袁進(jìn)科， 陳 杰

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

斜坡散粒體是指斜坡巖體在受到風(fēng)化、卸荷、動(dòng)力等作用下，坡面同量級(jí)、近均勻西部、西北及部分西南地區(qū)[1-2]。隨著川藏鐵路等重大工程的推進(jìn)，將在高山峽谷區(qū)修建大量的交通基礎(chǔ)設(shè)施。然而在這些高山峽谷區(qū)，由于各種因素造成的斜坡散粒體是一種極為發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)交通線路的通行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。由于斜坡散粒體結(jié)構(gòu)松散、黏聚力低，具有自穩(wěn)性差、復(fù)發(fā)性強(qiáng)、突發(fā)性高的成災(zāi)特點(diǎn)，形成的地質(zhì)災(zāi)害具有一定特殊性，與常見(jiàn)的滑坡、崩塌、泥石流災(zāi)害有本質(zhì)不同[4-5]?；率Х€(wěn)是沿滑動(dòng)面的整體性運(yùn)動(dòng)，崩塌是單個(gè)或群體的短時(shí)間沖擊破壞，沖擊力計(jì)算是針對(duì)單個(gè)滾石；泥石流是雨水作用下夾雜著大量黏性土和粒徑不等的砂粒、石塊的破壞，沖擊力計(jì)算大多數(shù)則是考慮了液態(tài)漿體的動(dòng)壓力以及液固體積濃度比，而斜坡散粒體是以角礫、碎石為主的堆積體發(fā)生整體性、長(zhǎng)期性的流動(dòng)沖擊運(yùn)動(dòng)，沖擊運(yùn)動(dòng)方式明顯不同[6]。

當(dāng)前學(xué)者對(duì)于斜坡散粒體災(zāi)害的研究主要集中在形成條件、失穩(wěn)特征、危險(xiǎn)性評(píng)估等方面，而對(duì)散粒體的沖擊研究較少，從而影響到攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全[7-10]。攔擋結(jié)構(gòu)基本上設(shè)計(jì)為直接承受沖擊作用的結(jié)構(gòu)，以防護(hù)網(wǎng)和攔擋墻為主[11-12]。當(dāng)斜坡散粒體沖擊到攔擋墻的時(shí)候，便涉及到?jīng)_擊力問(wèn)題。目前針對(duì)散粒體沖擊力并未提出具體計(jì)算方法，大多數(shù)近似采用崩塌或者泥石流的沖擊力計(jì)算法[13-15]。Heim[16]提出了斜坡散粒體模型，用于指導(dǎo)散粒體顆粒沖擊破壞研究。Pudasaini等[17]開(kāi)展了散粒體沖擊剛性攔擋墻的試驗(yàn)，并采用PIV(particle image velocimetry)技術(shù)對(duì)攔擋墻抗沖擊性能變化進(jìn)行了研究。Barbara等[18]對(duì)有緩沖層的攔擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析對(duì)攔擋結(jié)構(gòu)的抗沖擊進(jìn)行了驗(yàn)算。何思明[19]利用離散元法模擬了崩塌碎屑流沖擊剛性攔石堤，得到了攔石堤對(duì)散粒體的抗沖擊攔擋效果。段曉冬等[20]通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)分析了影響散粒體沖擊攔擋結(jié)構(gòu)的主要因素，并分析了散粒體失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。肖思友等[21]在碎屑流沖擊攔擋墻物理試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用離散元數(shù)值計(jì)算方法研究了碎屑流沖擊立式攔擋墻力學(xué)特征的影響。結(jié)合分析已有的研究成果發(fā)現(xiàn)以往散粒體沖擊災(zāi)害研究主要以運(yùn)動(dòng)特征為切入點(diǎn)，側(cè)重散粒體顆粒的沖擊效應(yīng)，而對(duì)散粒體顆粒與防護(hù)結(jié)構(gòu)等承災(zāi)體之間的沖擊相互作用效應(yīng)研究較少，導(dǎo)致現(xiàn)階段散粒體顆粒流沖擊力的定量研究尚不深入。

目前，剛性攔擋墻是一種被廣泛應(yīng)用的攔擋結(jié)構(gòu)，但是散粒體攔擋工程的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外并無(wú)相關(guān)規(guī)范，目前仍是以參照泥石流防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和崩塌落石防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，采用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法為主[22]。根據(jù)崩塌或者泥石流公式通過(guò)理論方法獲得的解析解應(yīng)用于斜坡散粒體沖擊問(wèn)題會(huì)存在一定的偏差[23]。由于對(duì)斜坡散粒體的沖擊力尤其是峰值沖擊力沒(méi)有定量分析，造成坡腳攔擋墻的設(shè)計(jì)沒(méi)有可靠依據(jù)，導(dǎo)致攔擋墻對(duì)散粒體沖擊災(zāi)害的防治失效。本文以剛性攔擋墻作為研究對(duì)象，利用沖擊模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)斜坡散粒體沖擊攔擋墻的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行研究。研究不同的散粒體質(zhì)量、顆粒形狀、運(yùn)動(dòng)速度、入射角度以及攔擋墻厚度等參數(shù)與散粒體沖擊的峰值沖擊力之間的相關(guān)性，并對(duì)影響峰值沖擊力的因素進(jìn)行研究，再結(jié)合物理模擬試驗(yàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型的沖擊力理論計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析，為攔擋墻的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 斜坡散粒體沖擊攔擋墻模擬試驗(yàn)

根據(jù)自然條件下散粒體斜坡的堆積坡度主要在30°左右，同時(shí)散粒體斜坡堆積材料主要是球形、方形、柱形3種近似形狀的礫石，攔擋墻在現(xiàn)場(chǎng)施工主要是采用C20混凝土作為墻身材料。根據(jù)散粒體斜坡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)展不同的散粒體質(zhì)量、顆粒形狀、運(yùn)動(dòng)速度、入射角度以及攔擋墻厚度等影響因素下的斜坡散粒體對(duì)攔擋墻的沖擊物理模擬試驗(yàn)，分析各因素與峰值沖擊力的相互關(guān)系，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型的沖擊力理論計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1 試驗(yàn)裝置

斜坡散粒體沖擊攔擋墻模擬試驗(yàn)裝置主要分為三部分組成：試驗(yàn)滑槽裝置、擋墻防護(hù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中試驗(yàn)滑槽裝置用來(lái)模擬顆粒流的運(yùn)動(dòng)，擋墻采用C20混凝土材料制作，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括沖擊力傳感器和測(cè)力儀，如圖1所示。

圖1 斜坡散粒體沖擊試驗(yàn)裝置大樣圖Fig.1 The detail drawing of slope granular impact test device

1.1.1 試驗(yàn)滑槽

根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境和條件確定試驗(yàn)滑槽長(zhǎng)10 m，寬0.7 m，傾角為30°，如圖2所示。試驗(yàn)滑槽采用鋼管腳手架搭設(shè)，滑槽底部采用鋼板鋪設(shè)，兩側(cè)邊墻采用聚乙烯板搭建。在滑槽的不同長(zhǎng)度位置9 m，8 m，7 m分別進(jìn)行標(biāo)注，散粒體從不同的滑槽長(zhǎng)度開(kāi)始下滑以獲得不同的沖擊速度。

圖2 沖擊試驗(yàn)滑槽Fig.2 Impact test chute

1.1.2 攔擋結(jié)構(gòu)

采用C20混凝土制作的擋墻作為攔擋結(jié)構(gòu)，攔擋墻為直線型，長(zhǎng)70 cm，高40 cm，厚度分別為5 cm，6 cm和7 cm 3種，擋墻的兩側(cè)邊界與試驗(yàn)滑槽兩側(cè)邊墻相銜接。根據(jù)MTS(Electro-hydraulic Servo-controlled Rock Mechanics Testing System)試驗(yàn)獲得混凝土擋墻的力學(xué)參數(shù)：密度為2 131 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為28.1 MPa、抗拉強(qiáng)度為2.0 MPa、彈性模量在949～1 265 MPa、泊松比在0.042～0.059。通過(guò)支架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)攔擋墻角度的調(diào)整，如圖3所示。

圖3 攔擋墻及支架Fig.3 Retaining wall and bracket

1.1.3 數(shù)據(jù)采集

采用壓電石英沖擊力傳感器、數(shù)據(jù)放大器和16通路的A/D采集器實(shí)現(xiàn)對(duì)散粒體沖擊力的數(shù)據(jù)收集，通過(guò)數(shù)據(jù)線在電腦終端的采集軟件中實(shí)時(shí)輸出采集數(shù)據(jù)。同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)散粒體顆粒流的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行拍攝。對(duì)于散粒體顆粒流的沖擊速度通過(guò)美國(guó)SVR流體測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)速，可實(shí)時(shí)顯示顆粒流的沖擊速度。

在攔擋墻的背后上均勻布置9個(gè)沖擊力傳感器，每個(gè)傳感器沿?fù)鯄S向均勻間隔17.5 cm，沿高度均勻間隔10 cm，呈矩陣形式排列，如圖4所示。沖擊力傳感器受力面正對(duì)散粒體運(yùn)動(dòng)方向，背面與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。在散粒體顆粒首次接觸攔擋墻到完全靜止堆積，這段時(shí)間為持續(xù)沖擊時(shí)間。

圖4 傳感器布置示意圖(cm)Fig.4 The sketch of sensor layout (cm)

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到散粒體的沖擊力信號(hào)，然后在獲取的沖擊力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行整合取平均值，再將沖擊力均值換算成傳感器受力面上的作用力，最后通過(guò)散粒體平均厚度和攔擋墻尺寸換算得到整個(gè)擋墻的峰值沖擊力，記為Fmax。

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料取自擬建川藏鐵路沿線的典型散粒體斜坡。根據(jù)Valentino等[24]的研究當(dāng)顆粒粒徑是滑道寬度的1/20～1/90時(shí)，散粒體顆粒整體處于均勻的流動(dòng)狀態(tài)等。因此在選擇試驗(yàn)材料上選擇近似單一粒徑的礫石作為試驗(yàn)的顆粒材料，選擇球形、方形、柱形3種近似形狀的礫石材料來(lái)代表3種不同形狀的散粒體顆粒,如圖5所示。通過(guò)室內(nèi)篩分得到顆粒級(jí)配曲線，可以看出球形礫石級(jí)配集中在18～30 mm，方形礫石級(jí)配集中在6～22 mm，柱形礫石級(jí)配集中在10～26 mm，所占比例均達(dá)到80%，說(shuō)明礫石顆粒材料粒徑分布比較均勻，如圖6所示。

圖5 不同形狀散粒體顆粒Fig.5 Different shapes of granular particles

圖6 礫石粒徑級(jí)配曲線Fig.6 Gradation curve of particle

1.3 試驗(yàn)組合

結(jié)合斜坡散粒體沖擊模擬裝置，選取不同的散粒體質(zhì)量、顆粒形狀、運(yùn)動(dòng)速度、入射角度、攔擋墻厚度作為試驗(yàn)參數(shù)。散粒體質(zhì)量分別為30 kg，20 kg，10 kg；顆粒形狀分別為球形、方形、柱形；從不同的滑槽長(zhǎng)度9 m，8 m，7 m處下滑獲得不同沖擊速度，通過(guò)測(cè)速儀實(shí)測(cè)獲得沖擊速度。沖擊入射角度分別為90°，60°和30°，通過(guò)支架旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)擋墻的傾角獲得；攔擋墻形狀為直線型，長(zhǎng)70 cm、高40 cm，厚度分別為7 cm，6 cm，5 cm。根據(jù)試驗(yàn)方案共開(kāi)展243次試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)步驟

通過(guò)測(cè)速儀實(shí)時(shí)測(cè)量不同質(zhì)量、形狀散粒體顆粒在滑槽不同位置下滑的運(yùn)動(dòng)速度，并通過(guò)測(cè)試軟件記錄下每一次試驗(yàn)的沖擊力峰值大小。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 峰值沖擊力分布特征

選取傳感器編號(hào)1～3為Ⅰ組，編號(hào)4～6為Ⅱ組，編號(hào)7～9為Ⅲ組，基于球形、方形、柱形3種形狀的礫石材料，開(kāi)展3種形狀礫石材料沖擊攔擋墻的峰值沖擊力對(duì)比研究。

2.1.1 球形顆粒散粒體

選取球形顆粒散粒體的81次試驗(yàn)進(jìn)行不同沖擊入射角度下的峰值沖擊力分析，如圖7所示。其中30 kg的散粒體顆粒從9m處下滑的平均厚度為2.4 cm?？梢钥闯鲈诓煌念w粒質(zhì)量、下滑位置、擋墻厚度以及沖擊入射角度的條件下，傳感器4在不同條件下的峰值沖擊力最大，說(shuō)明傳感器4位置(即攔擋墻中間)受到?jīng)_擊作用最強(qiáng)。根據(jù)流體力學(xué)理論，流體中間顆粒流沖擊作用最強(qiáng)[25]。試驗(yàn)說(shuō)明散粒體顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)符合顆粒流體特征，所以攔擋墻中間位置受到的沖擊作用最強(qiáng)，即傳感器4的峰值沖擊力最大。在90°入射角度時(shí)Ⅰ組峰值沖擊力均值為24.97 N，Ⅱ組峰值沖擊力均值為29.73 N，Ⅲ組峰值沖擊力均值為22.19 N；在60°入射角度時(shí)Ⅰ組峰值沖擊力均值為19.29 N，Ⅱ組峰值沖擊力均值為22.98 N，Ⅲ組峰值沖擊力均值為20.16 N；在30°入射角度時(shí)Ⅰ組峰值沖擊力均值為17.63 N，Ⅱ組峰值沖擊力均值為20.42 N，Ⅲ組峰值沖擊力均值為19.21 N?？梢?jiàn)看出球形顆粒散粒體的沖擊試驗(yàn)對(duì)于攔擋墻中部位置的沖擊作用最強(qiáng)，峰值沖擊力最大。

圖7 不同入射角度下球形顆粒散粒體峰值沖擊力分布特征Fig.7 Distribution characteristics of spherical granular peak impact force at different incident angles

2.1.2 方形顆粒散粒體

選取方形顆粒散粒體的81次試驗(yàn)進(jìn)行不同沖擊入射角度下的峰值沖擊力分析，如圖8所示。其中30 kg的散粒體顆粒從9 m處下滑的平均厚度為1.5 cm。從圖8可以看出，在不同條件下的峰值沖擊力最大值在Ⅱ組傳感器，說(shuō)明攔擋墻中間位置受到的沖擊作用仍最強(qiáng)。其中90°入射角度時(shí)峰值沖擊力值最大，達(dá)到19 N，比球形顆粒的峰值沖擊力明顯減小。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于球形顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到坡面特征的影響較小，而方形在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中易受到坡面特征影響，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)形態(tài)發(fā)生變化，其與攔擋墻的碰撞形式也有所不同[26]。

圖8 不同入射角度下方形顆粒散粒體峰值沖擊力分布特征Fig.8 Distribution characteristics of square granular peak impact force at different incident angles

2.1.3 柱形顆粒散粒體

選取柱形顆粒散粒體的81次試驗(yàn)進(jìn)行不同沖擊入射角度下的峰值沖擊力分析，如圖9所示。其中30 kg的散粒體顆粒從9m處下滑的平均厚度為2.0 cm。從圖9可以看出，柱形顆粒的峰值沖擊力最大值仍然分布在傳感器4～6，其中90°入射角度時(shí)4號(hào)傳感器的峰值沖擊力值最大，達(dá)到30 N，在30°入射角度時(shí)達(dá)到23 N，同樣可以看出柱形顆粒散粒體的峰值沖擊力仍明顯小于球形顆粒，但大于方形顆粒，可見(jiàn)散粒體形狀是影響沖擊力的重要因素。

圖9 不同入射角度下方形顆粒散粒體峰值沖擊力分布特征Fig.9 Distribution characteristics of column granular peak impact force at different incident angles

通過(guò)斜坡散粒體模擬沖擊試驗(yàn)可以看出在不同的顆粒質(zhì)量、下滑位置、擋墻厚度以及沖擊入射角度的條件下，峰值沖擊力分布在傳感器4～6，即攔擋墻中部位置。同時(shí)4號(hào)傳感器受到的沖擊力最大，在90°入射角度時(shí)球形顆粒散粒體的峰值沖擊力最大，達(dá)到85 N，然后是柱形顆粒的峰值沖擊力達(dá)到30 N，其次是方形顆粒的峰值沖擊力達(dá)到19 N；而在60°和30°入射角度時(shí)球形顆粒的峰值沖擊力為75 N和68 N，相對(duì)于90°時(shí)減小了11.7%和20.1%；在60°和30°入射角度時(shí)柱形顆粒的峰值沖擊力都在23 N左右，相對(duì)于90°時(shí)減小了23.3%；在60°和30°入射角度時(shí)方形顆粒的峰值沖擊力17 N和14 N，相對(duì)于90°時(shí)減小了11.7%和26.3%。散粒體顆粒形狀是影響沖擊力的重要因素，這與滾石的沖擊力影響因素一樣[27]。對(duì)于不同形狀的散粒體，在小角度時(shí)的峰值沖擊力差別不大。

2.2 沖擊力變化規(guī)律

結(jié)合峰值沖擊力分布特征，選取從滑槽長(zhǎng)度9 m處下滑，散粒體質(zhì)量為30 kg，沖擊入射角度為30°，攔擋墻厚度為5 m的不同傳感器的球形顆粒散粒體沖擊工況進(jìn)行規(guī)律性結(jié)果分析，如圖10所示。

圖10 不同傳感器的沖擊力時(shí)程Fig.10 Time-history curves of impact force on different sensors

從圖10可以看出，沖擊力與時(shí)間的變化曲線形狀呈開(kāi)口向下的拋物線關(guān)系。對(duì)于散粒體顆粒的運(yùn)動(dòng)是整體逐漸解體然后流動(dòng)，流動(dòng)區(qū)前緣的散粒體顆粒開(kāi)始碰撞擋板。隨著散粒體顆粒運(yùn)動(dòng)速度和規(guī)模的增加，沖擊力也增大。在持續(xù)沖擊時(shí)間內(nèi)的3～6 s，傳感器受到的沖擊力達(dá)到峰值，同時(shí)4號(hào)傳感器的沖擊力最大，峰值沖擊力達(dá)到28 N。隨著沖擊攔擋墻的散粒體顆粒數(shù)量逐漸變小，沖擊力開(kāi)始逐漸減小然后趨于0?？傮w上沖擊力時(shí)程曲線具有非線性特征，從持續(xù)沖擊時(shí)間上分析可以分為3個(gè)階段：線性增加(3.7～4.5 s)、非線性減小(4.5～6.0 s)和趨于穩(wěn)定階段(6～9 s)。

2.3 峰值沖擊力影響因素

根據(jù)不同散粒體質(zhì)量、顆粒形狀、運(yùn)動(dòng)速度(下滑位置)、沖擊入射角度、攔擋墻厚度條件下的峰值沖擊力特征進(jìn)行研究，以攔擋墻受到的峰值沖擊力值為評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)試驗(yàn)得到的每個(gè)傳感器峰值沖擊力，經(jīng)過(guò)整合的平均值再換算成傳感器受力面上的作用力，然后再轉(zhuǎn)換成攔擋墻受到的峰值沖擊力。通過(guò)回歸統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行多重?cái)?shù)據(jù)擬合分析，研究各影響因素對(duì)于峰值沖擊力的敏感性關(guān)系。根據(jù)影響因素的五因素三水平，進(jìn)行峰值沖擊力的敏感性因素分析，如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出，散粒體顆粒形狀是最主要因子，極差值達(dá)到4.35；其次下滑位置即沖擊速度也是主要因子，然后散粒體質(zhì)量和攔擋墻厚度也對(duì)沖擊力起重要影響，最后是沖擊入射角度。通過(guò)圖11反映出散粒體顆粒形狀的點(diǎn)子散布范圍最大，是最重要的影響因素，其極差值遠(yuǎn)高于其他影響因素。同時(shí)下滑位置和散粒體質(zhì)量的點(diǎn)子散布范圍也高于其他兩個(gè)影響因素。對(duì)于峰值沖擊力的影響重要性程度是散粒體顆粒形狀>下滑高度(沖擊速度)>散粒體質(zhì)量>擋墻厚度>沖擊入射角度。

圖11 峰值沖擊力與各影響因素的關(guān)系Fig.11 The relationship between peak impact force and influencing factors

2.4 散粒體沖擊機(jī)制分析

散粒體顆粒初始呈“團(tuán)聚體”似滑動(dòng)，隨著前緣顆粒開(kāi)始倒塌滾動(dòng)，顆粒之間變成松散結(jié)構(gòu)。隨著前緣顆粒的加速運(yùn)動(dòng)，后緣顆粒結(jié)構(gòu)越松散，散粒體顆粒整體開(kāi)始呈帶狀運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)變形更明顯，顆粒流的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度明顯增加。運(yùn)動(dòng)開(kāi)始階段散粒體顆粒勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的擾動(dòng)相對(duì)較小，整體動(dòng)能逐漸增大。前緣顆粒開(kāi)始碰撞-沖擊作用在攔擋墻上，顆粒沖擊攔擋墻后受到擋墻阻擋而堆積停留，使得攔擋墻受到的沖擊力逐漸增加。散粒體顆粒隨著運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度增加而逐漸分散，后續(xù)顆粒持續(xù)的運(yùn)動(dòng)沖擊，不斷擠壓前緣堆積在攔擋墻位置的顆粒，顆粒接觸碰撞頻繁以及沖擊攔擋墻形成的沖擊波和反射波相遇疊加，使得振動(dòng)加強(qiáng)形成沖擊波疊加效應(yīng)，產(chǎn)生的沖擊力也迅速達(dá)到峰值。后面隨著散粒體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度減小，顆粒之間的碰撞解體以及摩擦耗能明顯增加，沖擊力逐漸減小。隨著散粒體顆粒在攔擋墻位置的堆積停留形成穩(wěn)定區(qū)，沖擊作用力穩(wěn)定并趨于0。

3 峰值沖擊力計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

目前針對(duì)斜坡散粒體峰值沖擊力并未提出相應(yīng)的具體計(jì)算方法，當(dāng)前對(duì)于散粒體斜坡的攔擋墻設(shè)計(jì)大多參考泥石流、滑坡顆粒流的沖擊力計(jì)算方法，他們根據(jù)不同的理念推導(dǎo)出不同計(jì)算公式。

3.1 沖擊力代表性算法

3.1.1 中國(guó)泥石流防治規(guī)范

據(jù)DZ/T 0239—2004《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[28]中對(duì)于沖擊力的計(jì)算公式，得到顆粒流作用攔擋結(jié)構(gòu)墻體的沖擊力為

F=λρv2hwsin2θ/g

(1)

式中：λ為擋墻形狀系數(shù)，矩形取1.33；ρ為顆粒流密度，kg/m3；v為沖擊速度，m/s；h為顆粒流平均厚度，m；w為攔擋墻寬度，m；θ為入射角度，(°)；g為重力加速度。

3.1.2 歐洲泥石流防治規(guī)范

根據(jù)歐洲泥石流防治規(guī)范[29]提出的基于顆粒流半經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)模型得到的沖擊力計(jì)算公式為

(2)

式中：Cd為阻力系數(shù)，取決于流動(dòng)類(lèi)型和障礙物幾何形狀，一般取5；A為攔擋墻面積，m3；其余符號(hào)同前。

3.1.3 基于流體動(dòng)能公式

顆粒流沖擊動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型來(lái)源于流體力學(xué)中流體動(dòng)能的表達(dá)式，沖擊力計(jì)算公式為[30]

F=khwρv2

(3)

式中：k為表征散粒體顆粒不均值的系數(shù)，一般取2.5；其余符號(hào)同前。

3.1.4 Ashwood公式

Ashwood等[31]基于流體動(dòng)力學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提出了顆粒流沖擊力的計(jì)算公式，被廣泛應(yīng)用

F=Cdραv2wh

(4)

式中：α為速度折減系數(shù)，一般取0.4；w為顆粒流流動(dòng)時(shí)平均寬度，m；其余符號(hào)同前。

3.1.5 中國(guó)隧道手冊(cè)公式

鐵路系統(tǒng)于1995年提出了一種關(guān)于沖擊力的計(jì)算方法，《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道》[32]中提出沖擊力的近似計(jì)算為

(5)

式中：Q為散粒體質(zhì)量，kg；其中沖擊持續(xù)時(shí)間近似按壓縮波考慮，可按Δt=2H/C計(jì)算，H為攔擋墻厚度，C為壓縮波在攔擋墻體內(nèi)的往復(fù)速度，計(jì)算公式為

(6)

式中：E，μ分別為攔擋墻材料的彈性模量(kPa)、泊松比；其余符號(hào)同前。

3.2 各算法計(jì)算結(jié)果比較

為了驗(yàn)證各算法對(duì)于峰值沖擊力計(jì)算的合理性，選取30 kg質(zhì)量的球形顆粒散粒體在不同位置下滑對(duì)不同厚度的攔擋墻在入射角度90°條件下的實(shí)測(cè)峰值沖擊力為例。球形顆粒散粒體密度為1 717 kg/m3，沖擊速度分別為5.51 m/s，4.65 m/s和4.03 m/s，散粒體的平均厚度為2.4 cm。由圖12可知，流體動(dòng)能法和隧道手冊(cè)法的沖擊力計(jì)算值都明顯大于峰值沖擊力實(shí)測(cè)值，其中流體動(dòng)能法由于計(jì)算方法受泥石流邊界條件的影響，真實(shí)泥石流中受到溝道影響其寬度可達(dá)幾十米甚至上百米，而散粒體顆粒流運(yùn)動(dòng)寬度普遍較小，因此其邊界效應(yīng)對(duì)沖擊力的影響明顯高于泥石流，所以根據(jù)流體動(dòng)能法計(jì)算得到的峰值沖擊力值偏高。隧道手冊(cè)法是考慮把散粒體顆粒作為整體來(lái)計(jì)算，而沒(méi)有考慮散粒體顆粒的分散性，所以計(jì)算值也明顯高于實(shí)測(cè)值。根據(jù)不同下滑位置的沖擊力對(duì)比分析，Ashwood法、中國(guó)和歐洲的泥石流規(guī)范計(jì)算方法相對(duì)于峰值沖擊力實(shí)測(cè)值比較接近，但是由于上述計(jì)算方法是只考慮了泥石流物體的性質(zhì)，而沒(méi)有考慮攔擋結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，比如攔擋墻的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)厚度等參數(shù)的影響，所以Ashwood法、中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范得到的沖擊力計(jì)算值沒(méi)有體現(xiàn)出攔擋墻材料及結(jié)構(gòu)的變化。而隧道手冊(cè)法考慮了沖擊壓縮波在攔擋墻內(nèi)的沖擊持續(xù)時(shí)間，通過(guò)沖擊力持續(xù)時(shí)間來(lái)反映攔擋墻性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的變化，但把沖擊物體考慮成一個(gè)整體則不符合散粒體特征，所以雖然變化規(guī)律與模擬試驗(yàn)一致，但是量值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值。

圖12 峰值沖擊力對(duì)比Fig.12 The comparison of peak impact force

通過(guò)以上分析，中國(guó)的泥石流規(guī)范中沖擊力量值與峰值沖擊力實(shí)測(cè)值比較接近，因此可以考慮隧道手冊(cè)法中對(duì)攔擋墻材料性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的分析方法，兩者相結(jié)合得到適用于斜坡散粒體沖擊攔擋墻的峰值沖擊力計(jì)算方法。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)斜坡散粒體沖擊模擬試驗(yàn)裝置，開(kāi)展不同的散粒體質(zhì)量、顆粒形狀、運(yùn)動(dòng)速度、入射角度以及攔擋墻厚度等影響因素下的斜坡散粒體對(duì)攔擋墻的沖擊物理模擬試驗(yàn)，分析各因素與峰值沖擊力的相互關(guān)系，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型的沖擊力理論計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)論如下：

(1)峰值沖擊力分布在攔擋墻中部位置，在90°入射角度時(shí)球形顆粒散粒體的峰值沖擊力最大，達(dá)到85 N，然后是柱形顆粒的峰值沖擊力達(dá)到30 N，其次是方形顆粒的峰值沖擊力達(dá)到19 N；而在60°和30°入射角度時(shí)球形顆粒的峰值沖擊力為75 N和68 N，相對(duì)于90°時(shí)減小了11.7%和20.1%；在60°和30°入射角度時(shí)柱形顆粒的峰值沖擊力都在23 N左右，相對(duì)于90°時(shí)減小了23.3%；在60°和30°入射角度時(shí)方形顆粒的峰值沖擊力17 N和14 N，相對(duì)于90°時(shí)減小了11.7%和26.3%?？傮w上沖擊力時(shí)程曲線具有非線性特征，可以分為3個(gè)階段：線性增加、非線性減小和趨于穩(wěn)定階段。

(2)散粒體顆粒形狀是影響峰值沖擊力的最主要因子，散粒體顆粒形狀的點(diǎn)子散布范圍最大，是最重要的影響因素，其極差值遠(yuǎn)高于其他影響因素。同時(shí)下滑位置和散粒體質(zhì)量的點(diǎn)子散布范圍也高于其他兩個(gè)影響因素。對(duì)于峰值沖擊力的影響重要性程度順序是散粒體顆粒形狀>下滑高度(沖擊速度)>散粒體質(zhì)量>擋墻厚度>沖擊入射角度。

(3)通過(guò)國(guó)內(nèi)外代表性散粒體顆粒沖擊力計(jì)算方法分析，中國(guó)的泥石流規(guī)范中沖擊力量值與峰值沖擊力實(shí)測(cè)值比較接近，同時(shí)除了隧道手冊(cè)法考慮了攔擋墻材料性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征外，其余計(jì)算方法都沒(méi)有考慮攔擋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果無(wú)法反映攔擋結(jié)構(gòu)特征的變化。因此斜坡散粒體沖擊攔擋墻的峰值沖擊力計(jì)算方法應(yīng)將中國(guó)的泥石流規(guī)范和隧道手冊(cè)的計(jì)算方法相結(jié)合。