落石沖擊力的擴(kuò)散機(jī)制.pdf

1、落石沖擊力作為落石被動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)荷載。落石防護(hù)結(jié)構(gòu)上往往會(huì)有一層厚厚的緩沖材料，緩沖材料的厚度在一定程度上會(huì)影響落石沖擊力的大小，落石沖擊力通過墊層的擴(kuò)散作用傳遞到防護(hù)結(jié)構(gòu)上，因此，沖擊力在墊層中的擴(kuò)散對(duì)于防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。而目前對(duì)落石沖擊力的擴(kuò)散機(jī)制研究相對(duì)較少，基于此，本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(51408084)的資助下，通過模型試驗(yàn)，研究了落石形狀、碎石土墊層、壓實(shí)度以及墊層厚度對(duì)落石沖擊擴(kuò)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(kuò)散機(jī)制、落石沖擊力的擴(kuò)散范圍以及擴(kuò)散角，本文的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)本文通過模型試驗(yàn)研究了落石形狀對(duì)沖擊力擴(kuò)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(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊作用最弱，沖擊力擴(kuò)散范圍最大。結(jié)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(shí)，沖擊力相對(duì)集中。對(duì)于2kg落石

3、，平面接觸板中點(diǎn)處加速度為曲面接觸作用時(shí)的1.12～2.34倍。
　　(2)分析了墊層碎石含量對(duì)落石沖擊力和擴(kuò)散范圍的影響。研究表明墊層的碎石含量對(duì)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(duì)落石沖擊力的擴(kuò)散影響較小。碎石含量在50％以下時(shí)，沖擊力增幅均在50％以下;當(dāng)碎石含量為75％時(shí)，沖擊力增幅介于80％～110％之間。不同質(zhì)量落石從3m高度下落時(shí)，碎石土墊層板中點(diǎn)處加速度為土墊層的1.04～1.52

4、倍。
　　(3)分析了墊層密實(shí)度對(duì)落石沖擊力及其擴(kuò)散范圍的影響，表明墊層密實(shí)度對(duì)落石沖擊力的擴(kuò)散有較大影響，當(dāng)密實(shí)度較小時(shí)，落石沖擊力出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，反之出現(xiàn)應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象。當(dāng)落石下落高度為1m且采用35.7kg砝碼進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，混凝土板中點(diǎn)處加速度值為自然堆積的1.13～1.37倍;當(dāng)采用71.4kg砝碼進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，混凝土板中點(diǎn)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(duì)落石沖擊力及其擴(kuò)散范圍的影

5、響，發(fā)現(xiàn)墊層厚度對(duì)落石沖擊力的擴(kuò)散范圍有顯著影響，墊層厚度越大，落石沖擊力的擴(kuò)散范圍越廣。當(dāng)墊層厚度剛開始增加時(shí)，落石沖擊力的擴(kuò)散范圍增長(zhǎng)明顯，但隨著厚度的不斷增加，沖擊力擴(kuò)散范圍增長(zhǎng)不明顯，且對(duì)落石沖擊力的緩沖效果沒有墊層厚度剛開始增加時(shí)那么明顯。
　　(5)分析了落石半徑、巖性和下落高度對(duì)落石沖擊力和擴(kuò)散范圍的影響。研究結(jié)果表明落石半徑與落石下落高度對(duì)落石沖擊力及沖擊力的擴(kuò)散影響均較大，而巖性對(duì)落石沖擊力及沖擊力的擴(kuò)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(kuò)散范圍都增加。
　　(6)分析了沖擊能量相同時(shí)，隨著落石沖擊角度增加，落石沖擊力也逐漸增大。正碰時(shí)落石沖擊力的擴(kuò)散范圍最大，斜碰時(shí)擴(kuò)散方向與沖擊力作用方向一致，且斜碰時(shí)落石沖擊力擴(kuò)散范圍變化較小。當(dāng)沖擊角度為45°時(shí)，沖擊力的擴(kuò)散范圍為30°的1.01倍;當(dāng)沖擊角度為60°時(shí)，沖擊力的擴(kuò)散范圍為30°的1.02倍;當(dāng)沖擊角度為75°時(shí)，沖擊力的擴(kuò)散范圍為30°的1.06倍;當(dāng)沖擊