落石沖擊力的擴散機制.pdf

1、落石沖擊力作為落石被動防護結構的主要設計荷載。落石防護結構上往往會有一層厚厚的緩沖材料，緩沖材料的厚度在一定程度上會影響落石沖擊力的大小，落石沖擊力通過墊層的擴散作用傳遞到防護結構上，因此，沖擊力在墊層中的擴散對于防護結構的設計起著至關重要的作用。而目前對落石沖擊力的擴散機制研究相對較少，基于此，本文在國家自然科學基金(51408084)的資助下，通過模型試驗，研究了落石形狀、碎石土墊層、壓實度以及墊層厚度對落石沖擊擴散作用的影響，并通

2、過PFC離散元程序中顆粒間力鏈的變化，揭示了不同沖擊條件下的落石沖擊力擴散機制、落石沖擊力的擴散范圍以及擴散角，本文的主要研究結果如下:
　　(1)本文通過模型試驗研究了落石形狀對沖擊力擴散的影響，將球體落石與墊層接觸定義為曲面接觸，將塊體、柱體以及方體落石與墊層接觸形式定義為平面接觸。其中，球體落石對防護結構的沖擊作用最弱，沖擊力擴散范圍最大。結果表明曲面接觸沖擊力更易發(fā)散;落石與墊層為平面接觸時，沖擊力相對集中。對于2kg落石

3、，平面接觸板中點處加速度為曲面接觸作用時的1.12～2.34倍。
　　(2)分析了墊層碎石含量對落石沖擊力和擴散范圍的影響。研究表明墊層的碎石含量對落石沖擊力影響較大，隨著碎石含量的增加落石沖擊力越大;但墊層碎石含量對落石沖擊力的擴散影響較小。碎石含量在50％以下時，沖擊力增幅均在50％以下;當碎石含量為75％時，沖擊力增幅介于80％～110％之間。不同質量落石從3m高度下落時，碎石土墊層板中點處加速度為土墊層的1.04～1.52

4、倍。
　　(3)分析了墊層密實度對落石沖擊力及其擴散范圍的影響，表明墊層密實度對落石沖擊力的擴散有較大影響，當密實度較小時，落石沖擊力出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，反之出現(xiàn)應力擴散現(xiàn)象。當落石下落高度為1m且采用35.7kg砝碼進行壓實時，混凝土板中點處加速度值為自然堆積的1.13～1.37倍;當采用71.4kg砝碼進行壓實時，混凝土板中點處加速度值為自然堆積的1.25～1.49倍。
　　(4)分析了墊層厚度對落石沖擊力及其擴散范圍的影

5、響，發(fā)現(xiàn)墊層厚度對落石沖擊力的擴散范圍有顯著影響，墊層厚度越大，落石沖擊力的擴散范圍越廣。當墊層厚度剛開始增加時，落石沖擊力的擴散范圍增長明顯，但隨著厚度的不斷增加，沖擊力擴散范圍增長不明顯，且對落石沖擊力的緩沖效果沒有墊層厚度剛開始增加時那么明顯。
　　(5)分析了落石半徑、巖性和下落高度對落石沖擊力和擴散范圍的影響。研究結果表明落石半徑與落石下落高度對落石沖擊力及沖擊力的擴散影響均較大，而巖性對落石沖擊力及沖擊力的擴散影響均較

6、小。隨著下落高度和半徑的增加，落石沖擊力及沖擊力的擴散范圍都增加。
　　(6)分析了沖擊能量相同時，隨著落石沖擊角度增加，落石沖擊力也逐漸增大。正碰時落石沖擊力的擴散范圍最大，斜碰時擴散方向與沖擊力作用方向一致，且斜碰時落石沖擊力擴散范圍變化較小。當沖擊角度為45°時，沖擊力的擴散范圍為30°的1.01倍;當沖擊角度為60°時，沖擊力的擴散范圍為30°的1.02倍;當沖擊角度為75°時，沖擊力的擴散范圍為30°的1.06倍;當沖擊