棚洞垫层厚度对落石冲击影响研究

棚洞垫层厚度对落石冲击影响研究
李甫
【摘要】为研究棚洞垫层厚度对落石冲击影响,首先利用ABAQUS有限元软件建
立了落实冲击棚洞模型,针对棚洞垫层厚度与冲击深度、最大冲击力进行了分析,并
探讨了棚洞垫层的合理厚度,研究提出的棚洞垫层厚度,建议值,为后续落石防护提供理论基础,对强风化边坡区域的落石防护方面的研究应用具有重要的理论参考价值.【期刊名称】《内蒙古公路与运输》
【年(卷),期】2017(000)006
【总页数】4页(P49-52)
【关键词】棚洞;垫层厚度;落石;有限元
【作者】李甫
【作者单位】重庆市市政设计研究院,重庆 400021
【正文语种】中文
【中图分类】U449
传统观念上的公路建设主要是以开挖路堑为主，路基边坡相对比较稳定，但是在沿河傍山地带，将不可避免地出现高大切坡，边坡经常发生危岩、落石等地质灾害。

因此，系统研究沿江强风化超高边坡落石处治技术，可以提高我国西部山区道路边坡灾害治理的工程方案、降低工程造价，为有效地控制边坡落石灾害，减少交通事故发生，具有重要的理论价值和现实意义。

落石冲击棚洞的过程是一个非常复杂的瞬态动力学接触过程，具有时间短、速度快、
能量巨大以及变形明显等特点。

采用传统的静力学来解决这类瞬态动力学问题非常困难，解决这类问题的途径以采用有限元方法进行数值模拟分析，借助ABAQUS 有限元软件，构建落石冲击棚洞结构模型，分析落石与棚洞相互作用过程中的力学动力响应，从而为利用棚洞防治落石提供合理的理论基础。

本文采用ABAQUS/Explicit模块分析求解。

ABAQUS/Explicit是利用对事件变化的显式积分来求解动态有限元方程。

该模块适合于分析冲击、爆炸这类短暂、瞬时的动态问题，对高度非线性问题也有不错的分析能力，包括模拟加工成型过程中改变接触条件的问题，具体的几大功能是：高速动力学分析、复杂的接触问题、复杂的后屈曲分析、高度非线性的准静态分析和材料退化和失效分析。

对于棚洞结构，重点研究落石冲击棚洞时棚洞顶板的受力情况。

假设落石从母体掉落后以一定速度冲击具有一定厚度缓冲层的棚洞结构，则结构的动力响应特征会受到落石冲击速度、冲击角度、垫层材料及厚度等诸多因素的影响。

在本文中，主要考虑冲击的速度、角度和垫层厚度的影响。

按照上述参数建立的数值计算模型如图1所示。

为了便于计算，模型将落石与棚洞顶板的初始距离设置为0，通过赋予落石初速度，以实现从高处下落的效果。

以落石法向冲击为基础，研究各个冲击速度下落石对不同厚度的砂土垫层的影响。

本次研究将垫层厚度h分别设置为0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m共五个级别，落石速度V0分别设置为20m/s、25m/s、30m/s、35m/s共四个级别，根据前文得出的落石法向冲击位移最大的结论，将冲击角度设置为0°，其他模型参数仍然不变。

3.1 最大冲击深度与垫层厚度及冲击速度的关系
根据模拟计算结果，将不同情况下垫层的最大冲击深度数据进行整理，详见表1。

分析表1可以看出，冲击速度越大，落石的最大冲击深度越大。

特别是在垫层厚度为0.3m的情况下，冲击速度为30m/s、35m/s时，垫层的最大冲击深度已经
超过垫层本身厚度，说明在高速冲击下，0.3m厚的砂土垫层厚度不够，会使落石直接威胁到钢筋混凝土板。

分析垫层厚度和冲击深度的关系发现，0.6m厚垫层的最大冲击深度较0.3m厚的
有所增长，0.9m厚垫层的最大冲击深度较0.6m厚的有所增长。

而0.9m、1.2m、1.5m厚垫层的最大冲击深度非常接近。

说明随着垫层厚度的增加，落石的冲击深度也有增加的趋势，但超过一定厚度时，最大冲击深度将趋于稳定。

3.2 最大冲击力与垫层厚度及冲击速度的关系
分析各厚度计算结果发现，各厚度的冲击力均在非常短的时间内迅速增加达到最大值，随后开始减小，经过一定幅度的震荡后最终减小到0。

而且随着冲击速度的增大，各厚度的砂土垫层所受到的最大冲击力增加，且达到最大值的时间也有所提前。

表2记录了不同速度下各厚度垫层的最大冲击力。

分析以上结果可知，伴随冲击速度的增加，各种厚度的砂土垫层所受最大冲击力均呈现出逐渐增大的趋势。

在冲击速度为20m/s时，五组不同厚度砂土垫层的最大
冲击力相差相对较小。

低冲击速度下，改变砂土垫层厚度对落石冲击力影响不大，小厚度的砂土垫层同样具有一定的吸能减震作用。

但在较高冲击速度作用下，不同厚度砂土垫层的吸能减震效果呈现出明显差异；由于小厚度砂土垫层在极短时间内大幅度压缩，使得落石冲击更易受到垫层下方刚度较大的钢筋混凝土板影响，相当于在减小垫层厚度的同时增大了垫层的有效刚度，很大程度上限制了砂土垫层发挥缓冲吸能作用；尤其在砂土垫层厚度小于0.9m时，冲击力随砂土垫层厚度的降低而显著增大；然而，当垫层厚度大于0.9m时，此种趋势不再明显，最大冲击力也将趋于稳定。

3.3 合理垫层厚度研究
前面分析了不同冲击角度、冲击速度的落石以及不同厚度的垫层对落石冲击棚洞的动力响应的影响。

本节将以前面得到的结论为基础，继续探讨沿江强风化超高边坡
下棚洞结构的合理垫层厚度。

从以上研究发现，冲击速度对落石的最大冲击力和位移有显著的影响，因此首先要确定冲击速度范围。

由于落石法向冲击的冲击位移和冲击力均大于斜向冲击，因此以法向冲击为主进行研究。

假设落石从边坡坡体垂直自由下落，由第三章的公式得出冲击速度：
v0=
h的取值根据具体情况而定，沿江强风化岸坡在修筑公路时，往往形成高切坡，边坡高度高达40m，部分地方甚至出现了60m的超高边坡。

这里h取最大值60m，得到V0约为35m/s。

此速度已为高速冲击状态。

由上节可知高速冲击作用下，不同厚度砂土垫层的吸能减震效果呈现出明显差异。

因此，我们选择表1和表2中35m/s的数据做进一步分析。

首先，0.3m厚的砂土垫层最大位移为0.323m，此位移已超过砂土垫层本身的厚度。

也就意味着，落石将击穿砂土垫层从而直接威胁到刚劲混凝土板。

显然，在高速冲击下，0.3m厚的砂土垫层吸能减震作用达不到好的效果。

其次，0.6m厚的砂土垫层最大位移为0.599m，虽没有超过垫层本身厚度但却非
常接近。

从结构的位移云图(图2)也可以看出垫层中心已经下陷到接近混凝土顶板。

而垫层中心受到的最大冲击力为2528.69kN，此时结构应力云图如图3所示。

从
应力云图可以看到，此厚度下，钢筋混凝土顶板也受到了较大的冲击力。

但相比0.3m厚垫层下落石直接冲击到顶板的情况要好很多。

由此可得，0.6m厚度的砂土垫层能满足最大位移的要求，使落石不至于直接冲击混凝土板，但还是会对下方的混凝土板产生较大影响。

此时，可以在砂土垫层和钢筋混凝土板之间增加一定厚度的泡沫板或其他缓冲材料增大减震吸能作用，从而达到经济合理的目的。

最后，分析数据得所0.9m、1.2m、1.5m三组厚度的垫层最大位移均稳定在
0.74m左右且都明显小于垫层本身厚度。

而从结构的位移云图(图4、图5、图6)
可以看出三组的钢筋混凝土板均未出现变形。

此外，三组厚度的垫层受到的最大冲击力也几乎相等，大概为1746kN。

但是通过应力云图(图7、图8、图9)发现各组在冲击力最大时刻钢筋混凝土板的应力分布
范围和大小是存在一定差异的。

具体表现为随着垫层厚度的增加，钢筋混凝土顶板的应力分布范围和大小都有一定的减小，厚度越大，落石对下方钢筋混凝土板的影响就越小。

也就是说，厚度越大，垫层的吸能作用受到下方刚度较大的钢筋混凝土板的影响就越小。

本文结合最大冲击位移和最大冲击力两个主要因素分析认为：如果采用纯砂土垫层，则合理厚度应在0.9m～1.2m之间；如在实际工程中需要进一步考虑结构的自重
和经济性，可以选择0.6m厚的砂土加一定厚度的其他缓冲材料(如：泡沫板、EPE 等)进行优化，使棚洞的结构设计更加合理。

一定速度下，随着垫层厚度的增加，落石的冲击深度增加，而最大冲击力减小，但超过一定厚度时，最大冲击深度和最大冲击力都将趋于稳定。

低冲击速度下，改变砂土垫层厚度对落石冲击力影响不大，小厚度的砂土垫层同样具有一定的吸能减震作用。

但在较高冲击速度作用下，不同厚度砂土垫层的吸能减震效果呈现出明显差异。

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