡刚接触时，泥石流的运动状态发生了剧烈变化。随着流速不断增大，泥石流的冲击作用越来越强烈，此时，路基的应力变化也随泥石流的冲击而不断变大，整个流固耦合面都受到了泥石流的冲击作用。倾角从0 增加到15。的过程中，支挡结构的最大应力随倾角的增大而快速变小。当倾角大于15时，支挡结构的最大应力开始处于稳定状态。路基的最大应力随着倾角的增大，先慢慢变小，最后趋于稳定。废弃轮胎缓冲层对路基-支挡结构能起到明显的缓冲效能的保护效果。基于保护效果和经济性等因素，建议废弃轮胎缓冲层的厚度为1m。关键词：泥石流；破坏机理；有限元分析；支挡结构；废弃轮胎利用0引言在泥石流路基建设维护工程中，路基支挡结构的建设较为重要。好的支挡结构能够有效消减泥石流的冲击力。针对泥石流冲击作用下的路基-拦挡结构的特点，国内外学者进行了大量的研究。王昱 通过理论知识，对泥石流产生的机理、产生原因的种类、对路基作用的机理，以及路基防护结构对泥石流两相流的作用进行研究，得到了泥石流冲击作用的时间和泥石流两相流冲击力的计算方法。由于其具有成本低、节能环保、易得性、良好的消能效果，以及后期维护成本低等特点，可对废弃的旧轮胎进行废物二次利用，以充当公路路基的支档结构，这在很大程度上，能防止泥石流对路基的破坏。刘情 2 1 等人对实际的泥石流堆积体路段工程案例进行了系统深人的研究，最终得到滑移泥石流堆积路段的路基整体结构性能稳定的监测方案。徐士彬 3 运用理论知识，结合综合评价法及建立相关试验模型的方法，从泥石流作用下的路基变形、强度和整体稳定性这三个维度，对路基的易损性进行综合探究，提出了一套科学有效的路基易损性综合评价指标方案，并对这些指标进行了等级划分，为后期相关路基易损性的研究提供了参考。本文为研究泥石流路基的破坏机理和支档结构，在参考现有研究的基础上 4-6 ,运用泥石流路基流固耦合原理、泥石流发生机理和物理力学特性的相关理论知识，结合有限元软件ADINA，建立对应的泥石流体k-8紊流模型，进行二维数值的仿真模拟，以此来分析路基-拦挡结构在泥石流冲击作用下的力学特性，同时对路基-拦挡结构的主体材料进行优化研究，以期能为日后的其它泥石流路基工程提供参考。1工程概况本项目位于某条小江流域内，夏季降水丰富。该流域处于地震活动断裂构造层中，岩层相对不稳定。流域面积约30 0 0 km，总长度约9 6 m，有相当一部分流域为泥灰岩控制，在雨季，特别是暴雨的时候，很容易形成滑坡性泥石流。该流域自然条件较差，地质构造相对复杂多变，多以山地峡谷为主。峡谷多发泥石流，泥石流沟数多，分布密度大，通常为山坡型泥石流和沟谷型泥石流。因河谷海拔相差较多，造成泥石流的冲击破坏性很强。2路基破坏机理模拟为更方便科学地分析泥石流地区路基结构受泥石No.2202313上遇么路SHANGHAI HIGHWAYS道路工程）流破坏的机理本文将贵州某一山区路段项目基岩的土层岩层和路基进行简化，以探究试验路段的泥石流和路基的相互作用。2.1路基模型假设试验泥石流路基遵循Mohr-Coulomb准则和Mohr-Coulomb模型，泥石流以k-紊流模型来进行数值仿真模拟。有限元模拟中，泥石流对路基的冲击作用为几何非线性的。不考虑温度的影响，基岩遵循Elastic模型。泥石流直接冲击作用在路基上，整个过程中，泥石流和路基都是各向通行的，且泥石流为均质、连续、单一、不可压缩的高雷诺紊流流体模型。C25混凝土的直接抗剪切力为150 0 kN/m，对应的稳定系数为1.30。二维模型中，路基基础面和泥石流边界条件设置为流固耦合，基岩左右侧面设置为Y、Z 水平方向约束，基岩底面为全约束。为更符合实际泥石流对路基的冲击作用，需要将泥石流的初始状态设置为具有一定的初始速度，重力加速度g=9.8 N/kg2.2数值模拟参考借鉴该区域泥石流发生的特征参数及相关研究成果 7-8 ,结合本课题,对泥石流-路基流固耦合作用模型进行数值仿真参数设置，具体参数见表1所示。表1数值仿真计算参数参数材料弹性模量EICPa泊松比天然容重/(kNm）内摩擦角/黏聚力/kPa黏性系数/(mis)基岩2.1 el0.3126.5二二废旧轮胎2.3 el00.4817.8一一路基填土1.0el0.3620.53615一一混凝土2.82 el0.2625泥石流体3.0 e18.8一2.2 e*3将泥石流和路基的模拟计算参数输人软件ADI-NA中进行计算分析，得到泥石流冲击路基矢量图，见图1。泥石流冲击路基峰值应力云图见图2。从图1可以看出，在路基受到泥石流冲击的过程中，泥石流速度从零开始，不断变大，路基应力和泥石流冲击呈现出明显的正相关关系，泥石流的最大速度STRESSRSTCALCVELOCITYTIME1.000TIME1.0009.000A2100D-ZA9.000180084007.80072006.6006.00054004.8004.203.6003002.4001.800IIME1.0001:20-2100.0.6002400图1泥石流冲击路基峰值矢量效果图SMOOTHEDMAXIMUMNOOAL_PRESSUREAMAXIMUMEFFECTIVE4.24098.TIME1.40011792.STPESSNO0E3200NODE13SRSTCALCMNMUMMNMUM￥0-0 0 012000TME1.A00-ZA10500*876.NODE477NODE3690007500233321667.60002000450018333300016667150015000.1333150011667.10000TIME1.40083356667.750090001667.图2 泥石流冲击路基峰值应力云图142023No.2上海么路（道路工程）SHANGHAI HIGHWAYS-为9.0 m/s。从图2 分析可知，当泥石流和路基边坡刚接触时，泥石流的运动状态发生了剧烈变化。随着流速不断增大，泥石流的冲击作用越来越强烈，此时，路基的应力变化也随泥石流的冲击而不断变大，整个流固耦合面都受到了泥石流的冲击作用。3优化路基支挡结构泥石流通常具有很强的冲击力和直进性，会对拦挡和建筑物造成破坏。每一次泥石流事件的发生，都会对拦挡造成一定程度的损伤，甚至会直接破坏拦挡结构。缓冲支挡的材料，不仅在物理性能上必须能减小泥石流对路基的冲击作用，同时还应具有一定的经济性。废旧轮胎具有很好的阻尼效果，能够对泥石路的冲击能量进行有效减弱。轮胎在振动过程中，能够消减一部分冲击力。每一次的振动，都能使轮胎的阻尼效果发挥到极致。多次不间断的循环振动，能够提高阻尼效能的效果 9 。利用废旧轮胎作为缓冲碰撞0.250.2一一路基最大应力一一拦挡结构最大应力0.150.10.05000510015202530倾角（a）图3不同倾角与支挡结构最大应力关系曲中，支挡结构的最大应力随着倾角的增大而快速变小。当倾角大于15时，支挡结构的最大应力开始处于稳定状态。路基的最大应力随着倾角的增大，先慢慢变小，最后趋于稳定。路基的最大应力变化不明显，主要原因是支挡结构对路基起到了有效的保护作用。从图4分析可得，倾角从0 增加到15的过程中，支挡结构水平位移峰值和支挡结构竖向位移峰值随着倾角增大而缓慢减小。当倾角大于15后，支挡结构水平位移峰值和支挡结构竖向位移峰值的变化很小。特别是支挡结构竖向位移峰值，几乎没有变化。面，能使得碰撞面的面积得到增加，加上废旧轮胎内部还可以填充很多砂石，提高了支档结构的弹性变形能力，使轮胎能够更好地消减来自泥石流的作用。同时，砂石材料容易获得，价格相对其他填充材料更低，也符合科学发展。因此，人们经常用砂石来充当加固材料的方式 10 3.1分析不同倾角下的泥石流冲击路基-拦挡结构支挡结构主要由C25等级的混凝土组成。按照相关规范规定，C25混凝土对应的剪切力为12 7 MPa,泥石流路基和支档结构的主要计算参数参考表1。然后把这些参数代人ADINA软件中，模拟分析不同倾角(5、10、15、2 0、2 5、30)对应的工况。整理试验结果数据，得到不同倾角下的泥石流冲击路基-支挡结构的最大应力关系曲线、不同倾角下的路基变形关系曲线、不同倾角下的拦挡结构变形关系曲线，分别见图3和图4。从图3分析可知，倾角从0 增加到15的过程0.070.06一拦挡结构竖向位移峰值Z0.05一拦挡结构水平位移峰值Y0.040.030.020.0100051015202530倾角（a）图4不同倾角与拦挡结构变形关系曲线3.2不同废弃轮胎缓冲层厚度对拦挡结构的影响采用废弃轮胎缓冲层的结构来设计方案，建立泥石流体、路基、拦挡结构和废弃轮胎缓冲层的物理模型。借助ADINA软件，模拟分析不同废弃轮胎缓冲层厚度d(0.2m、0.4m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m）的工况，整理试验数据，得到不同废弃轮胎缓冲层厚度与废弃轮胎缓冲层最大应力关系曲线、不同废弃轮胎缓冲层厚度与路基变形关系曲线、不同废弃轮胎缓冲层厚度与废弃轮胎缓冲层变形关系曲线，分别见图5、图6。No.2202315上海么缘SHANGHAITHWAYS（道路工程）3.53最大应力()2.521.510.500.20.40.60.811.2厚度d(m)图5不同厚度与轮胎缓冲层最大应力关系曲线从图5分析可知，随着缓冲层厚度不断增大，废弃轮胎缓冲层的最大应力反而减小。当缓冲层厚度达到1m时，废弃轮胎缓冲层的最大应力趋于稳定，变化幅度很小。从图6 分析可知，缓冲层厚度从0.2 m增加到0.4m的过程中,废弃轮胎缓冲层的竖向位移随着缓冲层厚度的增加而减小。当废弃轮胎缓冲层厚度增加到0.4m时，缓冲层的竖向位移峰值开始趋于平稳，同时，废弃轮胎缓冲层的水平位移峰值也急剧减小。当缓冲10.9一废弃轮胎缓冲层竖向位移峰值乙0.8一废弃轮胎缓冲层水平位移峰值Y0.70.605040.30.20.100.20.40.60.811.2厚度d（m)图6 不同厚度与轮胎缓冲层变形关系曲线层厚度达到1m时，开始趋于稳定。4倾角和缓冲层结构厚度的关系根据支挡结构路基的设计思路，建立路基、泥石流体、拦挡结构和废弃轮胎缓冲层的物理模型。在图7中，不同倾角用表示，不同废弃轮胎缓冲层用d表示,RSK为流固耦合边界条件，ABCD设置为固定约束，AG和DM设置为水平约束。拦挡结构dOPR废弃轮胎缓冲层NMa泥石流体T路基KIHEG基岩基岩基岩B图7 泥石流路基一拦挡结构几物理模型从图7 分析可知，倾角和缓冲层结构厚度之间不存在相关关系，相互独立,既能单独影响支挡结构的稳定性，也能共同作用，提高整个支挡结构的稳定性。5结语本文为研究泥石流路基的破坏机理和支档结构，运用泥石流路基流固耦合原理、泥石流发生机理和物理力学特性的相关理论知识，结合有限元软件ADI-NA，建立对应的泥石流体k-紊流模型，进行二维数值的仿真模拟，以此来分析路基-拦挡结构在泥石流冲击作用下的力学特性，同时对路基-拦挡结构的主体材料进行优化研究。研究结果表明：在路基受到泥石流冲击的过程中，泥石流速度从零开始，不断变大，路基应力和泥石流冲击呈现出明显的正相关关系。泥石流和路基边坡刚接触时，泥石流的运动状态发生了剧烈变化。随着流速不断增大，泥石流的冲击作用越来越强烈,此时，路基的应力变化也随泥石流的冲击而不断变大，整个流固耦合面都受到了泥石流的冲击作用。倾角从0 增加到15的过程中，支挡结构的最大应力随着倾角的增大而快速变小。当倾角大于162023上海么路No.2上接第4页）（道路工程）SHANGHAI HIGHWAY15时，支挡结构的最大应力开始处于稳定状态。路基的最大应力随着倾角的增大，先慢慢变小,最后趋于稳定。废弃轮胎缓冲层对路基-支挡结构能起到明显的缓冲效能的保护效果。基于保护效果和经济性等因素,建议废弃轮胎缓冲层的厚度为1m。参考文献：1王昱.山区沿河公路路基在泥石流作用下破坏机制与防护技术研究 D.重庆：重庆交通大学,2 0 10.2刘情,罗俐,王红运,等.浅谈滑移泥石流堆积体路基工程施工的监测 J.中国设备工程,2 0 2 0(2 3):2 46-2 47.3徐士彬.泥石流作用下路基易损性试验研究与综合评价D.合肥：合肥工业大学,2 0 17.4袁猛.泥石流地区涵洞毁损机理及其结构设计研究 D.重4.2沉降变形高填方施工期间，共布设8 个底层监测点、6 个道槽区面层监测点、4个水平位移监测点。底层监测点每填筑一层，观测一次，最长不超过7 d，实际平均5.5d观测一次，累计观测56 次。其中，9 次的单次沉降量超过预警值，均发生在连续多日降雨过后，超过预警值的最大一次为7 mm。根据后期1个月的观测数据显示，各区域底层沉降趋于稳定，单次沉降量在1mm左右。边坡水平位移监测共进行了18 次，最长不超过7d，实际平均5.6 d观测1次。未出现单次变化量大于5mm、累计变化量大于15mm的情况。道槽区面层沉降共观测了九次，最长不超过7 d，实际平均5d观测一次。单次沉降量均未超过报警值。其中，各点累计的最大沉降为5.8 mm，最小沉降为0.8 mm，总体差异沉降量为5mm。累计日均最大沉降量为0.13mm/d，最小沉降量为0.0 1mm/d。4.3运营期反馈目前，扩建机坪已启用3年，根据使用单位反馈，本次扩建的机坪区域及边坡区域，均处于良好状态，未出现任何异常情况。5结语本文结合某机场站坪扩建项目高填方施工，分析了丘陵多雨地区的机场高填方施工的重难点，从控制庆：重庆交通大学,2 0 16.5刘杰.泥石流路基破坏机理与拦挡结构设计研究 D.重庆：重庆交通大学,2 0 18.6徐士彬,钱德玲,姚兰飞,等.基于结构两相流模型计算泥石流对路基的冲击力 J.合肥工业大学学报(自然科学版),2 0 18,41(03):373-376+394.7杨三强,黄勇,陈洪凯.泥石流与公路路基相互作用的耦合数值仿真 J.长安大学学报(自然科学版),2 0 0 9,2 9(0 1):36-40.8李达.泥石流-结构相互作用下大跨高墩连续刚构桥动力响应分析 D.西安：长安大学,2 0 2 1.9王强.泥石流威胁区高速公路优化布设与灾害防治研究D.重庆：重庆交通大学,2 0 17.10孙俊明,孙兴伟.泥石流灾害及其防治策略研究 J.中国高新科技,2 0 18(0 9):9 4-9 6.每层填土的压实度入手，采取了针对丘陵多雨地区的高填方施工管控措施，主要得到以下几点结论：（1)充分利用场区周边的可用填料，并利用各种填料进行优势互补，在保证施工质量的基础上，可对施工进度起到推动作用。(2)针对不同的填料，进行试验段施工，以确定不同填料的分层厚度及碾压遍数。充分了解各种填料的特点，并按照各施工区域的设计要求，采用不同的填料。这有利于保障道面影响区及边坡影响区等重点区域的施工质量。(3)充分分析施工区域的地形地貌特点，准确把握排水工作重点，提前做好现场的临时排水筹划。施工过程中，及时做好临时排水措施，避免土基泡水，为施工质量控制创造有利条件。参考文献：1张剑翔,杨建分.丘陵多雨地区机场场道地基处理施工优化措施及其应用 J.城市道桥与防洪,2 0 15(0 9):12 8-131+16.2中国民用航空局.民用机场飞行区土石方与道面基（垫）层施工技术规范：MH/T5014-2022S.北京：中国民航出版社有限公司,2 0 2 2.3梁永辉,王卫东,冯世进,等.高填方机场湿陷性粉土地基处理现场试验研究 J.岩土工程学报,2 0 2 2,44(0 6):10 2 7-10 35.SHANGHAI HIGHWAYSNo.2.2023(serial No.169)CONTENTSQuality Control and Application of Airport High Fill Construction in Hilly and Rainy AreasAbstract:In view of the high fill construction project of an airport in hilly and rainy areas,the key points of the construction were ana-lyzed in combination with the factors of site topography,surrounding environment,climate characteristics.The selected backfill materi-als were used reasonably in the site,and the layer thickness and rolling times of different fllers were determined by field tests.Target-ed deployment for the temporary drainage system was carried out to ensure that the post-construction settlement and differential settle-ment can meet the design and specification requirements,and reduce the impact of adverse weather conditions on the constructionquality and progress.The construction quality control measures of the project have certain reference significance for the airport high fllworks in similar hilly and rainy areas.Key words:hilly and rainy areas;airport;high fill construction;quality controlImplementation Practice of Green Highway Demonstration for Jiangsu Provincial Highway 411Abstract:In order to implement the green transportation development plan,the green highway demonstration work of Jiangsu ordinarynational and provincial highway was carried out relying on the actual situation of Taizhou ordinary highway and the reconstruction andexpansion project of the Jiangsu Highway S41l.Around the planning,design,construction,maintenance,operation and managementprocesses,the green concept was fully implemented and the green highway related research was conducted.Micro-innovations in con-struction technology,data management,earthwork measurement,resource disposal,and emission control were developed,whichachieved remarkable effects in energy conservation and emission reduction.Progressive improvement in technical achievements wasacquired.During the construction period,the cumulative energy saving was 9 010t of standard coal equivalent,17 007 t of carbon diox-ide emissions were reduced,and 26 266.8 mi of land was saved.Key words:road engineering;green highway;demonstration project;micro-innovationStudy on the Judgment of Preventive Maintenance Opportunity of Drainage Asphalt PavementAbstract:The drainage asphalt pavement is favored because of its good drainage,noise reduction and skid resistance.However,thelarge voids in the drainage asphalt pavement can be easily blocked.To maintain good performance of drainage asphalt pavement,pre-ventive maintenance should be carried out.Based on the domestic and abroad research on the decision-making methods and indexes ofpre-maintenance,and by using the algorithm of Pavement Quality Index(PQI)for reference,this paper puts forward the Comprehen-sive Evaluation Index(DDI)of drainage asphalt pavement disease based on indoor test to judge and analyze the preventive maintenancetime according to the disease types and proportion of drainage asphalt pavement,which provides a reference for the preventive technol-ogy of drainage asphalt pavement.Key words:drained asphalt pavement;preventive maintenance;curing time;evaluation indicatorsStudy on Failure Mechanism and Retaining Structure of Debris Flow RoadbedAbstract:In order to study the failure mechanism and supporting structure of debris flow roadbed,this paper applies the theory of flu-id-solid coupling,the mechanism of debris flow and the related theoretical knowledge of physical and mechanical characteristics of de-bris flow roadbed.Based on the finite element software ADINA,the corresponding k-8 turbulence model of debris flow is established,and two-dimensional numerical simulation is carried out to analyze the mechanical characteristics of roadbed-retaining structure un-der the impact of debris flow.Meanwhile,the main material of roadbed-retaining structure is optimized.The results show that whenroadbed is impacted by debris flow,the velocity of debris flow increases from zero,there is a positive correlation between subgradestress and debris flow impingement;when debris flow and subgrade slope just contact,the movement state of debris flow has a drasticchange;with the increasing velocity of flow,the impact effect of debris flow is more and more intense,and the stress of roadbed increas-es with the impact of debris flow.When the inclination angle increases from O o to 15 ,the maximum stress of the retaining struc-ture decreases rapidly with the increase of the inclination angle.When the inclination angle is greater than 15 ,the maximum stressLUo Jiangpeng(1)CHENG Sheng,LI Shuangjie,FENG Renbo,LI Hangfei(5)t.ZHOUWeiwei(8):KE Shaoguang(12)of the retaining structure begins to be in a stable state.The maximum stress of roadbed decreases slowly with the increase of inclinationangle and finally tends to be stable,based on the protection effect and economy,the thickness of buffer layer of waste tire is suggestedto be 1 m.Key words:debris flow;failure mechanism;finite element analysis;retaining structure;waste tire utilizationResearch Progress on Low Impact Development(LID)Planting Ditch TechnologyAbstract:As one of the low-impact development measures,the plant grass ditch technology has the function of improving water quali-ty,transporting and penetrating rainwater runoff.This paper discusses the d research progress from three aspects:the type of plantingditch,the purification effect and the reduction of runoff,and discusses the shortcomings of the current research.The development di-rection of the technology is prospected,in order to provides a reference to further research on ditch grass planting in China.Key words:grass swale;purification;runoff reductionResearch on a Deep Learning-based Method for Identifying Complex Road DistressAbstract:In automatic road disease detection,there exist a large number of disease types with similar characteristics distributed atdifferent scale magnitudes.If they are placed in the same deep learning network for processing,a large number of additional samplesare bound to be added for learning,resulting in huge consumption of recognition equipment resources and reducing the robustness andanti-interference performance of the whole network.In this paper,we propose a featured engineering method based on the YOLO v3target recognition network,which separates simple diseases from complex ones,with the latter being further identified on the basis ofthe former mask,thus reducing the sample requirement for network learning and improving the recognition performance of the network.Key words:asphalt roads;automatic pavement inspection;YOLO v3;disease characterization;crack detectionAnalysis of Cross-highway Based Hanging Basket and Cantilever Casting Construction Technology.YU Shizhong(28)Abstract:Hanging basket and cantilever casting construction technology is a classic technique for the construction of continuous boxgirders with large spans.However,under new special construction conditions such as cross-highway,the classic technology has beenexposed to new challenges in terms of hanging basket design and construction quality and safety,etc.This paper will provide anin-depth analysis of the hanging basket and cantilever casting construction technology in cross-high speed scenarios and discuss prac-tical and feasible solutions for the hanging basket design,construction techniques and assurance of high-quality safety baskets.Key words:hanging basket;cantilever casting;cross-highway;constructionDiscussion on the Integrated Construction of Green Highways in the Yangtze River Delta RegionAbstract:With the integrated development of Yangtze River Delta and the promotion of the Green Highway construction guidelines,China is paying more attention to the green,low-carbon and sustainable development of highway construction.This paper analyzes theconnotation of the green highway,expounds domestic and international research status of the evaluation index system of the green high-way construction,and puts forward the idea of the green highway construction in three stages of green design,green construction,opera-tion,and maintenance from the perspective of the whole life cycle combined with the interpretation of the Yangtze River Delta regionalin