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成 都 理 工 大 学学生毕业设计（论文）文献综述报告学生姓名：刘海川学号：201003070117专业名称：工程结构分析文献综述题目：边坡滚石的运动轨迹研究引用文献：中文23篇；英文2篇；其它语种 篇其中期刊：18种；专著5 本；其它：3种引用文献时间跨度：1986年2013年指导教师审阅签名： 综述报告正文：1.1研究背景随着我国经济社会的发展，在大量基础设施的建设过程中，边坡滚石灾害变得越来越严重，尤其是在多山地带的西部地区的公路、铁路等基础设施的建设过程中，滚石灾害尤为突出。所谓滚石1，是指个别块石因某种原因从边坡和陡崖表面失稳后经过下落、回弹、跳跃、滚动或滑动等运动方式中的一种或几种的组合沿着坡面向下快速运动，最后在较平缓的地带或障碍物附近静止下来的一个动力学过程。当滚石运动范围内有人类活动或人类构筑的设施并引起一定的损失时，就构成了滚石灾害。由于多山地带的滚石事件一般具有多发性、突发性、随机性等难以预测的规律，对交通线路，建筑设施和人身安全都具有极大的危害，因此滚石灾害一旦发生，轻则损毁路面重则造成车毁人亡,若是知名的公路还将产生隐形的社会影响。滚石灾害有多种表现方式，具体概括为以下六种方式2：(1)滚石以直接冲击的方式损坏运输线路并且对附近活动的人员、车辆、生活设施及建筑物的安全构成威胁;(2)滚石以在路面上停留或堆积的方式影响来往车辆的安全运行或阻碍交通;(3)山区城市的滚石活动将威胁到人们的生产、生活及相应的设施;(4)露天矿山、水电站建设、采石场等的开挖活动可形成人工高边坡，而这些边坡上自然发生或人为扰动而滚落的块石将严重影响施工人员和有关设施的安全;(5)人工爆破引起的飞石可使周围的人类活动或设施受到危害;(6)在山区地表附近布置的重要管线、油罐、有害物质隔离层等有可能受到滚石冲击的影响。因此，滚石灾害已成为一种非常严重的地质灾害。1.2研究现状1.2.1国外现状：国外对滚石的研究相对较早，早在二十世纪五六十年代就开始对滚石的地质成因、发生概率、诱发因素、滚动轨迹、致灾风险、防治技术等多方面进行了研究，尤其是在滚石运动的轨迹方面取得了一些非常有价值的研究成果。目前国外有关模拟滚石运动轨迹的软件就有10余种3，例如：二维模拟软件有Roto lamento Salto Massi、Computer Rockfall Model、RocFall、SASSMASSI、CRSP、CADMA、Mobyrock,三维模拟软件有Rotomap、Eboul、STONE等。Computer Rock fall Model、Roto lamento Salto Massi、Rotomap、Mobyrock、STONE采用集中质量法对滚石进行简化,Eboul采用刚性体法对滚石进行简化,而其它软件采用集中质量法与刚性体法相混合的方法对滚石进行简化。通过预先在滚石模拟软件中输入一些控制参数,可以得出指定区域累计滚石数量、滚石最大速度及最大弹跳高度图,进而可为滚石防护提供可靠依据4。1.2.2国内现状：国内对滚石运动的研究起步较晚,因此至今没有对滚石运动作出较为系统全面的研究。目前我国有关滚石运动的研究主要可以综合概化为两个方面:滚石运动轨迹研究；滚石冲击力研究滚石运动轨迹作为山区基本建设中常遇到的一种工程地质灾害,滚石灾害防治结构的设计依据主要是边坡滚石的运动轨迹。由此可见,要对滚石灾害进行防治,首先要做的是确定滚石的运动轨迹,以现场调查为基础估算滚石的飞行距离,飞行高度和撞击速度以及对防护结构的撞击能量大小等参数,从而为滚石防护设计提供可靠的依据。要对滚石运动轨迹进行深入的研究,必须有好的研究分析方法,经过国内学者们多年来的不懈努力,提出了许多有关滚石运动轨迹的研究分析方法。目前,对边坡滚石运动轨迹的研究分析方法主要可以归纳为四类方法：1.现场试验；2.模型试验；3.数值模拟；4.理论推导。1.现场试验：现场试验研究的数据具有准确、客观、综合的特点,现场试验研究的方法也是确定基本物理力学参数,深入理解边坡滚石问题的重要方法,而一定数量的现场试验数据是研究滚石问题不可或缺的,也是正确理解滚石问题的基础。如：傅少君等5通过从边坡条件、滚石特性和边坡与滚石的相互作用三方面进行了系统的试验分析,总结出了外在因素与内部因素耦合作用下滚石的运动形态,对滚石的发生机制及运动形式进行了探讨,较系统地归纳与分析了影响滚石运动的因素；黄润秋等6基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究表明斜坡坡度、滚石形状、斜坡覆盖层与植被特征是滚石运动加速度的决定性因素,斜坡覆盖层和植被特征对滚石碰撞恢复系数起控制性作用；蔡红刚,裴向军7通过调查在5.12汶川地震中宝兴县潘族组崩塌滚石与坡面碰撞留下的地质痕迹,真实复原了滚石运动路径，依据坡度、坡表覆盖层厚度、植被发育程度等,选择碰撞恢复系数,计算滚石运动参数；裴向军，黄润秋等8以汶川地震未扰动现场滚石痕迹的判识、测量取样及分析，得出强震作用下块体(石)是以一定初始速度抛射而出的，其坡面运动表现为滑动、滚动、跳跃与3种方式的组合。通过边坡滚石现场试验和现场调查，以上文献大多是对滚石发生机制、滚石运动形式、滚石运动特征、滚石运动影响因素等进行的研究。2.模型试验：现场滚石试验往往受到边坡陡峻和地形复杂的影响,难于开展,而且,如果需要观测范围较大时,人力和物力耗费较高。当无法进行现场试验时,进行模型试验是一种有效的手段。如：于怀昌,余宏明等9采用正交设计法来安排试验方案,应用运动学计算方法模拟滚石运动轨迹、进行防护计算与结果分析；毛胜光，曹作忠10建立了滚石在冰碛土边坡上运动的数学模型,探讨了以滚石运动确定冰碛土边坡安全平台宽度的合理性,为冰碛土边坡安全平台宽度的确定提供了新的依据；叶义成11是在多因素多水平试验数据基础上,通过变量的相关性分析,找出影响滚石水平抛掷距离的显著性因素。3.数值模拟：随着计算机技术的突飞猛进,数值模拟已经成为主流研究手段，它克服了模型试验面临制作过程复杂、成本高的缺点，为滚石运动的研究提供了一种新的方法。如：周晓宇，陈艾荣等12从滚石运动轨迹确定出发，基于数值模拟方法对云南省澜沧江沿岸某在建桥梁桥址区滚石高发边坡进行滚石滚落数值模拟，确定滚石运动特征；于怀昌,余宏明等13将正交试验设计与基于运动学的滚石运动轨迹数值计算方法相结合,以景鹰高速公路DK27+120里程附近边坡滚石灾害为例,将3类防护结构设计控制指标作为试验指标,将5种影响滚石运动轨迹的参数作为试验因素,应用正交试验表安排滚石运动轨迹数值计算试验,进行3指标5因素正交试。冯晓，郭俊等14运用滚石分析软件对滚石运动轨迹进行数值模拟，分析了危岩段潜在滚石的运行轨迹最远运移距离和最大弹跳高度以及不同位置的冲击动能和运行速度，探讨了数值模拟在滚石处治设计中的应用。4.理论推导：理念推导是研究滚石运动的一种比较传统的方法，主要是以运动学和动力学理论为基础,建立合理的数学计算模型。如：韩俊艳，陈红旗等15在分析滚石运动形式的基础上，简化斜坡滚石运动模型，从运动学角度出发，推导出一套计算斜坡滚石运动特征的方程；何思明等16以弹塑性接触理论为基础,研究滚石法向回弹系数与切向回弹系数的计算方法,运用运动学的基本方程分析了滚石在坡面上的运动特征；赵旭，刘汉东17运用运动学原理，计算了宝泉抽水蓄能电站开关站周围高边坡的落石速度、动能和弹跳高度；吕庆等18分析了几种主要形式的边坡滚石运动,考虑控制滚石运动的主要影响因素,从工程的角度建立了一套计算边坡滚石运动轨迹的计算公式,并对影响滚石运动的碰撞恢复系数、滚动摩擦因数等重要参数进行了讨论；唐红梅,易朋莹等19将危岩的运动过程明确的分为初始运动过程、碰撞过程、滑动过程和滚动过程四个阶段,获取各个阶段运动轨迹方程；赵武鹍，杨兵20分析计算了滚石的运动方程，并确定了滚石运动轨迹的关键参数；徐世强,折学森等21通过建立滚石运动自由飞落分析模型,计算出滚石落地后的水平运动距离；俸锦福，张俊红等22根据落石运动全过程的三个阶段，即滚动(滑动)运动阶段、抛物运动阶段和与坡面碰撞阶段，利用分段循环算法分别得到了三个运动阶段的运动速度计算公式，以此预测运动轨迹，与现有方法相比，分段循环算法具有计算原理简单明确、易于使用等优点。除以上四种研究分析方法外，国内也有部分学者采用概率的方法,引入概率分布函数来反映模型输入参数的不确定性。弥补了因滚石运动的参数的不确定性而造成滚石运动轨迹计算比较复杂的缺点。滚石冲击力研究目前，国内也有部分学者对滚石的冲击力进行了相关研究,但都不尽完善。对滚石冲击力的计算，大体可以分为以下三种方法：。(1) 悬臂梁、简支梁冲击力计算公式这种方法以材料力学、弹性力学为基础,把滚石的防护结构看成是梁板式结构。将滚石、防护结构看成是完全弹性材料,没有考虑到在滚石冲击过程中材料可能产生塑性变形，而且计算模型过于简单,与滚石对防护结构的冲击过程不符。因此，用这种法计算的滚石冲击力比较大,在实际工程结构设计中无法应用。(2) 弹性球的冲击理论这种方法以Hertz接触理论为基础,把滚石的冲击看成是两个球体的对心碰撞。通过修正系数来综合考虑冲击过程中接触面发生的断裂、摩擦等因素对滚石冲击力的影响。而此种方法的最大缺陷就是修正系数没有明确的物理含义,只能通过野外试验或经验来确定。如：何思明，沈均，罗渝等23用此方法以Hertz 理论为基础，考虑坡体的弹塑性特性，模型化滚石冲击为自由落体冲击的半无限体问题，运用动力有限元数值仿真技术，研究了滚石对坡面法向冲击特性，揭示滚石冲击速度、滚石半径对坡面土体动力响应的影响。(3) 塑性体与刚性球冲击力计算公式这种方法把滚石看成是刚性球体,防护结构为完全塑性体,推导出相应的滚石冲击力计算公式。其缺点在于，滚石不是刚体而是弹塑性材料，而且防护结构是典型的弹塑性材料,在滚石冲击过程中,防护结构要产生弹塑性变形，因此所确定的冲击力要比滚石的实际冲击力小得多。如:杨璐，李士民，吴智敏等24运用此方法将滚石简化为刚性球体，围岩和土体为理想弹塑性材料，混凝土为弹塑性材料，通过有限元，模拟了不同速度与冲击角度下滚石冲击荷载对棚洞结构的动力响应。日本道路协会25在滚石防护结构设计中,建议按照如下公式计算滚石的冲击力:式中:P为滚石冲击力();m为滚石质量(t);g为重力加速度;为拉梅常数,一般为1000kN/m2,而实际取值在1000kN/m210000kN/m2之间;H为滚石下落高度。参考文献1张路青,杨志法,许兵.滚石与滚石灾害J.工程地质学报,2004,12(3):225-231.2周建昆,李罡.高速公路滚石风险评估.地下空间与工程学报,2009,5（2）：358-363.3Guzzetti F,Crosta G,Detti R,eta.l STONE:a computer program for the three dimension-al simulation of rock-fallsJ.Computers&Geosciences,2002,28:1079-1093.4黄雨,孙启登,许强.滚石运动特性研究新进展.振动与冲击,2010，29（10）：31-35.5傅少君,陈乾锐,祝桥桥等.边坡滚石运动影响因素浅析.武汉大学学报(工学版),2009,42(6):795-798.6黄润秋,刘卫华.基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究J.岩石力学与工程学报,2009，28（5）：882-891.7蔡红刚,裴向军,吴景华,叶坤.强震抛射型崩塌滚石运动特征研究.长春工程学院学报(自然科学版),2011，12（3）:1-4.8裴向军,黄润秋,裴钻,董秀军.强震触发崩塌滚石运动特征研究.工程地质学报,2011.19（4）：498-504.9于怀昌,余宏明,刘汉东.边坡滚石运动学参数敏感性.山地学报,2010，28（2）：154-160.10毛胜光，曹作忠.以滚石运动确定冰碛土边坡安全平台宽度初探.矿业快报,2007,(4）:48-52.11叶义成.边坡滚石水平抛掷距离的多元分析.West-China Exploration 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