Die normale Aufprallsteifigkeit eines Trümmers

Jan 26, 2024

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3969 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird eine normalorientierte Aufprallsteifigkeit einer flexiblen Barriere aus drei Stützkabeln unter einer kleinen Vorspannungsspannung vorgeschlagen, um das strukturelle Lastverhalten abzuschätzen, und es werden zwei Kategorien kleinräumiger Murgänge (grob und fein) verwendet, um die Steifigkeitsentwicklung durch physikalische Maßnahmen zu untersuchen Modellversuche mit Hochgeschwindigkeitsfotografie und Lasterkennung. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Partikel-Struktur-Kontakt für den normalen Lasteffekt wesentlich ist. Bei einem groben Murgang kommt es zu einem häufigeren Partikel-Struktur-Kontakt und es entsteht ein deutlicher Impulsfluss, während bei einem feinen Murgang mit wenigen physikalischen Kollisionen ein viel kleinerer Impuls entsteht. Das in der Mitte liegende Kabel, das vom vertikalen äquivalenten Kabel-Netz-Verbindungssystem nur Zugkraft aufnimmt, weist ein indirektes Lastverhalten auf. Das unten liegende Kabel weist aufgrund der Summe aus direktem Kontakt von Murgang und Zugkräften eine hohe Lastrückkopplung auf. Der Zusammenhang zwischen Stoßbelastungen und maximalen Kabelauslenkungen kann nach der quasistatischen Theorie durch Leistungsfunktionen erklärt werden. Die Aufprallsteifigkeit wird nicht nur durch den Partikel-Struktur-Kontakt, sondern auch durch die Strömungsträgheit und den Partikelkollisionseffekt beeinflusst. Die Savage-Zahl Nsav und die Bagnold-Zahl Nbag schaffen es, die dynamischen Auswirkungen auf die Normalsteifigkeit Di abzubilden. Experimente zeigen, dass Nsav eine positive lineare Korrelation mit der Nichtdimensionalisierung von Di aufweist, während Nbag eine positive Potenzkorrelation mit der Nichtdimensionalisierung von Di aufweist. Diese Idee ist ein alternativer Bereich für die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Strömung und Struktur und kann zur Parameteridentifizierung in der numerischen Simulation der Wechselwirkung zwischen Murgang und Struktur und zur Optimierung der Designstandardisierung beitragen.

Die Häufigkeit von Erdrutschen oder Murgängen ist in den Berggebieten im Südwesten Chinas aufgrund steiler Passagen, reichlicher Regenfälle und Feststofffragmentquellen hoch1. Aufgrund der weltweiten Zunahme extremer Regenfälle in den letzten Jahren haben sich einige Gebiete mit geringer Häufigkeit von Erdrutschen in Gebiete mit hoher Erdrutschhäufigkeit verwandelt, und das Ausmaß der Gefahren nimmt zu, was schwer genau abzuschätzen ist und eine erhebliche Bedrohung für Anwohner und Infrastrukturen in der Nähe darstellt. sowie Schwierigkeiten bei der Gestaltung von Präventions- und Kontrollmaßnahmen.

Eine flexible Barriere ist eine gültige Maßnahme zur Rückhaltung kleinerer Murgänge. Seine leichte und offene Gesamtstruktur verringert die Auswirkungen auf die natürliche Umgebung und macht den Bau schnell und wirtschaftlich. Daher erfüllt es die Anforderungen der Mehrpunktbehandlung von Murgangschluchten in südwestlichen Bergregionen Chinas und hat vielversprechende Aussichten2,3,4,5. Aufgrund der komplexen geometrischen Nichtlinearität der flexiblen Barriere schreitet die strukturelle Reaktion unter dem Einfluss von Murgängen jedoch immer noch voran6,7,8. Derzeit ist die Steifigkeit der flexiblen Barriere gegen Murgänge nicht klar, und der herkömmliche Entwurf der Struktur in China basiert hauptsächlich auf einem konservativen Energiedissipationsmodell. In der Praxis kann es vorkommen, dass die Drahtnetzkomponente der Struktur durchbrochen wird, bevor Stützkabel oder Verankerungen versagen9,10,11, was auf eine Lücke zwischen der Tragwerksentwurfstheorie und der tatsächlichen technischen Funktion hinweist. Es ist theoretisch anerkannt, dass die innere Schubspannung und das Biegemoment der Seilnetzstruktur aufgrund der bemerkenswerten Spannungseigenschaften vernachlässigt werden können. Der Aufprall des Murgangs wird durch die Spannung der Seilnetzstruktur verteilt und übertragen. Daher konzentrieren sich Untersuchungen zur strukturellen Steifigkeit flexibler Barrieren auf die Zugkraft und Verformung. Ashwood12 verwendet die axiale Steifigkeit eines Kabels als Schlüsselparameter, der auf einer linearen Beziehung zwischen Last und Durchbiegung basiert, um die Wechselwirkung zwischen Strömung und Struktur zu quantifizieren. Große Felsbrocken oder grobe Partikel neigen dazu, sich im Kopf eines Murgangs anzusammeln, und die Lastverteilung der Struktur unter Hochgeschwindigkeitsschub ist vorübergehend. Die Steifigkeit in Stoßrichtung dürfte also als weiterer Faktor der mechanischen Stabilität dienen. Das relevante Wissen über die strukturelle Lastverteilung wird größtenteils durch eine quasistatische Methode gelöst, die die Auswirkungen des Murgangs in dynamische Last und statische Erddrucklast zerlegt. Der Querschnitt der Struktur wird jedoch als freitragender Balken definiert, wobei die Schubwirkung ignoriert wird -Richtungsverformung13. Die normale Steifigkeit senkrecht zur Dehnungsfläche einer flexiblen Barriere zeigt tendenziell die Scherfestigkeit des Seilnetzsystems bei sofortigen Stößen an. Ng et al.14,15 haben das Last-Verschiebungs-Verhalten des Tragkabels bereits in die normale Steifigkeitsanalyse einbezogen. Song et al.16 untersuchten die maximale normale Steifigkeit von Tragkabeln unter verteilter und konzentrierter Last durch Addition der Froude-Zahl des Murgangs Fr und fanden eine größere maximale normale Steifigkeit unter verteilter Last. In einer Folgestudie wurden das Strömungsregime und die Kompressibilität trockener körniger Ströme erörtert, die in der Tiefe auf eine flexible Barriere treffen, was darauf hindeutet, dass sowohl die Durchbiegung der flexiblen Barriere als auch der Zustand des körnigen Materials zur Variation der Aufpralllast beitragen17. Darüber hinaus werden die Fangkabel eines Flugzeugträgers als Struktur mit Zug- und Biegesteifigkeit identifiziert, und die sich entwickelnde Art der Tangentialspannung, die während des Fangvorgangs normal zum Kabel verläuft, unterstreicht die Notwendigkeit einer Tangentialspannungsanalyse der Kabelstruktur unter hohen Bedingungen -Geschwindigkeitseinfluss18.

Die Auswirkungen von Trümmerströmen auf eine Antistruktur können in vielen Literaturstellen überprüft werden19,20,21,22,22, aber die strukturellen Verformungen unterscheiden sich hinsichtlich unterschiedlicher Texturen voneinander. Da die strukturelle Steifigkeit eine Verbindung zwischen Belastung und Verformung darstellt, ist die Formfindung einer flexiblen Barriere der primäre Prozess zur Bestimmung der Steifigkeit. Methoden wie Kraftdichte und dynamische Entspannung werden durchgeführt, um die Formfindung zu unterstützen23,24, wohingegen die Auswirkungen der zeitvarianten Normalverschiebung von Knoten und der Vorspannungsreservierung komplex sind, was die Entwicklung behindert. Albrecht und Volkwein25 untersuchten die dynamische Reaktion einer flexiblen Barriere mit rhombischem Netz, die einer konzentrierten Aufpralllast ausgesetzt ist, und definierten den Verformungszustand der Struktur während des Anfangs- und Aufprallprozesses, indem sie die Steifigkeit der Netzkomponente und dann die Versagenseigenschaften der Struktur darunter verwendeten konzentrierte Belastung beschrieben. Die Ergebnisse zeigen, dass der Teilbereich, der direkten Kontakteinwirkungen ausgesetzt ist, der Beginn des strukturellen Versagens ist. Jiang et al.26 gehen davon aus, dass der direkte Partikelaufprall auf die Struktur zu einer unregelmäßigen Parabelverformung führt, während der nicht berührende Teil eine parabolische Verschiebung erfährt. Song et al.27 korrelierten die normale Aufprallkraft mit der Bewertung des Murgangstoßes auf der Grundlage des von Song et al.28 vorgeschlagenen Lastmodells und der Zugkrafterkennung, was einen guten Ansatz zur Darstellung der Wechselwirkung zwischen Strömung und Barriere darstellte. Bei groß angelegten Tests wurde die Entwicklung der normalen Aufprallkraft und -verschiebung als Faktor zur Darstellung des Lastpfads vor dem Versagenszustand herangezogen29.

Gemäß dem Spannungsstrukturmechanismus30 kann man sich das Zugkraftmodell als ein Modell mit nationaler Scherspannung und Biegemoment vorstellen, um das Last-Verformungsproblem zu lösen, was die Rationalität des normalen Stoßmodells zeigt. Diese Studie schlägt eine vorläufige Theorie über die Kabelsteifigkeit vor, die durch die verteilte Belastung durch Murgänge und die maximale Durchbiegung entlang des Kabels quantifiziert wird. Zur Überprüfung dieses Steifigkeitsmodells wird das zeitlich variierende und nichtlineare Verhalten der verteilten Last auf die Struktur basierend auf dem Kompatibilitätskriterium angewendet. Die Theorie basiert auf dem quasistatischen Aufprallmodus zwischen einem Murgang und einer flexiblen Barriere und folgt der Idee von Brighenti et al.31. Die Bewertung der Steifigkeit wird anhand der maximalen normalen Durchbiegung eines Tragseils und seiner senkrecht verteilten Last angegeben. Dabei sollte die verteilte Last die Last abdecken, die durch ein vertikales äquivalentes Kabel-Netz-Verbindungssystem übertragen wird, d. h. die von anderen Kabeln ausgeübte Zugkraft und das Netz. Darüber hinaus werden einige Vereinfachungen vorgenommen, um das Modell handlicher zu machen: (i) der Aufprallvektor des Murgangs verläuft normal zur ursprünglichen Kabelrichtung, (ii) die gesamte Struktur ist elastisch und (iii) die Ablenkung des Kabels ist parabolisch die Breite. Die Ausarbeitung des Steifigkeitsmodells ist daher in Abb. 1 dargestellt.

Systematisches Diagramm des Aufprallmodells: (a) Frontalansicht einer flexiblen Barriere, (b) Querschnittsverformung der flexiblen Barriere bei Murgangaufprall und (c) maximale Auslenkung eines Tragseils unter Stoßbelastung uimax.

Wie in Abb. 1c dargestellt, wird unter Berücksichtigung des quasistatischen Konzepts und der Koordination von Einzelkabel und Verformung die verteilte Last auf das Kabel i wie folgt ausgedrückt:

wobei qi die verteilte Last senkrecht zum Tragseil i bezeichnet. Ni und Hi sind die tangentialen bzw. horizontalen Komponenten der Stützreaktionskraft der Verankerung. Ti ist die Zugkraft, die auf die Verankerung wirkt. Und δi ist der Endablenkungswinkel des Kabels i.

Vorausgesetzt, dass sich das Kabel i im voll gespannten Zustand befindet, erfüllt qi den folgenden Zusammenhang

Ei und Ai sind getrennt der Elastizitätsmodul und der Querschnitt des Kabels i. uimax ist die maximale Auslenkung des Kabels i. Um den Murgangstoß zu interpretieren, muss qi in die Murgangstoßlast qdi und die Summe der Stoßrichtungskomponenten der vom Kabel-Netz-Verbindungssystem übertragenen Zuglasten tjh zerlegt werden:

Letztlich lässt sich die Murgang-Aufprallsteifigkeit eines Kabels als verteilte Last ausdrücken, die durch einen Murgang und die maximale Kabelauslenkung entsteht:

Di (N/m2) enthält den Zugelastizitätsmodul EiAi und spiegelt theoretisch den Widerstand der Struktur gegenüber dem Frontalaufprall eines Murgangs wider. Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens des vertikalen Kabelnetzquerschnitts kann tjh jedoch kaum eine analytische Lösung finden. In diesem Artikel wird daher ein spezifisches Experiment zur Eliminierung des tjh-Effekts vorgestellt. Die durch den Murgang qdi ausgeübte Belastung wird aus der Profilverformungskompatibilität des vertikalen Seilnetzsystems abgeleitet, die bereits in26 dargestellt ist.

Vor allem die Dehnungsflächennormallast und die Durchbiegung spielen eine direkte Rolle bei der Beschreibung der Murgangauswirkungen. Die vorgestellte Studie zielt darauf ab, eine normalisierte Schlagsteifigkeit des Tragkabels ohne Energiedissipatoren basierend auf der oben genannten Theorie zu untersuchen. Um die Wechselwirkung zwischen kleinräumigen Murgängen und flexiblen Barrieren mit großer Öffnung zu analysieren und die Zuglastübertragung auszuschließen, werden physikalische Strukturmodellversuche durchgeführt.

Durch kleinmaßstäbliche Experimente mit spezifischem Design ist es gelungen, das Strukturverhalten, das aus Aufprallkräften abgeleitet wurde, die von zwei Kategorien von Modellmurströmen (grob und fein) ausgeübt werden, zu bestätigen, die Schlüsselfunktion der Steifigkeit. Das Modell der flexiblen Barriere (abgekürzt als FB-Modell) verläuft parallel zur Schwerkraft, daher ist der Lasteffekt deutlicher als dort, wo das FB senkrecht zur Gerinnebodenlinie steht40. Der FB ist 0,4 m hoch und 0,5 m breit und verfügt über drei gleich nebeneinander liegende Tragseilmodelle mit kreisförmigem Querschnitt (der Durchmesser des Querschnitts beträgt 4 mm), nämlich Ober-, Zwischen- und Unterseil, und die Seile sind mit dem Netz verflochten. Die Struktur des Netzes im FB besteht aus Nylon, das sich zu einem rhombischen Seil-Draht-System windet. Die Maschenweite ist ausreichend offen (entspricht der maximalen Korngröße des Murgangmaterials), falls Sedimente die Höhe des Zwischenkabels erreichen (Abb. 2a). Das Ende eines Kabels ist mit einer Wägezelle (100 g Masse, 100 Mal pro Sekunde Abtastrate und 0,1 N Auflösung) verschraubt und an einem vertikalen Stahlpfosten verankert, der auf der rechten Seite des Gerinnes befestigt ist (Abb . 2b). Zwischen- und Bodenkabel werden beide aus dem Gerinne herausgeführt (Länge 1,1 m versus Breite 0,5 m), um mehr Raum für die Energieableitung zu schaffen27. Darüber hinaus ist die Vorspannkraft des Zwischen- und des Unterkabels auf einen identischen Wert eingestellt (ca. 0,01 N und die Vorspannspannung beträgt 796 Pa), sodass der anfängliche Steifheitszustand jedes Kabels zum besseren Vergleich bei Aufprallvorgängen gleich ist.

Experimentelles Modell: (a) die Frontal- und (b) die Profilaufnahme der Gerinneanlage mit der FB und (c) Korngrößenverteilung des Sediments.

Der gesamte Aufprallvorgang dauert nicht länger als 5 s und das endgültige Sediment hinter dem FB liegt etwas niedriger als die Höhe des Zwischenkabels. Dies weist darauf hin, dass das untere Kabel direkten Kontakt mit Murgängen hat, während die oberen und mittleren Kabel nur der Zugkraft des vertikalen Kabel-Netz-Verbindungssystems ausgesetzt sind. Das Lastverhalten des Oberkabels ist nicht betroffen, da keine Wägezelle darauf angebracht ist. Und auch die Testgruppe FL ist aufgrund der fehlenden Zugkrafterkennung nicht in der Lage. Weitere Einzelheiten zur experimentellen Vorgehensweise finden Sie im Abschnitt „Experimentelle Vorgehensweise“.

Während des Aufprallprozesses werden mehrere Parameter des Modellmurstroms dokumentiert, darunter die durchschnittliche Annäherungsgeschwindigkeit U und die Strömungsdicke h. Es gibt keinen signifikanten Unterschied zwischen den kinematischen Parametern grober und feiner Murgänge, und sogar die Werte von U und h in der Kategorie feiner Murgänge übertreffen diejenigen in der groben Kategorie (Tabelle 1). Andererseits stellt das Sediment hinter der Barriere einen Hochlaufmodus dar und kann bei jedem Test nie über die Höhe des Zwischenkabels klettern (Abb. 3). Die endgültige Ausflussrate in Bezug auf das Gewicht beträgt 0,21, 0,13, 0,61 bzw. 0,56 in den Tests CL, CS, FL und FS, was beweist, dass die Durchlässigkeit des FB-Modells nicht nur mit der maximalen Korngröße zusammenhängt, sondern auch mit dem Großteil der Partikelgrößenverteilung. Die Froude-Zahl Fr der sich nähernden Strömungen wird zu bestimmten Zeitpunkten entsprechend U und h zurückgerechnet und variiert je nach Aufbau und Einwirkungsdauer (Tabelle 1). Im Allgemeinen deuten die Werte von Fr darauf hin, dass die Strömungen von Schwerkraft- und Trägheitskräften dominiert werden und dass der Wertebereich mehreren natürlichen Murgängen folgt41,35. Abbildung 3 zeigt außerdem Auslenkungsprofile bei typischen Aufprallvorgängen, die in Anfangs-, Interaktions- und Statischesstadium unterteilt sind. Es zeigt sich, dass die Kabel im Wesentlichen entlang der normalen Aufprallrichtung abgelenkt werden und die maximale Ablenkung von oben nach unten zunimmt und das Zurückziehen danach nicht offensichtlich ist. Die grobe Kategorie weist im Vergleich zur feinen Kategorie größere Abweichungen auf. Die feine Kategorie erzeugt trotz der geringen Anzahl grober Partikel (10 % davon im Bereich von 35–50 mm) einen fast schlammigen Aufprall. Das Ablenkungsmuster entlang des Kabels ist mit der Breite parabolisch (Abb. 4a,b), entsprechend der oben genannten Hypothese.

Durchbiegung des FB unter zeitabhängigen Einwirkungen: (a) CL, (b) CS, (c) FL und (d) FS.

(a) Das Kabeldurchbiegungsmuster von CL (b) und CS, (c) verteilte Stoßlast qdi über der Zeit (d) normalisierte verteilte Stoßlast, nämlich die Stoßlast durch die maximale Last \(\frac{{q_{di} } }{{q_{dimax} }}\) über der Zeit und (e) verteilte Murgang-Stoßlast qdi über der maximalen Durchbiegung uimax.

Die Stoßbelastung und Steifigkeit der Feinklasse sinken heftig. Wie in Abb. 4c dargestellt, erreicht der qdi seinen Spitzenwert während des frühen Aufprallprozesses, fällt dann auf einen konstanten Wert ab und behält den statischen Zustand bei. Die verteilte Stoßbelastung in der FS-Gruppe ist viel kleiner als die in der groben Kategorie und die normalisierte Belastung fällt in der FS-Gruppe auch stärker ab (Abb. 4d), was darauf hindeutet, dass die geringere Kontakthäufigkeit mit dem Kabelnetz und die größere Durchlässigkeit dies bewirken Unempfindliche strukturelle Reaktion in der FS-Gruppe. Der Einfluss grober Partikel auf die Kabelstruktur zeigt eine stärkere Lastrückkopplung, was die Bedeutung des Kontakts zwischen Partikeln und der Struktur unterstreicht. Dieser Trend variiert in ähnlicher Weise mit den Beschreibungen von Barrieren in einigen Fachliteratur21,27,35. Andererseits ist der Partikel-Struktur-Kontakt in der groben Kategorie gewährleistet, so dass Trümmerströme mit längerer Bewegungsdistanz tendenziell eine stärkere Aufprallkraft haben. Darüber hinaus bleibt der qdi des unteren Kabels im Vergleich zum mittleren Kabel immer größer, was bedeutet, dass die Kabelsteifigkeit bei unterschiedlichem Aufprallgrad unterschiedlich sein würde.

Da das Zwischenseil nicht in direktem Kontakt mit dem Murgang steht, sondern nur einer Zugkraft ausgesetzt ist, sollte die normale Stoßbelastung eine Potenzfunktion der maximalen Auslenkung gemäß Gl. sein. (2), das heißt:

wobei die Koeffizienten a und b die Entwicklung darstellen. Wenn das Kabel vollständig gespannt ist, können die Koeffizienten a und b kalibriert werden, indem der Standardwert des Elastizitätsmoduls (E = 2,06 × 1011 Pa) in Gl. (2). Die Regression durch experimentelle Daten zum Zwischenkabel ist ebenfalls die Potenzfunktion wie Gl. (5), dessen Korrelationskoeffizient 0,97 beträgt, nachdem der Koeffizient b auf 3 gesetzt wurde (Abb. 4e). Eine Rückanalyse des Koeffizienten a spiegelt jedoch einen viel kleineren Maßstab wider (a = 8,7 × 105 Pa·m−2).

Aufgrund der Komplexität des theoretischen Ausdrucks wenden wir eine Regression an, um das Last-Durchbiegungs-Verhalten des unteren Kabels basierend auf Wägezellendaten zu beschreiben. Und am besten geeignet ist eine andere Form der Potenzfunktion:

wobei der Koeffizient c = 6,64, d = 1,66 × 108 und e = 4,41 mit einem Korrelationskoeffizienten von 0,98 ist (Abb. 4e). Der Koeffizient c bezeichnet die Normalkomponente der Last aus dem vertikalen Seil-Netz-Verbindungssystem. Die oben genannten Ergebnisse zeigen die Schlüsselrolle des Festkörperkontakts im Stoßlastverhalten und die Gültigkeit des Rahmens, der durch die Gleichungen ausgedrückt wird. (2) und (3). Und die Koeffizienten d und e entsprechen aufgrund grober und feiner Strömungsbewegungseinflüsse nicht den theoretischen Werten.

Da die groben und feinen Kategorien des Murgangs unterschiedliche Auswirkungen auf die Kabelstruktur haben, wird die normale Aufprallsteifigkeit mit einigen Indizes untersucht, die Murgangbewegungen berücksichtigen. Einzelheiten zur Dimensionsanalyse werden im Abschnitt „Maßstabsprinzip und Dimensionsanalyse“ vorgestellt.

Zunächst wird die Murgangzahl Nsav eingeführt (Tabelle 1). Dabei handelt es sich um eine Quantifizierung des Ausmaßes der Trägheitskraft fester Partikel und der Reibungskollisionskraft bei der Bewegung innerhalb eines Murgangs33,34. Der rechnerische Ausdruck von Nsav lautet wie folgt:

Dabei sind ρs und ρf die Dichte des Feststoffs bzw. der Flüssigkeit im Murgang und δ bezeichnet die bestimmte Korngröße, die die Hauptbewegung der Partikel dominiert, die durch die durchschnittliche Korngröße D50 ersetzt werden kann. γk ist die Schergeschwindigkeit entlang der Strömungsdicke, geschätzt durch \(\frac{U}{h}\)33,34. φ ist der innere Reibungswinkel des Modellmurmelstrommaterials. φ wird vorläufig durch ein Paar von zwei Kisten (ohne Deckel) getestet, die mit Modell-Müllstrommaterial gefüllt sind. Die beiden Kisten werden übereinander gestapelt und in eine kleine Rutsche mit einstellbarer Neigung gestellt (Abb. 5a). Nachdem die Neigung steiler geworden war, begann die Kiste oben zu rutschen und sich von der darunter liegenden zu lösen. In Verbindung mit dem Zeitpunkt t, der Gleitneigung der Rutsche θ und der Längslänge des Kastens S kann der φ aus der Gleichung abgeleitet werden. (8) unten:

(a) zwei Kisten voller Murgangmaterial für die Prüfung des inneren Reibungswinkels, (b) das Verhältnis der Normalsteifigkeit Di zur Vorspannungsspannung σp gegenüber der Savage-Zahl Nsav und (c) gegenüber der Bagnold-Zahl Nbag.

Hier durch einfache Berechnung φ≈39° und φ≈36° in der groben Kategorie und der feinen Kategorie. φ bleibt während des Aufpralls statisch. Darüber hinaus ist die Vorspannung auch ein Faktor, der die Anfangssteifigkeit beeinflusst, daher dimensionieren wir Di nicht als das Verhältnis von Di zur Vorspannung σp, nämlich \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma _{p } }}\), für eventuell allgemeine Nutzung. Der σp wird als charakteristische Spannung betrachtet. Die Anpassungskurve zeigt an, dass \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma _{p} }}\) linear mit Nsav wächst (Ausdruck der Anpassungskurve ist \(\frac{{D_{1} }}{{ \sigma_{p} }}\) = 0,13Nsav, mit R2 = 0,92 und \(\frac{{D_{2} }}{{\sigma_{p} }}\) = 0,04Nsav, mit R2 = 0,83) und die normale Aufprallsteifigkeit des Zwischenkabels, das eine indirekte Last aufnimmt, ist geringer als die des Unterkabels, wenn die Trägheit der eingehenden Strömungsbewegung gleich ist (Abb. 5b).

Die Bagnold-Zahl Nbag gilt als gültiger Faktor zur Darstellung der inneren Partikelkollision eines Murgangs. Hier nutzen wir Nbag, um nach einer anderen Möglichkeit des Partikel-Struktur-Kontakts zu suchen, um die Steifigkeitsentwicklung zu beschreiben (Tabelle 1). Die Berechnung von Nbag wird in der Literatur ausführlich beschrieben33 und auch die Nichtdimensionalisierung von Di wird verwendet. Es zeigt sich, dass \(\frac{{D_{1} }}{{\sigma_{p} }}\) und \(\frac{{D_{2} }}{{\sigma_{p} }}\ ) nehmen beide in einem Leistungswachstum mit Nbag in einem bestimmten Bereich zu (Abb. 5c). Verglichen mit dem Effekt von Nsav steigt die Steigerungsrate von \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma_{p} }}\) mit Nbag. Die Potenzanpassungsausdrücke sind \(\frac{{D_{1} }}{{\sigma_{p} }}\) = 5,15 × 10–4 (Nsav)2,06 mit R2 = 0,92 und \(\frac{{D_ {2} }}{{\sigma_{p} }}\) = 7,84 × 10–5 (Nsav)2,24 mit R2 = 0,85. Ebenso ist die normale Aufprallsteifigkeit des Zwischenkabels, das indirekte Last aufnimmt, geringer als die des Unterkabels, wenn der interne Partikelkollisionseffekt des Murgangs derselbe ist.

In diesem Artikel wird anhand physikalischer Modellexperimente ein neuartiger Rahmen zur Bewertung der normalen Aufprallsteifigkeit einer flexiblen Barriere durch Murgänge vorgestellt. Die normale Aufprallsteifigkeit ist eine alternative Schätzung der verteilten Aufpralllast eines Murgangs, die als die in der Literatur35 erwähnte Schersteifigkeit wahrgenommen werden kann, jedoch mit einer anderen Dimension. Diese Kabelsteifigkeit wird hauptsächlich zur Profilierung der Stoßbelastung durch Murgang und Zugkraft verwendet, die durch das vertikale äquivalente Kabel-Netz-Verbindungssystem übertragen wird, was in der Praxis sehr schwer abzuschätzen ist. Der Einfluss der Steifigkeit auf die Lastverteilung muss durch numerische Simulation weiter untersucht und eine Energiedissipationskomponente hinzugefügt werden.

Trümmerströme mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung können unterschiedliche Belastungen für das FB-Modell darstellen. Die groben Partikel neigen dazu, sich im Kopf des groben Murgangs anzusammeln und eine größere Kraft auszuüben als feine Murgänge und mehr Partikel-Struktur-Kontakt. Die normale Stoßbelastung wird anhand der quasistatischen Theorie und der von Kraftmessdosen erfassten Spannungsdaten geschätzt. Und bei der Lastübertragung zeigt sich, dass Kabel in unterschiedlichen Höhen ganz unterschiedliche Kräfte ertragen. Auf das untere Kabel wirkt eine große Last, die sich aus der Summe der direkten Auswirkungen des Murgangs und der dämpfenden Zugkraft äquivalenter vertikaler Kabel, dh der indirekten Kraft, zusammensetzt. Was das Zwischenmodell betrifft, das nur indirekte Kraft erhält, ist die Lastrückkopplung sicherlich gering. In der Literatur 28 wird über ein flexibles Barrierenmodell mit vier Kabeln berichtet, das in dieser Studie die höchste Aufprallkraft im unteren Zwischenkabel statt im unteren Kabel erfährt. Allerdings liegt das untere Kabel hier 35 mm weit von der Grundplatte entfernt, was auch darauf hindeutet, dass der untere Teil des FB-Modells einer größeren Aufprallkraft ausgesetzt ist. Der experimentelle Zusammenhang zwischen Stoßbelastung und maximaler Durchbiegung entspricht dem Potenzfunktionsmuster, das durch die theoretische Ableitung aus Gl. (2), was die Anwendbarkeit der quasistatischen Theorie bestätigt. Dieses Muster stimmt in etwa mit dem Kraft-Verschiebungs-Modus der Kettenglied-Netzbarriere überein, der von Ng et al.14,15 und Escallon et al.29 erklärt wurde. Allerdings sind nicht alle Kabel innerhalb des FB einwandfrei angezogen, was dazu führt, dass der berechnete Wert des Elastizitätsmoduls durch Gl. (5) weit unter dem Standardwert des Elastizitätsmoduls liegen (E = 2,06 × 1011 Pa). Dieser Trend ermöglicht, dass der strukturelle Elastizitätsmodul im lockeren Zustand ein besonderer Index zur Steuerung der Vorspannkraft in der Praxis ist.

Die Geschwindigkeit und Dicke des feinen Murgangs unterscheidet sich weniger von denen des groben Murgangs bei gleicher Bewegungsdistanz, was auf einen nahezu gleichen Zustand der einströmenden Strömung hinweist. Dennoch sind die normale Belastung und die Steifigkeit beim Aufprall feiner Murgänge äußerst gering, was darauf schließen lässt, dass der Partikelkontakt mit der Struktur für die Steifigkeitsleistung entscheidend sein könnte. Daher führen wir die Bewegungsträgheit und den Partikelkollisionseffekt ein, die durch Nsav bzw. Nbag dargestellt werden, um die Entwicklung der normalen Steifigkeit Di zu untersuchen. Auch die durchschnittliche Partikelgröße D50 von groben und feinen Murgängen innerhalb der beiden Faktoren hat sich als aussagekräftig für die Beurteilung der Stoßbelastung erwiesen. Die positiven Beziehungen zwischen diesen beiden Faktoren und Di bestätigen schließlich die Hypothese, dass sowohl die Trägheit der Strömungsbewegung als auch der Partikelkontakt mit der Struktur innerhalb eines bestimmten Bereichs zur Erhöhung von Di beitragen. Daraus lässt sich ableiten, dass diese formschlüssigen Verbindungen ungültig werden, wenn Di einen bestimmten Wert überschreitet, der mit dem kritischen Fehlerzustand zusammenhängt29. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma_{p} }}\), Nsav und Nbag alle dimensionslos sind, können Skaleneffekte beim Vergleich mit der Praxistechnik möglicherweise ignoriert werden. Experimentelle Fehler und statische Schätzungen von Parametern können sich jedoch auf die Genauigkeit der beiden Beziehungsfunktionen auswirken. Um eine perfekte Parameterumkehr innerhalb der Anpassungskurven zu erreichen, sollten intensive Untersuchungen durchgeführt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese integrierte Einsicht in die Strömungsbewegung und den Partikel-Struktur-Kontakt für den Belastungsmechanismus einer flexiblen Murgangbarriere von entscheidender Bedeutung ist, die die gleiche Meinung über den Aufprall fester Fraktionen auf eine Barriere vertritt35. Das Zwischenkabel einer flexiblen Barriere dient als Polster, wenn es einer indirekten Zuglast ausgesetzt wird, was auf die verteilende Lastwirkung des vertikalen Netzdrahtes hinweist36,43,38. Andererseits führt die direkte Belastung durch den Aufprall von Partikeln und Schlamm zusammen mit der Zugbelastung durch vertikale Drähte dazu, dass das untere Kabel steifer wird. Daher empfiehlt sich in der Praxis die Verstärkung des unteren Kabels bzw. Unterteils. Die experimentelle Analyse ist ein aktiver Versuch, die Entwicklung des Aufpralls von Murgängen auf eine flexible Barriere herauszufinden, um letztendlich sicherzustellen, dass der kritische Zustand nahezu duktiles Versagen anstelle von sprödem Versagen darstellt. In den Experimenten fehlen weitere Diskussionen über die Auswirkungen des Seilbremssystems, der Strukturversagensarten und der unterschiedlichen Vorspannungsspannungen, daher werden sich nachfolgende Studien mit diesen Aspekten befassen.

Die oben genannten Schätzungen und Ergebnisse können eine theoretische Referenz für die Lastberechnung und eine rationale Überprüfung der zugehörigen Steifigkeitsparameter in einem numerischen Simulationsplan darstellen.

Das Versuchsverfahren wird in derselben Gerinnemodellanlage durchgeführt, die von Jiang et al.26 eingeführt wurde. Die Neigung der Gerinne beträgt 30° und das FB-Modell wird am Ausgang der Gerinne aufgestellt. 100 kg wassergesättigtes Sediment mit zwei Arten der Korngrößenverteilung werden aus zwei unterschiedlichen Bewegungsabständen, die durch zwei angehobene Tore (3,2 m, abgekürzt als S und 5,0 m, abgekürzt als L) gesichert sind, freigesetzt, um auf das FB-Modell zu treffen. Die mittleren Durchmesser zweier Murgangmodelle betragen 13 mm bzw. 3,5 mm und repräsentieren grobe und feine Kategorien (Abb. 2c). Der Grundspalt (zwischen Bodenkabel und Grundplatte) ist auf 35 mm eingestellt, was dem maximalen Durchmesser von 90 % der Körner in groben Gruppen entspricht39. Das Verfahren sieht insgesamt vier experimentelle Belastungsgruppen vor (Tabelle 2). Außerdem wird seitlich eine Hochgeschwindigkeitskamera (200 Bilder pro Sekunde) und oben eine Digitalkamera eingesetzt, um den gesamten Aufprall- und Strukturverformungsprozess zu überwachen. Strömungs- und Strukturprofile werden dokumentiert und anschließend werden kinematische Parameter wie Strömungsgeschwindigkeit, Dicke, Fr, Nbag und Nsav aus dem Kameraaufnahmeintervall und der Bildgrößenkalibrierung zurückberechnet. Werte der Annäherungsgeschwindigkeit und -dicke werden innerhalb eines Bereichs von 0,5 m x 0,5 m in der Nähe des FB-Modells gezählt.

Vor jedem Test wird das Schuttmaterial in einem Speicherabschnitt, der aus der stromaufwärtigen Seite des Gerinnes und einem angehobenen Tor besteht, wiederholt mit Wasser gerührt und dann durch einen Dammbruch freigesetzt. Wenn Murgänge auf das FB-Modell treffen, werden die Kraftmesszellen und die Hochgeschwindigkeitskamera gleichzeitig ausgelöst, um sicherzustellen, dass die Zugkräfte und strukturellen Durchbiegungen synchronisiert werden. Schließlich wird der Stoß, der die normale verteilte Last angibt, die auf die anfängliche Länge (innerhalb der Spannweite) qdi wirkt, durch die Gleichungen erhalten. (1) und (3).

Die Froude-Zahl Fr dominiert die dynamische Ähnlichkeit zwischen den Tests im kleinen Maßstab und der Feldtechnik. Außerdem wird hier keine Zentrifuge eingesetzt, sodass auch Dichte und Schwerkraft kontrolliert werden (Tabelle 3). Der Trümmerfluss und die Struktur des FB-Modells sind stark nichtlinear und zeitlich variabel. Das physikalische Szenario der Wechselwirkung zwischen Strömung und Struktur ist sehr kompliziert und strömungskinematische Parameter können nicht direkt eingeführt werden. Während der Einfluss von Fr auf die Barrierenaufpralllast in vielen Literaturstellen gut belegt ist27,40,35,43, sollten auch andere zwei dimensionslose Parameter, nämlich Nsav und Nbag, die den Strömungsimpulstransport beschreiben, untersucht werden. Darüber hinaus fließen einige auf der quasistatischen Theorie basierende Strukturparameter in die Dimensionsanalyse ein:

wobei die Parameter denen in den Gleichungen entsprechen. (1) und (2). Und die Dimensionsanalyse ergibt:

Die linke Hand von Gl. (10) ist \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma_{p} }}\). Es ist bemerkenswert, dass \(\frac{{\sigma_{p} }}{{E_{i} }}\) die Vorspannungsdehnung ist und in experimentellen Tests konstant bleibt, sodass Nsav und Nbag bei der Datenanalyse im Mittelpunkt stehen. Da es sich um eine vorläufige Schlussfolgerung über die Korrelation zwischen den beiden dimensionslosen Parametern und der Nichtdimensionalisierung der Aufprallsteifigkeit handelt, werden in der Datenregression lineare Gesetze und Potenzgesetze ohne Schnittpunkte gewählt.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Chen, NS, Zhou, HB, Lu, Y., Yang, L. & Lv, LQ Analyse der Vorteile von Murgangkontrollprojekten in südwestlichen Berggebieten Chinas. J. Chengdu Univ. Technol. Wissenschaft. Technol. Ed. 40(1), 50–58. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-9727.2013.01.008 (2013) (auf Chinesisch).

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Diese Studie wird von der Natural Science Foundation der Provinz Sichuan (2022NSFSC1123) und dem Sichuan Science and Technology Program (2021YJ0544) finanziert.

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Jia-wen Zhou und Hong-wei Zhou

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HM und ZJ-W. hat diese Studie konzipiert und gestaltet. HM und LJ-D. führte die Modelltests durch und analysierte die Daten. HM, ZJ-T. und LX schrieb den Haupttext des Manuskripts. ZJ-W. und ZH-W. lieferten ihren Beitrag zur Verbesserung der Manuskriptqualität. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Miao Huo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Huo, M., Zhou, Jw., Zhao, J. et al. Die normale Aufprallsteifigkeit einer flexiblen Murgangbarriere. Sci Rep 13, 3969 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30664-2

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Eingegangen: 02. September 2022

Angenommen: 27. Februar 2023

Veröffentlicht: 09. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30664-2

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