基于DEM-FEM耦合方法的碎屑流对桥墩最大冲击力的影响因素研究

摘要

碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一，山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌，给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method, DEM)和有限元方法(finite element method, FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应，并结合斜槽试验，验证了耦合方法的准确性，进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明，最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明，流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力，最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。

关键词

DEM-FEM耦合方法 / 碎屑流 / 桥墩 / 冲击力 / 敏感性分析