落石冲击力扩散规律研究

叶 鹏

（重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

1 研究现状

在我国，尤其是西南地区，危岩落石灾害频繁发生，经常造成交通阻断及交通事故，给地区交通建设运营产生不良的影响，也给国家人民带来了财产损失和人员伤亡。所以，对于危岩的防治处理及防治方案的选择，研究落石冲击力的扩散有着现实的意义[1]。

落石冲击力是落石防治结构的重要设计荷载，但是目前对于落石冲击力的计算方法不是很成熟，且落石冲击不同垫层后，落石冲击冲击力如何扩散，扩散后作用在结构上的力如何确定，这些都是还没有较好解决的科学问题。所以，找出落石冲击的扩散规律以及绘制冲击力扩散的图像，可以为扩大理论公式的使用范围提供相关的实验数据。

2 研究内容

采用理论研究，实验研究与数值模拟相结合的方法，针对不同质量的落石，下降高度等条件进行全面研究。利用Ansys 有限元软件来分析落石冲击垫层的过程更加直观，清楚。准确地研究落石冲击力大小使得在选择危岩落石防治方案上有了依据。模拟实验的目的就是为了研究变形区域内的冲击力扩散情况以及力传递的情况。探究不同质量的落石，不同高度下的冲击扩散角度的变化情况。

3 试验结果及分析

从实验数据的分析结果可以得出，当落石下落高度相同时，落石的冲击深度随着落石质量的增大而增大，并且质量每增大1kg，冲击深度会增大20%～30%左右；同时，落石质量增大到一定程度时，下落深度的该变量会趋于20%，之后会保持一稳定的数值。落石的冲击宽度在1kg 到2kg 之间的变化率为40%左右，但之后的变化率减小，逐渐递减为15%并保持稳定。

当落石的质量相同时，下落高度每增大1m 左右时，冲击深度会增加10%～15%左右，之后趋于一个稳定的数值，而冲击造成的横向宽度会增加8%～14%左右。

在质量相同，高度变化的情况下以及在高度相同，质量变化的情况下，这两种情况最后的结果都会趋于一稳定的数值变化率。由于落石冲击区域的土体在受到外部挤压时，土体本身会由松散状态到密实状态，在这一个过程中，密实状态的土体会产生一定的抗压内力，类似于试件的抗压实验[2]，导致在密实土体抗压内力范围以内，外部形变的变化率趋于稳定，形变曲线缓慢增长；随着落石下落高度或者落石质量的继续增大，超出抵抗形变的内力范围，冲击深度会继续增大。

4 落石冲击动态模拟

基于Ansys 有限元软件，构建落石与垫土层混凝土板的动力学分析模型，研究它们在相互作用过程中的应力扩散，在垫层的表面选择九个点进行速度的测量，A 点为落石冲击垫层的中心点，B、C、D、E、F、G、H、I 八个点分别为距离中心点一定距离的测量点，呈环形分布，具体的速度变化图像如下：

图1 测量点速度变化图

从图中可以看出，落石冲击垫层的中心点A 最大速度为5m/s 左右，其他点的速度变化幅度不大，在6s 左右时均出现一定幅度的变化，之后趋于平稳的波动。

中心点A 处的最大竖向位移向下约为17cm，其余八个测量点的竖向位移变化区间为向上2.5cm 到1cm 之间。并且堆积高度由中心向四周递减。堆积高度的大小是由实际冲击力扩散的大小决定的。能量损失较小时，波动较大，土体的堆积高度较高。

为了计算出实际的落石冲击力的大小，必须以落石在运动过程中的加速度为依据。在假设条件前提下，依据所建立的模型，测得九个标记点的加速度如下图所示：

图2 测量点冲击力变化曲线

在模拟中，所选取的垫层厚度分别为0.35m，0.4m，0.45m，0.5m，0.55m 和0.6m 这6 种情况。在同一高度的情况下，垫层的厚度越大，落石造成的冲击效果越不明显，并且垫层每增加0.05m，这一冲击效果就会减少10%～20%左右。

在实际工程中，土类材料缓冲效果最好，主要是因为土体缓冲层较软、结构松散，能抵抗的变形量大，在落石冲击过程中吸收的能量就越多，冲击力就越小[3]。综上所述，缓冲材料对冲击力的减小作用还是很明显的。

5 结论

（1）本文中建立的模型采用的落石形状为球体状，只对水平向的垫层进行模拟，假设落石的运动模式为没有初速度的自由下落，即属于飞落的一种。落石冲击力的大小会随着混凝土板的上覆垫层厚度的增加而减少，土层的厚度越厚，落石能传递到混凝土板上的冲击力越小，最后趋于稳定。

（2）落石冲击垫层表面时，接触点上会产生最大的应力变形，之后，冲击应力向四周扩散，并且存在由上到下，由中心向四周逐渐递减的变化规律。同时，垫层自己身的粘聚力、弹性模量以及土层厚度等因素都会对落石的冲击力产生影响。在模拟建模当中，增大垫层的弹性模量会减小落石冲击土层的深度，两者呈现正相关的关系[4]。

（3）在落石质量相同，下落高度相同等条件下，落石冲击力大小会随着垫层厚度的增加而减少。垫层每增加5 公分时，落石冲击力的大小会比原来减少10%～20%左右，最大冲击力随着滚石重量的减小或者冲击速度的降低，逐渐减小[5]。缓冲层的厚度对于冲击力变化很明显。