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摘要：依托京沈线洞口落石防护研究项目，推导了落石冲击试验研究相似准则，并研制了响应的冲击设备，开展了室内落石冲击模型试验研究。通过设置不同的冲击高度、垫层材料及垫层厚度，研究了落石冲击的峰值冲击力规律，结果表明，落石峰值冲击力随着高度增加近似线性增加，采用普通土垫层时，其厚度不应小于14cm，否则缓冲效果不明显；EPS颗粒轻质土的缓冲效果相对于普通土垫层在较小冲击高度下较差，而在较大冲击高度下，EPS颗粒轻质土缓冲效果明显优于普通土。研究结果可供框架型棚洞的设计提供参考。
关键词：模型试验；落石冲击；垫层；缓冲效果；棚洞
Abstract：Relaying on the research program of rock fall preventingat at the tunnel portal of Beijing-Shenyang Railway，the similarity criteria of the rockfall impact test were deduced，the indoor rockfall impact model test was carried out after the response impact equipment was developed. By setting different impact heights of rock fall，different cushion material and different thick of cushion，the peak impact forces were characterized. The results shows that the peak forces were almost increased linearly to the falling height of rock，and when ordinary soil was chosen as the cushion，the thick should not be smaller than 14cm，otherwise the buffering effect was not significant. In addition，when the falling height of rock is small，say less than 75cm，the buffering effect of EPS light soil is not good as ordinary soil，while when the height is more than 75cm，the effect of EPS light soil is better. The result of the research can be good reference to the design in the frame shed.
Keywords：model test，rock impact，cushion，buffering effect，frame shed
北京至沈阳高速铁路（京沈铁路）是我国“四纵四横”客运专线主骨架京哈客运专线的重要组成部分，全线长709km，本标段线路全长29.5公里，其中隧道23.47 km、桥梁4.53km，桥隧占线路长度94.9%。沿线地质条件复杂，地质灾害频发，隧道洞口段存在高陡边坡，落石风险极大，其危害性不言而喻。落石或者称为滚石，受各种外界因素如地震、风化、降水等引起的岩体崩落。目前山区交通设施落石防护方案一般有主动防护网、被动防护网以及棚洞等。其中框架型棚洞作为一种常见的落石防护方案，具有施工方便，结构简单的优点，已经为众多实际工程采用[1，2，3]。国内外许多学者都对框架型棚洞的冲击荷载[4，5，6]、结构动态响应[7，8]以及垫层的防护特性[9，10]做了大量研究，对框架型棚洞的广泛运用起到了巨大的推动作用，针对框架型棚洞的落石冲击物理试验研究却相对有限。少数学者也采用物理试验的方法对棚洞结构进行了研究，如胡学兵等[11]采用1：25的几何相似比对框架型棚洞的回填材料、围岩条件展开了物理实验研究。汪敏等[12]提出了一种由型钢拱架和金属柔性网组成的新型柔性棚洞，并对其展开了原型试验。佐藤昌志等[13]研究了多个冲击荷载作用下采用沙垫层的框架型棚洞的动力响应，并分析了棚洞各部位的受特点，由于实验条件的限制，并未对结构进行破坏性实验，研究所用的能量仅为29.4kJ。
本文依托京沈铁路隧道洞口段的落石防护研究，根据相似定理，推导了模型试验的相似准则，研制出了落石冲击的模拟装置、配制了低强度混凝土和不同的缓冲材料。在此基础上展开了框架型棚洞的落石冲击物理模型试验，研究了不同落石能量、不同垫层材料下落石冲击力，分析了其缓冲效果，并给出了采用不同材料的垫层厚度建议值。
1.相似准则、冲击装置研制及相似材料配制
1.1 模型相似关系
本实验采用相似理论推到了模型的相似比例，模型与原型的相似关系列于
表1 相似比（原型/模型）
1.2 数据采集设备及冲击装置
落石的冲击能量是衡量棚洞结构可靠性的重要指标，在确定能量相似比的基础上，试验中力求能准确控制冲击的能量并测出相应的冲击力，以便研究垫层的缓冲效果。为此，采用一个质量为7.98kg的铁块模拟落石，直径为102mm，高度110mm，底部利用铣刀切割成球面，中间留有供导杆通过的10mm直径预留孔，以确保铁块竖直下落而中途不出现滚动，减小加速度测量误差。
在铁块下落及冲击过程中利用加速度计测定其竖向加速度a时程曲线，通过以下公式换算峰值冲击力：
图2 框架型棚洞模型
2.试验工况设计
模型试验研究在于研究框架型棚洞在不同落石能量冲击下的冲击力变化规律，通过变换不同的冲击下落高度来模拟不同的能量变化。同时，对棚洞的垫层采用了两种材料来模拟，其中一种为普通土，另一种为EPS颗粒轻质土，用以研究不同垫层材料的缓冲效果。采用普通土垫层的模型试验工况列于表3，采用轻质土垫层的试验工况列于表，垫层材料如图所示。
表3 普通土垫层试验工况
图3 两种垫层材料（普通土和EPS颗粒轻质土）
表4 Eps颗粒轻质土垫层试验工况
3.试验结果分析
3.1 普通土垫层缓冲效果分析
提取加速度传感器记录所得加速度时程曲线中的峰值，利用式（2）计算可得各种工况下的冲击力峰值，利用峰值冲击力的大小来评价垫层材料的缓冲效果。其中普通土垫层材料缓冲作用下的冲击力峰值见图4所示。
由图可以看出，随着落石冲击高度增加，各种厚度普通土垫层缓冲下的峰值冲击力基本呈现出线性增加趋势。在垫层厚度不大于14 cm时，不同垫层厚度的缓冲效果差异不明显，如冲击高度为75cm，垫层厚度从10cm增加至14cm时，峰值冲击力仅依次减小5.1%和3.4%；而垫层厚度增加至16cm和18cm时，峰值冲击力则依次减小25.2%和28.9%，缓冲效果显著加强，在其余冲击高度下，不同垫层厚度的缓冲效果具有相似规律。
当采用普通土作为框架型棚洞缓冲垫层时，垫层厚度不应小于14cm，实际应用时，则根据相似比确定出普通土缓冲垫层的厚度不应小于1.4m。
3.2 两种垫层材料缓冲效果对比分析
根据普通土垫层材料缓冲效果研究结果，将垫层材料置换为14cm厚度的EPS颗粒轻质土进行了冲击试验，两种垫层材料缓冲作用下的峰值冲击力见图5所示
图5 两种垫层材料缓冲效果对比
由图5可知，在冲击高度小于55cm时，轻质土的缓冲效果要差于普通土，而当冲击高度大于55cm时，轻质土的缓冲效果明显优于普通土。随着冲击高度增加，轻质土垫层缓冲下的峰值冲击力明显小于普通土，在冲击高度为75cm、102cm及136cm时，分别减小了19.6%、13.9%及16.8%，缓冲效果显著提升。
4.结论
依托京沈线洞口落石防护研究项目，推导了模型试验相似准则，开展了室内模型试验，研究了普通土土和EPS颗粒轻质土两种缓冲垫层材料下的落石冲击力规律，主要得到以下结论：
1、落石冲击力随着落石高度增加而近似线性增加，不同垫层厚度下的缓冲效果具有相似规律。
2、根据试验结果，在普通土缓冲垫层厚度小于14cm时，同一高度下的峰值冲击力接近；而厚度大于14cm时，缓冲效果显著提升，根据相似准则建议实际工程中普通土缓冲垫层厚度不小于1.4m。
3、EPS颗粒轻质土缓冲垫层在冲击高度小于55cm时，其缓冲效果相对较差，而冲击高度大于55cm时，EPS颗粒轻质土缓冲效果明显优于普通土，这一现象应归因于EPS颗粒轻质土在受到落石冲击时，通过自身的破坏，吸收冲击能量，增加了表面能。
4、研究中的能量最高设置为100J，根据相似准则可知实际工程中对应为1000KJ，覆盖了95%的落石冲击能量范围，而更大能量下的落石冲击及结构响应有待于进一步研究。
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论文作者:胡功斌
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/24
标签：落石论文; 冲击力论文; 峰值论文; 厚度论文; 效果论文; 材料论文; 高度论文; 《防护工程》2019年第1期论文;