落石冲击力计算方法研究

摘要

本文主要以模型试验、理论分析和数值模拟方法，研究了落石冲击力和落石冲击历时随落石因素（落石质量、落石形状、落石下落高度）和缓冲垫层因素（垫层种类、垫层厚度、垫层密实度）的变化规律。并基于冲量定理，建立落石冲击力计算模型。主要研究内容和成果如下:
　　1.落石冲击力大小的影响因素及变化规律的模型试验研究
　　落石因素。落石冲击力随着落石质量的增大而增大，冲击力随着落石下落高度增加而增大。两者呈正相关性。形状方面，正方体落石冲击力最大，长方体次之，球体最小。
　　垫层厚度因素。垫层厚度和冲击力呈负相关，随着垫层厚度的增加，落石冲击力减小，但落石冲击力减小的趋势越来越弱。理论上，垫层厚度的加大有助于落石冲击力的减小，但同时也增加了防护结构自身的重力。垫层厚度的设置，应考虑落实下落高度和落石直径的大小。
　　垫层密实度因素。密实度对冲击力大小影响显著，落石冲击力随着垫层密实度的加大明显增加，但随着密实度的增加，落石冲击力增大的趋势逐渐放缓。可随着落石冲击动能的加大，由于垫层密实度不同引起的落石冲击力不同会逐步减弱。在工程实际中，不要采用分层碾压的方式处理缓冲垫层，而应使其保持在蓬松状态，自然堆砌。
　　垫层材料因素。对于文中的四种不同材料复合垫层设置下的落石冲击力，表现为:橡胶板复合垫层下落石冲击力最大，沙垫层复合垫层和土工格栅复合垫层居中，EPS复合垫层最小。
　　2.落石冲击历时大小的影响因素及变化规律
　　落石因素方面，落石冲击历时随着落石质量的增加而减小，但减小幅度有限，并最终趋于稳定;冲击历时随着高度的增加而减小，并最终趋于稳定;正方体落石相对于长方体落石和球体落石，冲击历时小。
　　垫层因素方面，冲击历时随着垫层厚度的增加而减小，呈指数函数关系;垫层的密实度对落石冲击历时影响显著，随着密实度的增加，落石冲击历时减小，并趋于稳定;垫层材料的不同虽然对冲击力有影响，但对冲击历时影响并不明显，呈不规律、小幅度变化。
　　适当延长落石冲击历时有利于防护结构的抗冲击效能，从垫层因素出发，可以适当的增加缓冲垫层厚度，让缓冲垫层尽量保持蓬松状态，并可用EPS轻量混合土替代缓冲沙垫层。
　　3.落石冲击力计算
　　(1)基于模型试验结果，考虑落石因素和垫层因素，拟合得到落石冲击历时的计算公式。
　　(2)基于冲量定理，考虑落石的反弹、重力项建立了落石冲击力计算公式。利用冲击力放大系数建立最大冲击力和平均冲击力的关系。
　　(3)利用实测的落石冲击力反算得到试验范围内的冲击力放大系数取值曲线。
　　(4)对比分析本文公式和现有常用冲击力计算式，当径厚比（落石直径与垫层厚度比）较小时，本文算法结果偏小;当径厚比（落石直径与垫层厚度比）较大时，本文算法结果偏大，并有越来越大的趋势。当缓冲垫层太薄，落石下落冲击缓冲垫层时，防护结构上覆垫层被压密，导致落石与缓冲垫层呈半刚性接触，进而使落石冲击历时急剧减小，落石冲击力显著增大。本文公式较好的吻合了这一现象。
　　4.用数值模拟方法，足尺模拟落石下落冲击缓冲垫层。对拟合出的落石冲击力计算公式进行对比分析。结果表明:落石冲击历时与本文计算结果吻合较好，差值都在18％之内。本文计算结果较数值模拟结果偏大。本文落石冲击力计算公式与数值模拟结果吻合较好，差值都在7％之内。本文计算结果较数值模拟结果偏小。
　　整体上来看，数值模拟结果较好的吻合了本文所提出公式的计算结果，且量值变化趋势基本一致，说明模型试验的结果基本可信，计算方法基本可靠。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景与研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 落石运动特征研究现状

1．2．2 落石冲击力计算方法研究现状

1．2．3 落石冲击过程和防护结构研究现状

1．3 本文研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 落石冲击棚洞模型试验

2．1 试验目的

2．2 试验场地和环境条件

2．3 试验设备

2．3．1 落石试件

2．3．2 棚洞模型

2．3．3 塔架搭设

2．3．4 垫层材料

2．3．5 测量仪器

2．4 试验过程

2．4．1 设备准备工作

2．4．2 试验步骤

2．5 试验数据处理方法

2．5．1 落石冲击力

2．5．2 落石冲击历时

2．6 本章小结

第三章 模型试验下落石冲击力和冲击历时变化规律

3．1 各因素对落石冲击力影响

3．1．1 落石质量

3．1．2 落石下落高度

3．1．3 落石形状

3．1．4 垫层厚度

3．1．5 垫层密实度

3．1．6 垫层材料

3．2 各因素对落石冲击历时影响

3．2．1 质量因素

3．2．2 高度因素

3．2．3 形状因素

3．2．4 垫层厚度因素

3．2．5 垫层密实度因素

3．2．6 垫层材料因素

3．3 本章小结

第四章 落实冲击力计算方法

4．1 现有落石冲击力计算方法综述

4．2 现有落石冲击力计算方法简介

4．2．1 日本道路公团公式

4．2．2 瑞士Labiouse等计算公式

4．2．3 杨其新、关树宝公式

4．2．4 隧道手册方法

4．2．5 路基规范公式

4．2．6 叶四桥计算方法

4．3 落石冲击力计算模型

4．3．1 理论基础

4．3．2 计算假定

4．4 计算公式

4．4．1 速度恢复系数

4．4．2 落石冲击历时

4．4．3 冲击力放大系数

4．5 本文冲击力计算方法与现有算法比较分析

4．6 落石冲击力在垫层中的传递

4．7 本章小结

第五章 落石冲击棚洞数值模拟计算

5．1 ANSYS／LS-DYNA数值模拟原理

5．2 数值模拟计算模型

5．2．1 数值模拟基本假定

5．2．2 落石模型

5．2．3 棚洞模型

5．2．4 垫层模型

5．2．5 边界与接触设置

5．2．6 时间参数设置

5．3 数值模拟过程与结果

5．3．1 数值模拟过程

5．3．2 落石冲击加速度

5．4 模型试验与数值模拟结果对比

5．5 本章小结

第六章 结语与展望

6．1 结语

6．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及取得的科研成果