Dynamic response of pile–slab retaining wall structure under rockfall impact
01摘要
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桩板挡土墙作为一种新型的防落石结构，在我国西部山区得到了广泛的应用。由于其占地面积小、拦截高度高、易于施工的特点，这些结构在世界各地的山区，如喜马拉雅山、安第斯山脉和阿尔卑斯山脉显示出良好的应用潜力。然而，由于结构的复杂复合特性，它们的动态响应和抗冲击能量仍然不明确。为了阐明这一点，我们利用有限元数值模拟方法，对悬臂段为6m的四跨桩板挡土墙进行了各种冲击情景下的详尽动力学分析。通过重复两次物理模型试验，验证了所选材料本构模型和数值算法的合理性。仿真结果表明：(1)桩基在地面的侧向位移和冲击中心处桩基下的混凝土损伤均大于冲击中心处板基下的混凝土损伤，说明冲击位置对结构的稳定性有显著影响。(2)各响应指标（冲击力、相互作用力、桩板横向变形、混凝土损伤）与冲击速度呈正相关。(3)岩崩峰值冲击力、峰值冲击力与峰值作用力之比、桩体在地表的侧向位移与岩崩能量具有较强的线性关系。(4)相对于弯矩、剪力、破坏程度，桩身在地面处的侧向位移最先达到极限值。以地面桩侧位移为控制因素，以结构顶为冲击点时，桩板挡墙可承受的最大冲击能量估计为905 kJ。在落石冲击能量超过905 kJ的情况下，建议优化垫层力学性能，提高混凝土弹性模量，提高纵向拉筋配筋比，增大地面桩截面尺寸，或增加锚固措施，以增强挡土结构的抗弯能力。
02图表
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03结论
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与现有的岩崩保护结构相比，PSRW提供了更强的稳定性，要求更小的占地面积，使其擅长于解决在高山峡谷地区常见的各种岩崩影响场景。本文采用有限元模拟方法，对比分析了不同冲击中心和速度下PSRW的动态响应。对峰值冲击力、峰值相互作用力、峰值冲击力与峰值相互作用力比值、混凝土应力、钢筋应力、桩在地面的最大侧向位移、破坏破坏单元与整体结构单元的比值等影响因素进行量化。值得注意的是，提出了基于落石冲击能量的PSRW峰值冲击力（式1）、峰值冲击力与峰值相互作用力的比值（式2）和桩体在地表的最大横向位移（式3）的计算公式。本研究的主要发现如下：
1.冲击力、作用力和横向位移与冲击速度呈线性相关。但横向位移对速度变化的影响比冲击力和作用力更敏感。
2. 在不同的冲击中心下，冲击力和作用力的变化最小。当以桩为冲击中心时，桩在地面的侧向位移和混凝土的损伤程度明显大于以板中心为冲击中心时。这表明，以桩为中心的冲击构成了更危险的冲击场景。
3. 混凝土损伤主要集中在桩板结合处、冲击中心本身以及桩在地面的截面处。为了减少结构混凝土的损伤，在结构设计中优先考虑这些关键部分是势在必行的。
4. 冲击力、峰值冲击力与峰值相互作用力的比值、桩体在地表的最大侧向位移与冲击能具有显著的相关性。在PSRW结构设计过程中，这些关系对于评估冲击力、相互作用力和桩体在地面的侧向位移至关重要。根据我国位移规范要求，桩在地面的最大侧向位移不应超过10mm。因此，当将齿冠作为冲击中心时，PSRW所能承受的最大冲击能量为905 kJ。
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