落石沖擊力擴散規律研究

葉 鵬

（重慶交通大學河海學院，重慶 400074）

1 研究現狀

在我國，尤其是西南地區，危巖落石災害頻繁發生，經常造成交通阻斷及交通事故，給地區交通建設運營產生不良的影響，也給國家人民帶來了財產損失和人員傷亡。所以，對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散有著現實的意義[1]。

落石沖擊力是落石防治結構的重要設計荷載，但是目前對于落石沖擊力的計算方法不是很成熟，且落石沖擊不同墊層后，落石沖擊沖擊力如何擴散，擴散后作用在結構上的力如何確定，這些都是還沒有較好解決的科學問題。所以，找出落石沖擊的擴散規律以及繪制沖擊力擴散的圖像，可以為擴大理論公式的使用范圍提供相關的實驗數據。

2 研究內容

采用理論研究，實驗研究與數值模擬相結合的方法，針對不同質量的落石，下降高度等條件進行全面研究。利用Ansys 有限元軟件來分析落石沖擊墊層的過程更加直觀，清楚。準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。模擬實驗的目的就是為了研究變形區域內的沖擊力擴散情況以及力傳遞的情況。探究不同質量的落石，不同高度下的沖擊擴散角度的變化情況。

3 試驗結果及分析

從實驗數據的分析結果可以得出，當落石下落高度相同時，落石的沖擊深度隨著落石質量的增大而增大，并且質量每增大1kg，沖擊深度會增大20%～30%左右；同時，落石質量增大到一定程度時，下落深度的該變量會趨于20%，之后會保持一穩定的數值。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%并保持穩定。

當落石的質量相同時，下落高度每增大1m 左右時，沖擊深度會增加10%～15%左右，之后趨于一個穩定的數值，而沖擊造成的橫向寬度會增加8%～14%左右。

在質量相同，高度變化的情況下以及在高度相同，質量變化的情況下，這兩種情況最后的結果都會趨于一穩定的數值變化率。由于落石沖擊區域的土體在受到外部擠壓時，土體本身會由松散狀態到密實狀態，在這一個過程中，密實狀態的土體會產生一定的抗壓內力，類似于試件的抗壓實驗[2]，導致在密實土體抗壓內力范圍以內，外部形變的變化率趨于穩定，形變曲線緩慢增長；隨著落石下落高度或者落石質量的繼續增大，超出抵抗形變的內力范圍，沖擊深度會繼續增大。

4 落石沖擊動態模擬

基于Ansys 有限元軟件，構建落石與墊土層混凝土板的動力學分析模型，研究它們在相互作用過程中的應力擴散，在墊層的表面選擇九個點進行速度的測量，A 點為落石沖擊墊層的中心點，B、C、D、E、F、G、H、I 八個點分別為距離中心點一定距離的測量點，呈環形分布，具體的速度變化圖像如下：

圖1 測量點速度變化圖

從圖中可以看出，落石沖擊墊層的中心點A 最大速度為5m/s 左右，其他點的速度變化幅度不大，在6s 左右時均出現一定幅度的變化，之后趨于平穩的波動。

中心點A 處的最大豎向位移向下約為17cm，其余八個測量點的豎向位移變化區間為向上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際沖擊力擴散的大小決定的。能量損失較小時，波動較大，土體的堆積高度較高。

為了計算出實際的落石沖擊力的大小，必須以落石在運動過程中的加速度為依據。在假設條件前提下，依據所建立的模型，測得九個標記點的加速度如下圖所示：

圖2 測量點沖擊力變化曲線

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，這一沖擊效果就會減少10%～20%左右。

在實際工程中，土類材料緩沖效果最好，主要是因為土體緩沖層較軟、結構松散，能抵抗的變形量大，在落石沖擊過程中吸收的能量就越多，沖擊力就越小[3]。綜上所述，緩沖材料對沖擊力的減小作用還是很明顯的。

5 結論

（1）本文中建立的模型采用的落石形狀為球體狀，只對水平向的墊層進行模擬，假設落石的運動模式為沒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，最后趨于穩定。

（2）落石沖擊墊層表面時，接觸點上會產生最大的應力變形，之后，沖擊應力向四周擴散，并且存在由上到下，由中心向四周逐漸遞減的變化規律。同時，墊層自己身的粘聚力、彈性模量以及土層厚度等因素都會對落石的沖擊力產生影響。在模擬建模當中，增大墊層的彈性模量會減小落石沖擊土層的深度，兩者呈現正相關的關系[4]。

（3）在落石質量相同，下落高度相同等條件下，落石沖擊力大小會隨著墊層厚度的增加而減少。墊層每增加5 公分時，落石沖擊力的大小會比原來減少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]。緩沖層的厚度對于沖擊力變化很明顯。