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基于落石碰撞试验的最大冲击力对比研究

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郑宇余清涛沈文超

摘要：通过落石室内试验，计算并统计了最大冲击力，与常用经验方法得到的最大冲击力进行比较研究表明，日本道路公团法和瑞士联邦政法规范更符合实际。

关键词：自由落体；室内试验；最大冲击力

1 绪论

许多学者进行了落石的运动计算模型和冲击过程相互作用的研究，[1]设计不同形状和尺寸的落石冲击不同消能材料，如碎石垫层（Pichler等，[2]2005）和复合结构（Lorentz等，[3]2006）等。结果表明，冲击力大小与岩块性质、垫层性质等有关。为了改善防护结构的设计，提出了评价冲击力量级的理论公式，如《日本道路公团算法》，[4]《瑞士联邦政府规范（ASTRA 12006）》[5]等。

2 常见落石冲击力计算方法

2.1 日本道路公团算法（JRA法）

日本道路公团导出的落石自由落体情形下的最大冲击力为：

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

λ为垫层的拉梅常数；m为落石质量（t），h为落石下落高度（m），H为垫层厚度（m），R为落石等效半径（m），g =98m/s2。

2.2 瑞士联邦政府规范（ASTRA法）

瑞士联邦政府规范中落石最大冲击力计算公式如下：

Fmax=2.8H-0.5R0.7M0.4Etan（mV22）0.6（2）

ME为砂层模量（kPa），φ为内摩擦角（°），V为冲击速度（m/s），其余参数同上。

2.3 公路路基规范方法（JTJ013法）

《公路路基规范方法》提出落石最大沖击力公式为：

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

符号物理意义同上。

3 落石碰撞的室内实验

制作半径为0.1m混凝土落石模型，从不同高度冲击不同垫层材料进行室内落石试验。垫层材料分别选用粘性土、砂和碎石，材料厚度均为0.3m，自由下落高度分别为1m、3m和5m。参数见表1。

4 落石冲击力对比研究

实验监测加速度数据，用牛顿第二定律计算得到冲击力见表2。

由于误差的存在，实验值要比三种计算方法的计算值要小。总体而言ASTRA和JRA计算的最大冲击力值差异不大，而公路路基算法计算值普遍偏小。

5 结论

在结构计算中，最大冲击力起控制作用，公路路基规范法的依据是功能原理，计算的冲击力是平均冲击力结果偏小，用于进行落石防护设计偏危险不建议采用。ASTRA和JRA的计算结果比较符合实际，总体而言不失为计算落石最大冲击力的简单实用方法。

参考文献：

[1]吕庆，孙红月，等.边坡滚石运动的计算模型[J].自然灾害学报，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）.

作者简介：郑宇（1993.），男，汉族，湖北潜江人，硕士，研究方向：岩土体工程性质与稳定性。

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