基于落石碰撞試驗的最大沖擊力對比研究

鄭宇 余清濤 沈文超

摘 要：通過落石室內試驗，計算并統計了最大沖擊力，與常用經驗方法得到的最大沖擊力進行比較研究表明，日本道路公團法和瑞士聯邦政法規范更符合實際。

關鍵詞：自由落體；室內試驗；最大沖擊力

1 緒論

許多學者進行了落石的運動計算模型和沖擊過程相互作用的研究，[1]設計不同形狀和尺寸的落石沖擊不同消能材料，如碎石墊層（Pichler等，[2]2005）和復合結構（Lorentz等，[3]2006）等。結果表明，沖擊力大小與巖塊性質、墊層性質等有關。為了改善防護結構的設計，提出了評價沖擊力量級的理論公式，如《日本道路公團算法》，[4]《瑞士聯邦政府規范（ASTRA 12006）》[5]等。

2 常見落石沖擊力計算方法

2.1 日本道路公團算法（JRA法）

日本道路公團導出的落石自由落體情形下的最大沖擊力為：

Fmax=2.108（mg）2/3λ2/5h3/5（H2R）-0.58（1）

λ為墊層的拉梅常數；m為落石質量（t），h為落石下落高度（m），H為墊層厚度（m），R為落石等效半徑（m），g =98m/s2。

2.2 瑞士聯邦政府規范（ASTRA法）

瑞士聯邦政府規范中落石最大沖擊力計算公式如下：

Fmax=2.8H-0.5R0.7M0.4Etan（mV22）0.6（2）

ME為砂層模量（kPa），φ為內摩擦角（°），V為沖擊速度（m/s），其余參數同上。

2.3 公路路基規范方法（JTJ013法）

《公路路基規范方法》提出落石最大沖擊力公式為：

Fmax=V（9πρg3m5/2）1/62tan4[45°+（/2）].1（3）

符號物理意義同上。

3 落石碰撞的室內實驗

制作半徑為0.1m混凝土落石模型，從不同高度沖擊不同墊層材料進行室內落石試驗。墊層材料分別選用粘性土、砂和碎石，材料厚度均為0.3m，自由下落高度分別為1m、3m和5m。參數見表1。

4 落石沖擊力對比研究

實驗監測加速度數據，用牛頓第二定律計算得到沖擊力見表2。

由于誤差的存在，實驗值要比三種計算方法的計算值要小。總體而言ASTRA和JRA計算的最大沖擊力值差異不大，而公路路基算法計算值普遍偏小。

5 結論

在結構計算中，最大沖擊力起控制作用，公路路基規范法的依據是功能原理，計算的沖擊力是平均沖擊力結果偏小，用于進行落石防護設計偏危險不建議采用。ASTRA和JRA的計算結果比較符合實際，總體而言不失為計算落石最大沖擊力的簡單實用方法。

參考文獻：

[1]呂慶，孫紅月，等.邊坡滾石運動的計算模型[J].自然災害學報，2003，12（2）：79.84

[2]Pichler B，Mang H A.Impact of rocks onto gravel Design and evaluation of experiments[J].International Journal of Impact Engineering，2005，31（5）：559.578.

[3]Lambert S，Nicot F.Experimental study of the impact response of geocells as components of rockfall protection embankments[J].Natural Hazards & Earth System Sciences，2009，13（3）：459.467.

[4]Japan Road Association.1983.Rockfall Handbook，Tokyo，Japan.

[5]Labiouse V，Montani S.Experimental Study of Rock Sheds Impacted by Rock Blocks[J].Structural Engineering International，1996，6（3）：171.176（6）.

作者簡介：鄭宇（1993.），男，漢族，湖北潛江人，碩士，研究方向：巖土體工程性質與穩定性。