泥石流堆积体物性参数测试及冲击荷载相似模拟试验研究

于洋洋 赵士忠 田洪雷 王洋 郑智勇 刘家顺

基金项目：国家自然科学基金项目（52104088）；2021年度辽宁省教育厅科学研究经费项目（面上项目）（LJKZ0361）

第一作者简介：于洋洋（1988-），男，硕士，高级工程师。研究方向为结构设计。

*通信作者：刘家顺（1986-），男，博士，副教授。研究方向为岩土力学。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.005

摘  要：泥石流是一种常见的自然灾害，其突发的特性和强大的冲击力对工程建设和人类生活构成巨大威胁。该研究主要针对泥石流堆积物材料参数及其冲击力特性进行深入探讨，对泥石流堆积物进行系列的冲击荷载试验。通过控制泥石流堆积物的物理参数，如颗粒级配、密度和含水量，探究这些参数对冲击荷载的影响。结果表明，泥石流堆积物的冲击荷载大小与其物理参数有密切关系。研究结果不仅为理解泥石流堆积物冲击荷载提供新的视角和方法，也为工程实践中的泥石流灾害防治提供有价值的参考。

关键词：泥石流；冲击荷载；试验研究；动力响应；参数

中图分类号：P642.23      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）16-0020-04

Abstract： Debris flow is a common natural disaster， and its sudden characteristics and strong impact pose a great threat to engineering construction and human life. In this study， the material parameters and impact characteristics of debris flow deposits are discussed deeply， and a series of impact load tests are carried out. By controlling the physical parameters of debris flow deposits， such as active matching， density and water content， the influence of these parameters on impact load is explored. The results show that the impact load of debris flow accumulation is closely related to its physical parameters. The research results not only provide a new perspective and method for understanding the impact load of debris flow deposits， but also provide a valuable reference for debris flow disaster prevention and control in engineering practice.

Keywords： debris flow; impact load; experimental study; dynamic response; parameter

泥石流是一种常见的自然灾害，由于其突发性和破坏性，给人类生活和工程建设带来了巨大的风险[1-2]。在许多山区和陡坡地带，尤其是在雨季，泥石流常常发生。这种现象是由于地表的泥石流堆积体和砾石在强烈降雨或地震的影响下突然流动，并迅速带走大量的材料。这些移动的材料最终会在山脚或其他地方堆积，形成泥石流堆积物[3]。

近年来，随着泥石流灾害事件的增多，关于泥石流堆积物冲击荷载的研究也逐渐增加。许多学者通过实验和观测，探讨了泥石流堆积物的物理特性和其对工程结构的冲击力度。例如， Bai等[4]针对北京市王虎沟的泥石流研究了不同粒度分布的堆积物沉积参数，并得到了一些有价值的结论。孙鲁一等[5]使用数值模拟方法，模拟了泥石流堆积物在不同条件下的流动和冲击过程。然而，大多数研究主要集中在单一的实验或模拟方法上，而缺乏实验和模拟相结合的研究方法。此外，关于泥石流堆積物冲击荷载的研究还存在一些争议，例如关于冲击力度的预测方法和影响因素等[6]。

综上，可以看出目前的研究成果主要集中于泥石流冲击对既有建筑物的响应，但冲击荷载作用下泥石流堆积体的动力响应研究则鲜有涉及[7-8]。因此，设计冲击荷载作用下泥石流堆积体动力响应相似模型试验，研究列车等冲击荷载作用过程中泥石流堆积体的动力响应特征，以期为车辆防撞设计提供有效支撑。

1  模型参数试验

1.1  含水率试验和饱和度

根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》（以下简称《标准》），采用烘干法得到土样含水率，计算公式如式（1），测试结果见表1。该泥石流堆积体的平均含水率为21.01%，饱和度为88%。

w＝■ ， （1）

式中：m0为盒质量，g；m1为盒+湿土质量，g；m2为盒+干土质量，g。

1.2  密度试验

采用环刀法按式（2）计算得到试样的密度。根据密度和含水率结果，计算得到该泥石流堆积体的干密度，见表1。该泥石流堆积体的平均密度为2.00 g/cm3，平均干密度为1.67g/cm3。

？籽=■=■ ，（2）

式中：m1为环刀质量，g；m2为环刀加土样的质量，g。

1.3  比重试验

按式（3）计算得到泥石流堆积体的比重结果见表1。泥石流堆积体的比重平均值为2.71。

Gs=■×ＧiT ，  （3）

式中：Gs为土的比重；md为干土质量，g；mbw为比重瓶、水总质量，g；mbwT为比重瓶、水、试样总质量，g；ＧiT为T℃时纯水的比重。

1.4  颗粒分析试验

采用筛析法测定泥石流堆积体的颗粒级配特征，得到颗粒级配曲线如图1所示。

图1  颗粒级配曲线

根据式（4）和式（5）计算得到泥石流堆积体的不均匀系数Cu和曲率系数CC。

不均匀系数Cu

Cu=■ ， （4）

曲率系数CC

CC=■ ， （5）

式中：d60为限制粒径，在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的60%的粒径；d30为在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的30%的粒径；d10为有效粒径，在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的10%的粒径。

所取泥石流堆积体的限制粒径d60=6.25 mm，平均粒径d50=3.25 mm，连续粒径d30=0.18 mm，有效粒径d10=0.08 mm。据此计算得到泥石流堆积体的不均匀系数Cu=d60/d10=78.125，曲率系数Cc=d■■/d60d10=0.06，可见泥石流堆积体主要以粒径0.1 mm≤d≤10 mm分布为主，不均匀系数较大，说明土样的粒径分布范围较广，但其级配不良，存在中间粒径的缺失。

2  冲击载荷试验

2.1  模型试验设计

为探究高速列车撞击泥石流堆积体过程中车结构-泥石流堆积体动力响应分析，本次试验设置了长度1.0 m，宽度和高度均为0.6 m的模型试验箱，并设置5个监测断面，其中1、3、5监测断面为监测冲击过程中土体的振动加速度，2和4监测断面为监测冲击过程中土体的动压力，子弹入射速度V=45 m/s测试冲击荷载作用过程中的加速度和土压力。每个监测断面4个传感器，分别位于弹体入射口四周约为5倍弹体直径的四周，如图2所示。

2.2  试验结果分析

2.2.1  弹体垂直侵彻泥石流堆积体轨迹分析

弹体垂直侵彻泥石流堆积体表面的速度为45 m/s。弹体侵入泥石流堆积体后，泥石流堆积体迎弹体面发生轻微坍塌，在泥石流堆积体表面形成较大的鼓包测量标定弹体侵入深度为0.29 m。弹体在侵彻泥石流堆积体时也发生了翻转，但是弹体运动方向向泥石流堆积体下表面倾斜，在距离入射口0.1 m左右形成大空腔，之后弹体以倾斜姿态侵彻泥石流堆积体直至停止。

2.2.2  泥石流堆积体加速度分析

图3为实验得到的弹体侵彻泥石流堆积体的加速度和位移时程曲线图。

从图3可以看出，埋深10 cm处为1—4号加速度传感器，埋深20 cm处为5—8号加速度传感器，埋深10 cm处泥石流堆积体加速度峰值分别为3.36、0.79、1.14、3.52 g；埋深20 cm处泥石流堆积体加速度峰值分别为2.23、0.13、0.26、0.94 g。表明加速度随深度递减，同时沿冲击方向两侧的加速度值也逐渐减小，经过一段时间的波动后很快趋于稳定，这表明加速度波在传播过程中，弹体与泥石流堆积体接触面之间产生加速度波，加速度对土体起到拉伸作用。同理，可将加速度积分获得位移曲线，10 cm处1号和4号处速度最大，20 cm处5号速度最大，说明弹体与其距离较为接近。

2.2.3  冲击荷载作用下泥石流堆积体应力分析

图4为弹体冲击荷载作用时泥石流堆积体的应力时程曲线图。

从图4可以看出，埋深5 cm处为11—14号土压力传感器，泥石流堆积体应力峰值分别为8.12、6.22、9.68，11.46 kPa；埋深15 cm处为15—18号土压力传感器，土壤应力峰值分别为6.13、3.03、6.0、6.25 kPa。由上述可知，泥石流堆积体附加动应力随深度增加而减少，且冲击能量耗散在29 cm左右的土层内。

3  结论

1）研究并测试了泥石流堆积体的含水率、密度、比重和颗粒级配等参数。

2）设计了冲击荷载作用下泥石流堆积体动力响应相似模型试验，研究了冲击荷载作用下泥石流堆积体加速度、速度、位移和动应力响应规律。

参考文献：

[1] 谢营，张健．典型区单沟泥石流的危险性评价[J].山东水利，２０２３（９）：８４－８６．

[2] LI Y， HU K H， HE Y P. Parameter evaluation of deposition in terms of debris-flow surges[J].Journal of Natural Dｉｓａｓｔｅｒｓ，２００３，１２（２）：７１－７８．

[3] 朱猛，李磊.泰山景區地质灾害与岩土体类型相关性分析[J].能源技术与管理，２０２３，４８（５）：１７８－１８0.

[4] BAI Ｌ， ＪＩＡＲＯＮＧ Ｇ， ＦＥＮＧＢＩＮＧ Ｈ， et al. Granularity parameter of debris flow deposit in Wanghugou Gully， Beijing City[J].Science of Soil & Water Consｅｒｖａｔｉｏｎ，２０１１，９（４）：７－１０．

[5] 孙鲁一，李清平，陈芳，等．琼东南盆地块体搬运沉积区多类型水合物赋存特征与数值模拟[J].地球物理学报，２０２３，６６（１１）：４７２１－４７４１．

[6] 陈海鑫.地质灾害防治与地质环境问题分析[J].大众标准化，２０２３（２０）：６０－６２．

[7] 姚皖路，赵俊三，李坤．基于信息增益比－支持向量机的泥石流易发性评价[J].城市勘测，２０２３（５）：１８１－１８６．

[8] WANＧ Ｙ， ＣＵＩ Ｐ， ＷＡＮＧ Ｚ， ｅｔ ａｌ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ flow head[J].Shuili Xuebao/Journal of Hydraulic Engｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，４８（４）：４７３－４７９．