落石沖擊力擴(kuò)散規(guī)律研究

葉 鵬

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074）

1 研究現(xiàn)狀

在我國(guó)，尤其是西南地區(qū)，危巖落石災(zāi)害頻繁發(fā)生，經(jīng)常造成交通阻斷及交通事故，給地區(qū)交通建設(shè)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不良的影響，也給國(guó)家人民帶來(lái)了財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。所以，對(duì)于危巖的防治處理及防治方案的選擇，研究落石沖擊力的擴(kuò)散有著現(xiàn)實(shí)的意義[1]。

落石沖擊力是落石防治結(jié)構(gòu)的重要設(shè)計(jì)荷載，但是目前對(duì)于落石沖擊力的計(jì)算方法不是很成熟，且落石沖擊不同墊層后，落石沖擊沖擊力如何擴(kuò)散，擴(kuò)散后作用在結(jié)構(gòu)上的力如何確定，這些都是還沒(méi)有較好解決的科學(xué)問(wèn)題。所以，找出落石沖擊的擴(kuò)散規(guī)律以及繪制沖擊力擴(kuò)散的圖像，可以為擴(kuò)大理論公式的使用范圍提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 研究?jī)?nèi)容

采用理論研究，實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對(duì)不同質(zhì)量的落石，下降高度等條件進(jìn)行全面研究。利用Ansys 有限元軟件來(lái)分析落石沖擊墊層的過(guò)程更加直觀，清楚。準(zhǔn)確地研究落石沖擊力大小使得在選擇危巖落石防治方案上有了依據(jù)。模擬實(shí)驗(yàn)的目的就是為了研究變形區(qū)域內(nèi)的沖擊力擴(kuò)散情況以及力傳遞的情況。探究不同質(zhì)量的落石，不同高度下的沖擊擴(kuò)散角度的變化情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以得出，當(dāng)落石下落高度相同時(shí)，落石的沖擊深度隨著落石質(zhì)量的增大而增大，并且質(zhì)量每增大1kg，沖擊深度會(huì)增大20%～30%左右；同時(shí)，落石質(zhì)量增大到一定程度時(shí)，下落深度的該變量會(huì)趨于20%，之后會(huì)保持一穩(wěn)定的數(shù)值。落石的沖擊寬度在1kg 到2kg 之間的變化率為40%左右，但之后的變化率減小，逐漸遞減為15%并保持穩(wěn)定。

當(dāng)落石的質(zhì)量相同時(shí)，下落高度每增大1m 左右時(shí)，沖擊深度會(huì)增加10%～15%左右，之后趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，而沖擊造成的橫向?qū)挾葧?huì)增加8%～14%左右。

在質(zhì)量相同，高度變化的情況下以及在高度相同，質(zhì)量變化的情況下，這兩種情況最后的結(jié)果都會(huì)趨于一穩(wěn)定的數(shù)值變化率。由于落石沖擊區(qū)域的土體在受到外部擠壓時(shí)，土體本身會(huì)由松散狀態(tài)到密實(shí)狀態(tài)，在這一個(gè)過(guò)程中，密實(shí)狀態(tài)的土體會(huì)產(chǎn)生一定的抗壓內(nèi)力，類似于試件的抗壓實(shí)驗(yàn)[2]，導(dǎo)致在密實(shí)土體抗壓內(nèi)力范圍以內(nèi)，外部形變的變化率趨于穩(wěn)定，形變曲線緩慢增長(zhǎng)；隨著落石下落高度或者落石質(zhì)量的繼續(xù)增大，超出抵抗形變的內(nèi)力范圍，沖擊深度會(huì)繼續(xù)增大。

4 落石沖擊動(dòng)態(tài)模擬

基于Ansys 有限元軟件，構(gòu)建落石與墊土層混凝土板的動(dòng)力學(xué)分析模型，研究它們?cè)谙嗷プ饔眠^(guò)程中的應(yīng)力擴(kuò)散，在墊層的表面選擇九個(gè)點(diǎn)進(jìn)行速度的測(cè)量，A 點(diǎn)為落石沖擊墊層的中心點(diǎn)，B、C、D、E、F、G、H、I 八個(gè)點(diǎn)分別為距離中心點(diǎn)一定距離的測(cè)量點(diǎn)，呈環(huán)形分布，具體的速度變化圖像如下：

圖1 測(cè)量點(diǎn)速度變化圖

從圖中可以看出，落石沖擊墊層的中心點(diǎn)A 最大速度為5m/s 左右，其他點(diǎn)的速度變化幅度不大，在6s 左右時(shí)均出現(xiàn)一定幅度的變化，之后趨于平穩(wěn)的波動(dòng)。

中心點(diǎn)A 處的最大豎向位移向下約為17cm，其余八個(gè)測(cè)量點(diǎn)的豎向位移變化區(qū)間為向上2.5cm 到1cm 之間。并且堆積高度由中心向四周遞減。堆積高度的大小是由實(shí)際沖擊力擴(kuò)散的大小決定的。能量損失較小時(shí)，波動(dòng)較大，土體的堆積高度較高。

為了計(jì)算出實(shí)際的落石沖擊力的大小，必須以落石在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度為依據(jù)。在假設(shè)條件前提下，依據(jù)所建立的模型，測(cè)得九個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的加速度如下圖所示：

圖2 測(cè)量點(diǎn)沖擊力變化曲線

在模擬中，所選取的墊層厚度分別為0.35m，0.4m，0.45m，0.5m，0.55m 和0.6m 這6 種情況。在同一高度的情況下，墊層的厚度越大，落石造成的沖擊效果越不明顯，并且墊層每增加0.05m，這一沖擊效果就會(huì)減少10%～20%左右。

在實(shí)際工程中，土類材料緩沖效果最好，主要是因?yàn)橥馏w緩沖層較軟、結(jié)構(gòu)松散，能抵抗的變形量大，在落石沖擊過(guò)程中吸收的能量就越多，沖擊力就越小[3]。綜上所述，緩沖材料對(duì)沖擊力的減小作用還是很明顯的。

5 結(jié)論

（1）本文中建立的模型采用的落石形狀為球體狀，只對(duì)水平向的墊層進(jìn)行模擬，假設(shè)落石的運(yùn)動(dòng)模式為沒(méi)有初速度的自由下落，即屬于飛落的一種。落石沖擊力的大小會(huì)隨著混凝土板的上覆墊層厚度的增加而減少，土層的厚度越厚，落石能傳遞到混凝土板上的沖擊力越小，最后趨于穩(wěn)定。

（2）落石沖擊墊層表面時(shí)，接觸點(diǎn)上會(huì)產(chǎn)生最大的應(yīng)力變形，之后，沖擊應(yīng)力向四周擴(kuò)散，并且存在由上到下，由中心向四周逐漸遞減的變化規(guī)律。同時(shí)，墊層自己身的粘聚力、彈性模量以及土層厚度等因素都會(huì)對(duì)落石的沖擊力產(chǎn)生影響。在模擬建模當(dāng)中，增大墊層的彈性模量會(huì)減小落石沖擊土層的深度，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系[4]。

（3）在落石質(zhì)量相同，下落高度相同等條件下，落石沖擊力大小會(huì)隨著墊層厚度的增加而減少。墊層每增加5 公分時(shí)，落石沖擊力的大小會(huì)比原來(lái)減少10%～20%左右，最大沖擊力隨著滾石重量的減小或者沖擊速度的降低，逐漸減小[5]。緩沖層的厚度對(duì)于沖擊力變化很明顯。