La rigidez normal al impacto de un residuo.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3969 (2023) Citar este artículo

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Este artículo propone una rigidez al impacto orientada normal de una barrera flexible de tres cables de soporte bajo una pequeña tensión de pretensión para estimar el comportamiento de la carga estructural, y emplea dos categorías de flujos de escombros a pequeña escala (gruesos y finos) para explorar la evolución de la rigidez a través de la física. experimentos modelo con fotografía de alta velocidad y detección de carga. Los resultados sugieren que el contacto partícula-estructura es esencial para el efecto de carga normal. El flujo de escombros gruesos realiza un contacto más frecuente entre las partículas y la estructura y ejerce un flujo de impulso evidente, mientras que los flujos de escombros finos con pocas colisiones físicas imparten uno mucho más pequeño. El cable situado en el medio, que recibe sólo fuerza de tracción del sistema de unión vertical equivalente entre cable y red, muestra un comportamiento de carga indirecta. El cable ubicado en la parte inferior muestra una alta retroalimentación de carga debido a la suma del contacto directo del flujo de desechos y las fuerzas de tracción. La relación entre las cargas de impacto y las deflexiones máximas del cable se puede explicar mediante funciones de potencia según la teoría cuasiestática. La rigidez del impacto no sólo se ve afectada por el contacto partícula-estructura sino también por la inercia del flujo y el efecto de colisión de partículas. El número de Savage Nsav y el número de Bagnold Nbag logran representar los efectos dinámicos sobre la rigidez normal Di. Los experimentos indican que Nsav tiene una correlación lineal positiva con la no dimensionalización de Di, mientras que Nbag tiene una correlación de potencia positiva con la no dimensionalización de Di. Esta idea es un alcance alternativo para el estudio de la interacción flujo-estructura y puede contribuir a la identificación de parámetros en la simulación numérica de la interacción flujo-estructura de escombros y la optimización de la estandarización del diseño.

La frecuencia de deslizamientos de tierra o flujos de escombros es alta en las zonas montañosas del suroeste de China debido a los pasajes empinados, las lluvias abundantes y las fuentes de fragmentos sólidos1. Afectadas por la oleada de tormentas extremas en todo el mundo en los últimos años, algunas áreas de deslizamientos de tierra de baja frecuencia se han convertido en áreas altas y la escala de los peligros aumenta, lo que es difícil de estimar con precisión y está causando amenazas considerables a los residentes y las infraestructuras cercanas. así como dificultades en el diseño de medidas de prevención y control.

La barrera flexible es una medida válida para la retención de flujos de escombros a pequeña escala. Su estructura general ligera y abierta hace que el impacto del entorno natural sea pequeño y hace que la construcción sea rápida y económica. Por lo tanto, cumple con los requisitos del tratamiento multipunto de barrancos de flujo de escombros en las zonas montañosas del suroeste de China y tiene una perspectiva prometedora2,3,4,5. Sin embargo, la respuesta estructural bajo el impacto del flujo de escombros aún está progresando debido a la compleja no linealidad geométrica de la barrera flexible6,7,8. Actualmente, la rigidez de la barrera flexible contra el flujo de escombros no está clara y el diseño convencional de la estructura en China se basa principalmente en un modelo conservador de disipación de energía. En la práctica, el componente de red de alambre de la estructura puede romperse antes de que fallen los cables de soporte o los anclajes9,10,11, lo que indica una brecha entre la teoría del diseño estructural y la función de ingeniería real. Teóricamente se reconoce que el esfuerzo cortante interno y el momento flector de la estructura de red de cables pueden ignorarse debido a la notable característica de tensión. El impacto del flujo de escombros se dispersa y transmite por la tensión de la estructura de la red de cables, por lo que las investigaciones sobre la rigidez estructural de la barrera flexible se centran en la fuerza de tracción y la deformación. Ashwood12 utiliza la rigidez axial de un cable como parámetro clave que se basa en la relación lineal entre carga y deflexión para cuantificar la interacción flujo-estructura. Grandes cantos rodados o partículas gruesas tienden a acumularse en la cabeza de un flujo de escombros, y la distribución de carga de la estructura bajo empuje a alta velocidad es transitoria. Por tanto, la rigidez en la dirección del oleaje debería servir como otro factor de estabilidad mecánica. El conocimiento relevante de la distribución de carga estructural se resuelve principalmente mediante un método cuasiestático que descompone el impacto del flujo de escombros en carga dinámica y carga estática de presión del suelo, pero la sección transversal de la estructura se define como una viga en voladizo, ignorando el impacto del empuje. -deformación de dirección13. La rigidez normal que es perpendicular a la cara de estiramiento de una barrera flexible tiende a demostrar la resistencia al corte del sistema de cable-red durante impactos instantáneos. Ng et al.14,15 ya han incluido el comportamiento carga-desplazamiento del cable de soporte en un análisis de rigidez normal. Song et al.16 estudiaron la rigidez normal máxima del cable de soporte bajo carga distribuida y concentrada sumando el número de Froude del flujo de escombros Fr y encontraron una rigidez normal máxima mayor bajo carga distribuida. Un estudio de seguimiento discutió el régimen de flujo y la compresibilidad de los flujos granulares secos que encuentran una barrera flexible en profundidad, indicando que la deflexión de la barrera flexible y el estado del material granular contribuyen a la variación de la carga de impacto17. Además, los cables de detención en un portaaviones se identifican como una estructura con rigidez a la tracción y a la flexión, y el modo de desarrollo de tensión tangencial que es normal al cable durante el proceso de detención enfatiza la necesidad de un análisis de tensión tangencial de la estructura del cable en condiciones altas. -impacto de velocidad18.

El impacto del flujo de escombros sobre una antiestructura se puede revisar en muchas publicaciones19,20,21,22,22, pero las deformaciones estructurales difieren entre sí con respecto a las diversas texturas. Dado que la rigidez estructural es un vínculo entre la carga y la deformación, la búsqueda de forma de una barrera flexible es el proceso principal para identificar la rigidez. Se utilizan métodos como la densidad de fuerza y la relajación dinámica para ayudar a encontrar la forma23,24, mientras que los efectos del desplazamiento normal de los nodos variable en el tiempo y la reserva de pretensión son complejos, lo que dificulta el desarrollo. Albrecht y Volkwein25 estudiaron la respuesta dinámica de una barrera flexible con red rómbica sometida a una carga de impacto concentrada, y definieron el estado de deformación de la estructura bajo el proceso inicial y de impacto utilizando la rigidez del componente de la red, luego las características de falla de la estructura bajo Se describen cargas concentradas. Los resultados muestran que el área parcial que sufre contacto-impacto directo es el inicio de la falla estructural. Jiang et al.26 calculan que el impacto directo de las partículas sobre la estructura conduce a una deformación parábola no regular, mientras que la parte sin contacto recibe un desplazamiento parabólico. Song et al.27 correlacionaron la fuerza de impacto normal con la evaluación del aumento del flujo de escombros basándose en el modelo de carga propuesto por Song et al.28 y la detección de la fuerza de tracción, lo que proporciona un buen enfoque para presentar la interacción barrera de flujo. Y las pruebas a escala real han tomado el desarrollo de la fuerza de impacto normal y el desplazamiento como factor para mostrar la trayectoria de carga antes del estado de falla29.

De acuerdo con el mecanismo de la estructura de tensión30, el modelo de fuerza de tracción puede concebirse como uno con esfuerzo cortante y momento flector nacionales para resolver el problema de carga-deformación, lo que indica la racionalidad del modelo de impacto normal. Este estudio propone una teoría preliminar sobre la rigidez del cable que se cuantifica mediante la carga distribuida del flujo de escombros y la deflexión máxima a lo largo del cable. Y se aplica el comportamiento no lineal y variable en el tiempo de la carga distribuida sobre la estructura según el criterio de compatibilidad para verificar este modelo de rigidez. La teoría surge del modo de impacto cuasiestático entre un flujo de escombros y una barrera flexible y sigue la idea propuesta por Brighenti et al.31. La evaluación de la rigidez está indicada por la deflexión normal máxima de un cable de soporte y su carga distribuida perpendicular, mientras tanto, la carga distribuida debe cubrir la que se transmite por el sistema de unión vertical equivalente cable-red, es decir, la fuerza de tracción ejercida por otros cables. y la red. Además, se realizan algunas simplificaciones para que el modelo sea práctico: (i) el vector de impacto del flujo de escombros es normal a la dirección inicial del cable, (ii) toda la estructura es elástica y (iii) la deflexión del cable es parabólica con la anchura. Así, la elaboración del modelo de rigidez se muestra en la Fig. 1.

Diagrama sistemático del modelo de impacto: (a) vista frontal de una barrera flexible, (b) deformación de la sección transversal de la barrera flexible sometida a un impacto de flujo de escombros y (c) la deflexión máxima de un cable de soporte bajo carga de impacto uimax.

Como se muestra en la Fig. 1c, teniendo en cuenta la noción cuasiestática y la coordinación de un solo cable y la deformación, la carga distribuida en el cable i se expresa de la siguiente manera:

donde qi denota carga distribuida perpendicular al cable de soporte i. Ni y Hi son las componentes tangencial y horizontal de la fuerza de reacción de soporte del anclaje, respectivamente. Ti es la fuerza de tracción que actúa sobre el anclaje. Y δi es el ángulo de desviación del extremo del cable i.

Siempre que el cable i esté en estado completamente tensado, qi cumple la siguiente correlación

Ei y Ai son el módulo elástico y la sección transversal del cable i, por separado. uimax es la deflexión máxima del cable i. Con el objetivo de interpretar el impacto del flujo de escombros, qi debe descomponerse en la carga de impacto del flujo de escombros qdi y la suma de los componentes de la dirección del impacto de las cargas de tracción transmitidas desde el sistema de unión cable-red tjh:

En última instancia, la rigidez de un cable al impacto del flujo de escombros se puede expresar como la carga distribuida impartida por un flujo de escombros y la deflexión máxima del cable:

Di (N/m2) contiene un módulo elástico de tracción EiAi y refleja teóricamente la resistencia de la estructura al impacto frontal de un flujo de escombros. Sin embargo, tjh difícilmente puede obtener una solución analítica debido al comportamiento no lineal de la sección transversal vertical de la red del cable. Por tanto, este artículo proporciona un experimento específico para eliminar el efecto de tjh. La carga ejercida por el flujo de escombros qdi se deduce de la compatibilidad de deformación del perfil del sistema vertical cable-red, que ya se presenta en 26.

Sobre todo, la carga normal de la cara de estiramiento y la deflexión desempeñan papeles directos en la descripción del impacto del flujo de escombros. El estudio presentado tiene como objetivo explorar una rigidez al impacto normalizada del cable de soporte sin disipadores de energía basado en la teoría antes mencionada. Se realizan pruebas de modelos de estructura física para analizar la interacción entre flujos de escombros a pequeña escala y barreras flexibles con grandes aberturas y excluir la transmisión de cargas de tracción.

A través de experimentos a pequeña escala con diseños específicos, los comportamientos estructurales derivados de las fuerzas de impacto ejercidas por dos categorías de flujo de escombros modelo, es decir, grueso y fino, han logrado verificar la función clave de la rigidez. El modelo de barrera flexible (abreviado como modelo FB) es paralelo a la gravedad, por lo que el efecto de la carga es más distinto que cuando el FB es perpendicular a la línea inferior del canal40. El FB tiene 0,4 m de alto y 0,5 m de ancho con tres modelos de cables de soporte igualmente adyacentes con sección circular (el diámetro de la sección es de 4 mm), a saber, cable superior, intermedio e inferior, y los cables están entrelazados con la red. La textura de la red en el FB es de nailon y se enrolla en un sistema de cuerda y alambre de malla rómbica. El tamaño de la malla es lo suficientemente abierto (igual al tamaño máximo de grano del material del flujo de escombros) en caso de que los sedimentos alcancen la altura del cable intermedio (Fig. 2a). El extremo de un cable está atornillado con una celda de carga (100 g de masa, 100 veces por segundo de frecuencia de muestreo y 0,1 N de resolución) y está anclado a un poste vertical de acero que se fija en el lado derecho del canal (Fig. .2b). Los cables intermedio e inferior se extienden fuera del canal (longitud de 1,1 m frente a ancho de 0,5 m) para proporcionar más espacio para la disipación de energía27. Además, la fuerza de pretensión del cable intermedio e inferior se establece en un valor idéntico (aproximadamente 0,01 N y la tensión de pretensión es 796 Pa), por lo que el estado rígido inicial de cada cable es igual para una mejor comparación durante los procesos de impacto.

Modelo experimental: (a) el disparo frontal y (b) el perfil de la instalación del canal con el FB y (c) la distribución granulométrica del sedimento.

Todo el proceso de impacto no dura más de 5 s y el sedimento final detrás del FB es un poco más bajo que la altura del cable intermedio. Esto indica que el cable inferior soporta el contacto directo de los flujos de escombros, mientras que los cables superior e intermedio solo están sujetos a la fuerza de tracción del sistema de unión vertical de cable y red. El comportamiento de carga del cable superior no se ve afectado porque no hay ninguna célula de carga colocada sobre él. Tampoco lo es el grupo de pruebas FL, debido a un fallo en la detección de la fuerza de tensión. Se pueden ver más detalles sobre el procedimiento experimental en la sección "Procedimiento experimental".

Durante el proceso de impacto se documentan múltiples parámetros del flujo de escombros del modelo, que cubren la velocidad promedio de aproximación U y el espesor del flujo h. No existe una diferencia significativa entre los parámetros cinemáticos de los flujos de escombros gruesos y finos, e incluso los valores de U y h en la categoría de flujo de escombros finos superan a los de la categoría gruesa (Tabla 1). Por otro lado, el sedimento detrás de la barrera supone un modo de carrera y nunca podrá superar la altura del cable intermedio en cada prueba (Fig. 3). La tasa de salida final en peso es 0,21, 0,13, 0,61 y 0,56 en las pruebas CL, CS, FL y FS, respectivamente, lo que demuestra que la permeabilidad del modelo FB no sólo está relacionada con el tamaño máximo de grano sino también con la mayoría de los distribución de tamaño de partícula. El número de Froude Fr de los flujos que se aproximan se vuelve a calcular de acuerdo con U y h en ciertos momentos, y varía con diferentes configuraciones y duraciones de impacto (Tabla 1). Generalmente, los valores de Fr indican que los flujos están dominados por las fuerzas de gravedad e inercia, y el rango de valores sigue múltiples flujos de escombros naturales41,35. La Figura 3 también muestra los perfiles de deflexión durante los procesos de impacto típicos, que se dividen en etapa inicial, de interacción y estática. Se encuentra que los cables se desvían básicamente a lo largo de la dirección normal del impacto, y la deflexión máxima aumenta de arriba a abajo, y la retracción no es obvia después. La categoría gruesa presenta mayores desviaciones en comparación con la categoría fina. La categoría fina genera un impacto casi de lodo a pesar de que hay una minoría de partículas gruesas (el 10% de las cuales se encuentran en el rango de 35 a 50 mm) por delante. El patrón de deflexión a lo largo del cable es parabólico con el ancho (Fig. 4a, b), correspondiente a la hipótesis mencionada anteriormente.

Deflexión del FB sometido a impactos dependientes del tiempo: (a) CL, (b) CS, (c) FL y (d) FS.

(a) El patrón de deflexión del cable de CL (b) y CS, (c) carga de impacto distribuida qdi versus tiempo (d) carga de impacto distribuida normalizada, es decir, la carga de impacto por la carga máxima \(\frac{{q_{di} } }{{q_{dimax} }}\) versus tiempo y (e) carga de impacto de flujo de escombros distribuido qdi versus deflexión máxima uimax.

La carga de impacto y la rigidez de la categoría fina caen violentamente. Como se muestra en la Fig. 4c, el qdi alcanza su valor máximo durante el proceso de impacto inicial y luego cae a un valor constante y mantiene un estado estático. La carga de impacto distribuida en el grupo FS es mucho menor que en la categoría gruesa y la carga normalizada también cae más violentamente en el grupo FS (Fig. 4d), lo que indica que la menor frecuencia de contacto con la red de cable-red y la mayor permeabilidad hacen que la respuesta estructural insensible en el grupo FS. El impacto de partículas gruesas sobre la estructura del cable muestra una mayor retroalimentación de carga, lo que enfatiza la importancia del contacto entre las partículas y la estructura. Esta tendencia varía de manera similar con las descripciones de barreras en algunas publicaciones21,27,35. Por otro lado, el contacto partícula-estructura está asegurado en la categoría gruesa, por lo que el flujo de escombros con una distancia de movimiento más larga tiende a tener una fuerza de impacto más poderosa. Es más, el qdi en el cable inferior siempre sigue siendo mayor en comparación con el del intermedio, por lo que implica que la rigidez del cable sería diferente bajo diferentes grados de impacto.

Dado que el cable intermedio no está en contacto directo con el flujo de escombros sino que solo está sujeto a una fuerza de tracción, la carga de impacto normal debe ser una función de potencia de la deflexión máxima según la ecuación. (2), es decir:

donde los coeficientes a y b representan el desarrollo. Si el cable está completamente tenso, los coeficientes a y b se pueden calibrar trayendo el valor estándar del módulo elástico (E = 2,06 × 1011 Pa) en la ecuación. (2). La regresión a través de datos experimentales en el cable intermedio también es la función de potencia como la ecuación. (5), cuyo coeficiente de correlación es 0,97 después de que el coeficiente b se establece en 3 (Fig. 4e). Pero el análisis retrospectivo del coeficiente a refleja una escala mucho menor (a = 8,7 × 105 Pa·m−2).

Como complejidad de la expresión teórica, aplicamos la regresión para describir el comportamiento de carga-deflexión del cable inferior en función de los datos de la celda de carga. Y la más apropiada es otra forma de función de potencia:

donde el coeficiente c = 6,64, d = 1,66 × 108 y e = 4,41 con un coeficiente de correlación de 0,98 (Fig. 4e). El coeficiente c denota el componente normal de la carga del sistema de unión vertical de cable-red. Los resultados mencionados anteriormente demuestran el papel clave del contacto sólido en el comportamiento de la carga de impacto y la validez del marco coexpresado por las Ecs. (2) y (3). Y los coeficientes d y e no son iguales a los valores teóricos debido a los impactos del movimiento del flujo grueso y fino.

Dado que las categorías gruesa y fina de flujo de escombros tienen impactos distintos en la estructura del cable, la rigidez normal al impacto se investiga con algunos índices que presentan movimientos de flujo de escombros. Los detalles sobre el análisis dimensional se presentan en la sección "Principio de escala y análisis dimensional".

Primero, se introduce el número salvaje de flujo de escombros Nsav (Tabla 1). Se trata de cuantificar el alcance de la fuerza de inercia de las partículas sólidas y la fuerza de colisión por fricción en el movimiento dentro de un flujo de escombros33,34. La expresión computacional de Nsav es la siguiente:

donde ρs y ρf son la densidad del sólido y del fluido en el flujo de escombros, respectivamente, y δ denota un tamaño de grano particular que domina el movimiento principal de partículas, que puede sustituirse por un tamaño de grano promedio D50. γk es la velocidad de corte a lo largo del espesor del flujo, estimada por \(\frac{U}{h}\)33,34. φ es el ángulo de fricción interna del material del flujo de desechos del modelo. φ se prueba preliminarmente a través de un par de dos cajas (sin tapa) llenas con material de flujo de desechos del modelo, y las dos cajas se apilan una encima de la otra y se colocan en un pequeño conducto con inclinación ajustable (Fig. 5a). Después de aumentar la inclinación, la caja de arriba comenzaría a deslizarse y separarse de la de abajo. Asociado con el tiempo t, la inclinación de deslizamiento del canal θ y la longitud longitudinal de la caja S, el φ se puede derivar de la ecuación. (8) a continuación:

(a) dos cajas llenas de material de flujo de escombros para la prueba del ángulo de fricción interna, (b) la relación entre la rigidez normal Di y la tensión de pretensión σp versus el número de Savage Nsav y (c) versus el número de Bagnold Nbag.

Aquí, mediante un cálculo simple, φ≈39° y φ≈36° en categoría gruesa y categoría fina. φ permanece estático durante el impacto. Además, la tensión de pretensión también es un factor que afecta la rigidez inicial, por lo que adimensionalizamos Di como la relación entre Di y la tensión de pretensión σp, es decir, \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma _{p } }}\), posiblemente para uso general. El σp se considera una tensión característica. La curva de ajuste indica que \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma _{p} }}\) crece linealmente con Nsav (la expresión de la curva de ajuste es \(\frac{{D_{1} }}{{ \sigma_{p} }}\) = 0.13Nsav, con R2 = 0.92 y \(\frac{{D_{2} }}{{\sigma_{p} }}\) = 0.04Nsav, con R2 = 0.83) y la rigidez normal al impacto del cable intermedio que recibe una carga indirecta es menor que la del cable inferior cuando la inercia del movimiento del flujo entrante es igual (Fig. 5b).

El número de Bagnold, Nbag, se percibe como un factor válido para representar la colisión interna de partículas de un flujo de escombros. Aquí aprovechamos a Nbag para buscar otra viabilidad de contacto partícula-estructura para describir el desarrollo de la rigidez (Tabla 1). El cálculo de Nbag se elabora en la literatura33 y también se emplea la adimensionalización de Di. Se encuentra que \(\frac{{D_{1} }}{{\sigma_{p} }}\) y \(\frac{{D_{2} }}{{\sigma_{p} }}\ ) ambos aumentan en un crecimiento de potencia con Nbag en un cierto rango (Fig. 5c). En comparación con el efecto de Nsav, la tasa creciente de \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma_{p} }}\) asciende con Nbag. Las expresiones de ajuste de potencia son \(\frac{{D_{1} }}{{\sigma_{p} }}\) = 5.15 × 10–4 (Nsav)2.06 con R2 = 0.92 y \(\frac{{D_ {2} }}{{\sigma_{p} }}\) = 7,84 × 10–5 (Nsav)2,24 con R2 = 0,85. De manera similar, la rigidez normal al impacto del cable intermedio que recibe una carga indirecta es menor que la del cable inferior cuando el efecto de colisión interna de partículas del flujo de escombros es el mismo.

En este artículo se presenta un marco novedoso para evaluar la rigidez del impacto del flujo normal de escombros de una barrera flexible a través de experimentos con modelos físicos. La rigidez al impacto normal es una estimación alternativa de la carga de impacto distribuida de un flujo de escombros, que puede percibirse como la rigidez al corte mencionada en la literatura35, pero con dimensiones diferentes. Esta rigidez del cable se utiliza principalmente para perfilar la carga de impacto del flujo de escombros y la fuerza de tracción transmitida por el sistema de unión vertical equivalente de cable-red, que es muy difícil de estimar en la práctica. Es necesario explorar más a fondo el efecto de la rigidez en la distribución de la carga mediante simulación numérica y agregar un componente de disipación de energía.

Los flujos de escombros con diferentes distribuciones de tamaño de grano pueden plantear diferentes cargas en el modelo FB. Las partículas gruesas tienden a acumularse en la cabeza del flujo de escombros de categoría gruesa e imparten una fuerza mayor que la de los flujos de escombros finos, con mayor contacto entre las partículas y la estructura. La carga de impacto normal se estima según la teoría cuasiestática y los datos de tensión detectados por celdas de carga. Y la transmisión de carga muestra que los cables de diferentes alturas soportan fuerzas muy diferentes. Una gran carga actúa sobre el cable inferior debido a la suma del impacto directo del flujo de desechos y la fuerza de tracción de los cables verticales equivalentes, es decir, la fuerza indirecta. En cuanto al intermedio que recibe sólo fuerza indirecta, la retroalimentación de carga seguramente es baja. La literatura 28 informó que un modelo de barrera flexible de cuatro cables recibió la mayor fuerza de impacto en el cable intermedio inferior en lugar del cable inferior en este estudio. Pero aquí el cable inferior está a 35 mm de la placa base, lo que también indica la idea de que la parte inferior del modelo FB está sujeta a una mayor fuerza de impacto. La relación experimental entre la carga de impacto y la deflexión máxima cumple con el patrón de función de potencia que se explica por la deducción teórica de la ecuación. (2), confirmando la aplicabilidad de la teoría cuasiestática. Este patrón es más o menos consistente con el modo fuerza-desplazamiento de la barrera de red de alambre explicado por Ng et al.14,15 y Escallon et al.29. Sin embargo, no todos los cables dentro del FB están perfectamente apretados, lo que induce el valor calculado del módulo elástico a través de la ecuación. (5) es mucho menor que el valor estándar del módulo elástico (E = 2,06 × 1011 Pa). Esta tendencia permite que el módulo elástico estructural en estado suelto sea un índice particular para controlar la fuerza de pretensión en la práctica.

La velocidad y el espesor del flujo de escombros finos difieren menos de los del flujo grueso bajo la misma condición de distancia de movimiento, lo que indica casi el mismo estado de flujo entrante. Sin embargo, la carga normal y la rigidez bajo el impacto de un flujo de escombros finos son extremadamente bajas, lo que infiere que el contacto de las partículas con la estructura podría ser crucial para el rendimiento rígido. Por lo tanto, introducimos la inercia del movimiento y el efecto de colisión de partículas representados por Nsav y Nbag, respectivamente, para explorar el desarrollo de la rigidez normal Di. Y el tamaño medio de partícula D50 de los flujos de desechos gruesos y finos dentro de los dos factores también ha demostrado ser válido para evaluar la carga de impacto. Las relaciones positivas entre estos dos factores y Di eventualmente verifican la hipótesis de que la inercia del movimiento del flujo y el contacto de las partículas con la estructura contribuyen al aumento de Di dentro de un cierto rango. Se deduce que estas conexiones positivas dejarán de ser válidas después de que Di supere un cierto valor que está relacionado con el estado crítico de falla29. Teniendo en cuenta que \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma_{p} }}\), Nsav y Nbag no tienen dimensiones, por lo que los efectos de escala podrían ignorarse en comparación con la práctica de ingeniería. Pero el error experimental y la estimación estática de parámetros pueden afectar la precisión de las dos funciones de relación. Se debe realizar un estudio intensivo para obtener una inversión perfecta de los parámetros dentro de las curvas de ajuste. En resumen, esta visión integrada del movimiento del flujo y el contacto entre partículas y estructura es esencial para el mecanismo de carga de una barrera flexible contra el flujo de escombros, que comparte la misma opinión sobre el impacto de la fracción sólida en una barrera35. El cable intermedio de una barrera flexible sirve como cojín cuando se le impone una carga de tensión indirecta, lo que indica el efecto de distribución de la carga del alambre de red vertical36,43,38. Por otro lado, la carga directa del impacto de partículas y lodo junto con la carga de tensión de los cables verticales hace que el cable inferior sea más rígido. Por lo tanto, en la práctica se recomienda reforzar el cable inferior o la parte inferior. El análisis experimental es un intento activo de descubrir la evolución del impacto del flujo de escombros en la barrera flexible para, en última instancia, asegurar que el estado crítico esté cerca de una falla dúctil en lugar de una falla frágil. Los experimentos carecen de mayor discusión sobre los efectos del sistema de frenado por cable, los modos de falla de la estructura y las diversas tensiones de pretensión, por lo que los estudios posteriores cubrirán estos aspectos.

La estimación y los resultados antes mencionados pueden proporcionar una referencia teórica para el cálculo de la carga y una verificación racional del parámetro de rigidez relacionado en un plan de simulación numérica.

El procedimiento experimental se lleva a cabo en las mismas instalaciones modelo de canal introducidas por Jiang et al.26. La inclinación del canal es de 30° y el modelo FB se monta a la salida del canal. Se liberan 100 kg de sedimento saturado de agua con dos tipos de distribución de tamaño de grano desde dos distancias de movimiento diferentes aseguradas por dos compuertas elevadas (3,2 m abreviado como S y 5,0 m abreviado como L) para alcanzar el modelo FB. Los diámetros medios de dos modelos de flujo de escombros son 13 mm y 3,5 mm, respectivamente, y representan categorías gruesas y finas (Fig. 2c). El espacio basal (entre el cable inferior y la placa base) se establece en 35 mm, lo que equivale al diámetro máximo del 90% de los granos en los grupos gruesos39. El procedimiento proporciona cuatro grupos de carga experimentales en total (Tabla 2). Además, se emplea una cámara de alta velocidad (200 cuadros por segundo) lateralmente y una cámara digital colocada en la parte superior para monitorear todo el impacto y el proceso de deformación estructural. Se documentan los perfiles de flujo y estructura y luego se calculan los parámetros cinemáticos como la velocidad del flujo, el espesor, Fr, Nbag y Nsav a partir del intervalo de disparo de la cámara y la calibración del tamaño de la imagen. Los valores de la velocidad de aproximación y el espesor se cuentan dentro de una región de 0,5 m por 0,5 m cerca del modelo FB.

Antes de cada prueba, el material de desecho se agita repetidamente con agua en una sección de almacenamiento que consta del lado aguas arriba del canal y una compuerta elevada, y luego se libera mediante una abertura de presa. Cuando los flujos de escombros impactan el modelo FB, las celdas de carga y la cámara de alta velocidad se activan simultáneamente para garantizar que las cargas de tracción y las deflexiones estructurales se sincronicen. Finalmente, el impacto que denota la carga distribuida normal que actúa sobre la longitud inicial (dentro del tramo) qdi se obtiene mediante las Ecs. (1) y (3).

El número de Froude Fr domina la similitud dinámica entre las pruebas a pequeña escala y la ingeniería de campo. Además, aquí no se emplea centrífuga, por lo que también se controlan la densidad y la gravedad (Tabla 3). El flujo de escombros y la estructura del modelo FB son altamente no lineales y varían en el tiempo. El escenario físico de la interacción flujo-estructura es muy complicado y los parámetros cinemáticos del flujo no se pueden introducir directamente. Si bien el efecto de Fr sobre la carga de impacto de barrera ha sido bien establecido en muchas publicaciones27,40,35,43, también deben examinarse otros dos parámetros adimensionales, es decir, Nsav y Nbag, que describen el transporte del momento del flujo. Además, se introducen en el análisis dimensional algunos parámetros estructurales basados en la teoría cuasiestática:

donde los parámetros son equivalentes a los de las Ecs. (1) y (2). Y el análisis dimensional produce:

La mano izquierda de la Ec. (10) es \(\frac{{D_{i} }}{{\sigma_{p} }}\). Es de destacar que \(\frac{{\sigma_{p} }}{{E_{i} }}\) es la deformación de pretensión y permanece constante en las pruebas experimentales, por lo que Nsav y Nbag se centran en el análisis de datos. Dado que se trata de una deducción preliminar sobre la correlación entre los dos parámetros adimensionales y la adimensionalización de la rigidez al impacto, en la regresión de datos se eligen leyes lineales y de potencia sin intercepciones.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Este estudio está financiado por la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Sichuan (2022NSFSC1123) y el Programa de Ciencia y Tecnología de Sichuan (2021YJ0544).

Facultad de Conservación del Agua e Ingeniería Hidroeléctrica, Universidad Agrícola de Sichuan, Ciudad de Ya'an, 625014, China

Miao Huo, Jiangtao Zhao, Jidong Li y Xing Liu

Laboratorio Estatal Clave de Hidráulica e Ingeniería de Ríos de Montaña, Universidad de Sichuan, Chengdu, 610065, China

Jia-wen Zhou y Hong-wei Zhou

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HM y ZJ-W. concibió y diseñó este estudio. HM y LJ-D. realizó las pruebas del modelo y analizó los datos. HM, ZJ-T. y LX escribió el texto manuscrito principal. ZJ-W. y ZH-W. proporcionaron sus aportes para mejorar la calidad del manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Miao Huo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Huo, M., Zhou, Jw., Zhao, J. et al. La rigidez normal al impacto de una barrera flexible contra el flujo de escombros. Informe científico 13, 3969 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30664-2

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Recibido: 02 de septiembre de 2022

Aceptado: 27 de febrero de 2023

Publicado: 09 de marzo de 2023

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

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