﻿ 落石冲击棚洞结构的PFC3D数值模拟研究 PFC3D Simulation Study of Rockfall Impact to Shed Tunnel Structure

Hans Journal of Civil Engineering
Vol. 08  No. 03 ( 2019 ), Article ID: 30497 , 11 pages
10.12677/HJCE.2019.83093

PFC3D Simulation Study of Rockfall Impact to Shed Tunnel Structure

Junjie Li1, Junlong Li2, Yusuo Wang3

1China Harbour Engineering Company Ltd., Beijing

2CCCC Mechanical & Electrical Engineering Co. Ltd., Beijing

3School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan

Received: May 6th, 2019; accepted: May 21st, 2019; published: May 28th, 2019

ABSTRACT

Based on the discrete element theory, a particle model was made to simulate the process of rockfall impact to shed cave under with and without backfill soil and the impact effect of different parts of the shed structure was studied and analyzed. The results drew conclusions as below: The stress response of the same part was different and meanwhile, the dynamic response of different parts was neither different under the action of rockfall impact. The shear stress is taken as the control stress near the impact position of the falling rock, and the failure form is shear failure. At the end of the roof, the normal stress is used as the control stress, and the failure form is extrusion failure. The impact effect of backfill is less than that of non-backfill, which indicates that backfill has very good buffering effect on rockfall impact, and the layout of backfill has an effect on the stress distribution of roof under rockfall impact.

Keywords:Rockfall Impact, Shed Tunnel, Discrete Element Method, Numerical Simulation

1中国港湾工程有限责任公司，北京

2中交机电工程局有限公司，北京

3西南交通大学土木工程学院，四川 成都

Copyright © 2019 by authors and Hans Publishers Inc.

1. 引言

2. 落石冲击棚洞结构的力学模型和本构模型

2.1. 物理模型

1) 棚洞结构模型

2) 回填土、山体和落石模型

2.2. 力学本构关系

3. 棚洞结构建模

1) 模型概述

(a) 横断面 (b) 纵断面

Figure 1. Design drawing of shed tunnel structure [13]

(a) 无回填土(t = 0) (b) 回填土(t = 1 m)

Figure 2. PFC3D model of rockfall and shed tunnel

2) 离散元模型单元微观参数

Table 1. Micro parameter of model

3) 回填土参数标定

Table 2. PFC3D numerical simulation macroscopic parameter results of Triaxial test [8]

4) 工况组合

Table 3. Combination of working conditions [8]

4. 棚洞结构的落石冲击效应研究

(a) (b)

Figure 3. (a) Layout of monitoring points for roof; (b) Layout of monitoring points for Stringer, pillar and base

Figure 4. Symbol of three-dimensional space stress [11]

1) 单个监测点位应力时程曲线

2) 条带峰值应力曲线

3) 应力峰值云图

4.1. 监测点应力-时程曲线

Figure 5. Stress-time history dynamic curve of each monitoring point in the horizontal plane of the roof of the frame shed tunnel

1) 棚洞结构在落石冲击下，同一部位的各个应力分量变化情况不一致，例如图5(a)中显示，监测点3在落石冲击作用下Y向正应力突变最大，其他应力分量变化较小，说明该部位落石冲击效应以Y向正应力σyy为控制应力，同时为负值，如发生破坏就是受压破坏；

2) 棚洞结构在落石冲击下，不同部位的冲击效应不一致，如图5(a)、图5(c)、图5(k)、图5(m)中显示，顶板靠近端部位置(监测点3、8、28、33)都是Y向正应力σyy突变最大，而图5(e)、图5(g)、图5(i)中显示，顶板靠近中间(监测点13、18、23)落石冲击部位附近，则是τxy表现增大比较明显，说明顶板靠近冲击部位范围内，切应力τxy是控制应力，如果发生破坏则是剪切破坏，即顶板被落石砸穿或者砸破。

3) 回填土对落石冲击具有很大的缓冲作用。分别对比回填土厚土t = 0和t = 1 m各监测点的应力曲线，如图5(a)和图5(b)，有回填土时的最大应力明显小于无回填土，可以说明回填土对落石冲击效应有很大的缓冲作用。

4.2. 棚洞结构峰值应力分布

Figure 6. Maximum stress distribution curve of each monitoring point in the horizontal strip of theroof of the shed tunnel

1) 在落石冲击下，棚洞结构不同部位的动力响应不一致。如图6(a)、图6(c)、图6(e)中显示，正应力分量突变最大的是Y向正应力σyy突变最大，最大值达到σyy = 120 MPa，发生在顶板端部位置；而图6(g)、图6(i)、图6(k)中显示；切应力突变最大的则是XY方向切应力τxy，发生在顶板中间靠近落石冲击部位附近，最大值达到τxy = 25 MPa，破坏形式将是剪切破坏，即顶板被落石砸穿或者砸破。该结论与4.1章的结论吻合。

2) 回填土对落石冲击具有很大的缓冲作用。分别对比回填土厚土t = 0和t = 1 m各部位峰值应力分布情况，如图6(a)和图6(b)，有回填土时最大应力明显小于无回填土，说明回填土对落石冲击具有很好的缓冲作用。该结论与4.1章的结论吻合。

4.3. 棚洞结构峰值应力云图

(a) t = 0 m顶板σx低值 (b) t = 1 m顶板σx低值
(c) t = 0 m顶板σx高值 (d) t = 1 m顶板σx高值
(e) t = 0 m顶板σy低值 (f) t = 1 m顶板σy低值
(g) t = 0 m顶板σy高值 (h) t = 1 m顶板σy高值
(i) t = 0 m顶板σz低值 (j) t = 1 m顶板σz低值
(k) t = 0 m顶板σz高值 (l) t = 1 m顶板σz高值
(m) t = 0 m顶板τxy低值 (n) t = 1 m顶板τxy低值
(o) t = 0 m顶板τxy高值 (p) t = 1 m顶板τxy高值
(q) t = 0 m顶板τxz低值 (r) t = 1 m顶板τxz低值
(s) t = 0 m顶板τxz高值 (t) t = 1 m顶板τxz高值
(u) t = 0 m顶板τyz低值 (v) t = 1 m顶板τyz低值
(w) t = 0 m顶板τyz高值 (x) t = 1 m顶板τyz高值

Figure 7. Peak stress cloud charter of roof of shed tunnel

5. 结论

1) 棚洞结构在落石冲击下，同一部位的正应力和切应力变化趋势不一致；不同部位的动态响应不同；具体分析见本文4.1、4.2。

2) 框架棚洞顶板在落石冲击作用下，落石冲击部位控制应力是XY方向剪切应力τxy，破坏形式是剪切破坏；顶板端部控制应力是Y向正应力σyy，破坏形式是受压破坏；具体分析见本文4.1、4.2。

3) 回填土对落石冲击棚洞结构具有非常明显的缓冲作用，具体分析见本文4.1、4.2；填筑回填土会影响棚洞顶板在落石冲击作用下的应力分布规律，见本文图7

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