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落石冲击荷载计算方法研究

王玉锁 田四明 杨竣翔 王明年 王伟 李传宝 赵状 肖鹏

王玉锁, 田四明, 杨竣翔, 王明年, 王伟, 李传宝, 赵状, 肖鹏. 落石冲击荷载计算方法研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240019
引用本文: 王玉锁, 田四明, 杨竣翔, 王明年, 王伟, 李传宝, 赵状, 肖鹏. 落石冲击荷载计算方法研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240019
WANG Yusuo, TIAN Siming, YANG Junxiang, WANG Mingnian, WANG Wei, LI Chuanbao, ZHAO Zhuang, XIAO Peng. Research on the Calculation Method of Falling Rock Impact Load[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240019
Citation: WANG Yusuo, TIAN Siming, YANG Junxiang, WANG Mingnian, WANG Wei, LI Chuanbao, ZHAO Zhuang, XIAO Peng. Research on the Calculation Method of Falling Rock Impact Load[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240019

落石冲击荷载计算方法研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240019
基金项目: 四川省自然科学基金项目(2022NSFSC1127);中央高校基本科研业务费专项资金(2682023CX075)
详细信息
    作者简介:

    王玉锁(1974—),男,副教授,博士,研究方向为隧道及地下工程,E-mai:lwangysuo@swjtu.edu.cn

    通讯作者:

    王明年(1965—),男,教授,博士,研究方向为隧道及地下工程,E-mail:19910622@163.com

  • 中图分类号: P642.21

Research on the Calculation Method of Falling Rock Impact Load

  • 摘要:

    为明晰落石冲击力与冲击荷载的关系,定义能反映落石、缓冲土层及结构间相互作用的综合反射系数(其值越大说明对结构的冲击效应越显著),提出基于波动理论的落石冲击荷载计算方法. 通过落石冲击上覆缓冲土层拱形结构试验研究落石冲击荷载的大小和分布特征,得到综合反射系数的取值和影响规律,并利用所提出的计算方法分析落石冲击荷载和落石冲击力的关系;进一步明确结构的落石冲击荷载在横剖面上呈对称抛物线分布,可由拱顶处最大冲击压力峰值和结构跨度控制的二次抛物线曲线方程表征. 结果表明:在落石自由下落高度10 m及缓冲土层厚2.0 m范围内,综合反射系数与缓冲土层厚度呈显著负相关性;缓冲土层厚度2.0 m时其受落石形状及下落高度影响较小,可取0.55;当厚度为1.0 m和0.5 m时,立方体落石的综合反射系数要大于球面体或锥体落石,且与落石下落高度呈正相关性;结构所受落石冲击荷载的合力与落石对缓冲土层的冲击力与缓冲土层厚度和落石形状有关,当缓冲土层厚为2.0 m时二者接近,前者稍小于后者,将落石冲击荷载合力等于落石冲击力对结构设计是偏于安全的,当缓冲土层厚小于2.0 m时则反之,且厚度越小相差的倍数越大;缓冲土层厚1.0 m时,立方体落石冲击荷载合力较落石冲击力平均增大约20倍,而球顶锥体的增大约3倍,缓冲土层厚0.5 m时,两种形状的落石冲击荷载合力较落石冲击力平均增大分别约30倍和10倍;相同条件下,立方体落石的冲击荷载合力大于球顶锥体的,且随落石下落高度增大或缓冲土层厚度减小,立方体与球顶锥体相差倍数越大.

     

  • 图 1  落石冲击荷载计算模型

    Figure 1.  Calculation model of falling rock impact load

    图 2  测点布置及编号

    Figure 2.  Layout and numbering of measurement points

    图 3  落石冲击荷载测点值

    Figure 3.  Measurement point value of falling rock impact load

    图 4  ps及其分布形式(单位:MPa)

    Figure 4.  ps and its distribution form (unit: MPa)

    图 5  落石冲击荷载分布形式

    Figure 5.  Distribution forms of falling rock impact load

    图 6  落石冲击荷载试验实测值与预测值对比

    Figure 6.  Comparison of measured and predicted values of falling rock impact load test

    图 7  ps1理论与试验结果对比

    Figure 7.  Comparison of theoretical calculation results and test results of maximum impact pressure peak ps1

    图 8  落石冲击力和落石冲击荷载(合力)对比

    Figure 8.  Comparison of falling rock impact force and impact load (resultant force)

    表  1  落石冲击荷载试验结果

    Table  1.   Test results of falling rock impact load

    工况 落石形状 落石质量
    M/kg
    h/m H/m 冲击深度
    δmax/m
    Fmax/kN S/m2 pmax/MPa ps1/MPa ps2/MPa ps3/MPa ps4/MPa
    1立方体22002.010.172661.000.270.070.020.010.01
    222002.050.402261.000.230.180.060.020.01
    322002.0100.518361.000.840.320.110.020.01
    422001.010.08871.000.090.330.110.020.02
    522001.050.151351.000.131.500.120.020.02
    622001.0100.222661.000.272.280.110.020.02
    722000.510.08491.000.051.030.150.020.02
    822000.550.113141.000.312.240.320.020.02
    922000.5100.196451.000.644.80.410.030.03
    10球顶锥体22802.010.351811.450.120.070.010.010.01
    1122802.050.485411.570.340.160.060.020.01
    1222802.0100.668701.570.550.290.110.020.01
    1322801.010.222310.790.460.370.030.010.01
    1422801.050.352341.450.160.440.080.010.02
    1522801.0100.458281.570.530.590.140.020.05
    1622800.510.242810.610.460.650.030.010.01
    1722800.550.303670.960.381.240.070.010.05
    1822800.5100.374691.200.393.560.950.030.03
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    表  2  落石冲击最大压力峰值相关性分析

    Table  2.   Correlation analysis of maximum pressure peak of falling rock impact

    因变量 落石形状 缓冲土层厚度 落石高度
    皮尔逊相关性 −0.232 −0.625** 0.498*
    显著性 (双尾) 0.353 0.006 0.036
    个案数 18 18 18
    注:**. 在 0.01 级别(双尾),相关性显著;*. 在 0.05 级别(双尾),相关性显著.
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    表  3  综合反射系数

    Table  3.   Comprehensive reflection coefficient

    工况 落石形状 h/m H/m kf
    取值 平均值
    1 立方体 2.0 1 0.29 0.53
    2 5 0.88
    3 10 0.42
    4 1.0 1 3.99 6.50
    5 5 11.72*
    6 10 9.00
    7 0.5 1 21.43* 7.50
    8 5 7.32
    9 10 7.63
    10 球顶锥体 2.0 1 0.62 0.57
    11 5 0.51
    12 10 0.58
    13 1.0 1 0.84 1.63
    14 5 2.86
    15 10 1.18
    16 0.5 1 1.45 4.71
    17 5 3.33
    18 10 9.34
    注:带*数值按异常值未参与平均值计算.
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    表  4  ps1理论计算结果与试验结果对比

    Table  4.   Comparison of theoretical calculation results and test results of maximum impact pressure peak ps1

    工况 理论
    Fmax/KN
    理论
    δmax/m
    S/m2 ps1/MPa
    理论 试验 误差
    1 202.3 0.17 1.00 0.10 0.07 0.43
    2 593.8 0.36 1.00 0.28 0.18 0.56
    3 935.5 0.49 1.00 0.45 0.32 0.41
    4 202.3 0.17 1.00 1.25 0.33 2.79
    5 593.8 0.36 1.00 3.67 1.5 1.45
    6 935.5 0.49 1.00 5.78 2.28 1.54
    7 202.3 0.17 1.00 1.48 1.03 0.44
    8 593.8 0.36 1.00 4.34 2.24 0.94
    9 935.5 0.49 1.00 6.84 4.80 0.43
    10 189.6 0.19 0.68 0.14 0.07 1.00
    11 556.6 0.40 1.57 0.18 0.16 0.13
    12 877.0 0.55 1.57 0.29 0.29 0
    13 189.6 0.19 0.68 0.43 0.37 0.16
    14 556.6 0.40 1.57 0.55 0.44 0.25
    15 877.0 0.55 1.57 0.87 0.59 0.47
    16 189.6 0.19 0.68 1.28 0.65 0.97
    17 556.6 0.40 1.57 1.63 1.24 0.31
    18 877.0 0.55 1.57 2.57 3.56 −0.28
    注:误差=(理论−试验) /试验.
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    表  5  落石冲击力与落石冲击荷载(合力)比较

    Table  5.   Comparison of falling rock impact force and impact load (resultant force)

    h/m 形状 工况 Fmax/kN P/kN PFmax)/Fmax
    平均值
    2.0 立方体 1 266 194 −0.27 −0.11
    2 226* 498 1.20*
    3 836 886 0.06
    球顶椎体 10 181 194 0.07 −0.06
    11 541 443 −0.18
    12 870 803 −0.08
    1.0 立方体 4 87 914 9.51 20.69
    5 135 4153 29.85
    6 266 6312 22.69
    球顶椎体 13 231 1024 3.44 2.87
    14 234 1218 4.20
    15 828 1633 0.97
    0.5 立方体 7 49 2851 56.86 31.75
    8 314 6201 18.77
    9 645 13288 19.61
    球顶椎体 16 281 1799 5.41 11.26
    17 367 3433 8.37
    18 469 9856 20.01
    注:带 * 值按异常值未参与平均值计算.
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