CN114169053B - 落石最大冲击力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种落石最大冲击力计算方法。现有落石冲击力计算均计算的是落石平均冲击力，而不是最大冲击力，因而导致在工程应用中计算结果偏小。本发明将落石视为球体，获取球体弹性模量、拦石墙弹性模量、球体泊松比、拦石墙泊松比，计算与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数；基于所述与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数，计算落石最大冲击力。本发明着重计算危岩落石的最大冲击力，不同于现有技术的计算获得落石平均冲击力，最大冲击力高于平均冲击力，如此计算出最高可能值，对工程前期设计更具有安全意义。
Description
技术领域
本发明涉及落石拦挡结构设计技术领域，具体涉及一种落石最大冲击力计算方法。
背景技术
进入21世纪以来，随着国内高速公路和高速铁路的大力修建，落石发生在国内公路、铁路的频率增加，会对公路、铁路等基础设施、设备和车辆及人员造成重大损失，落石灾害逐渐被国内学者提出来，落石理论的研究受到越来越多学者的重视。
我国《铁路隧道设计规范》明洞和棚洞设计荷载相关条文中对落石冲击力没有给出相关计算方法，仅规定通过现场调查或有关计算验证确定。《公路路基设计规范》、《铁路路基设计规范》和铁路行业《路基手册》等均没有给出落石冲击力计算方法。国内落石冲击力计算方法可参照的仅有《公路隧道设计细则》明洞设计章节和铁路行业《隧道手册》，以及杨其新、关宝树教授建立的基于室内试验所得的冲击力计算方法。细则方法、隧道手册方法、杨其新和关宝树提出的算法，计算的是落石平均冲击力，而不是最大冲击力，因而导致在工程应用中计算结果偏小。国内其他学者研究成果中冲击力计算都考虑缓冲或为平均冲击力。
发明内容
本发明的目的是提供一种落石最大冲击力计算方法，以至少解决现有技术仅计算落石平均冲击力、而不是最大冲击力导致的计算结果偏小的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
落石最大冲击力计算方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
将落石视为球体，获取球体弹性模量、拦石墙弹性模量、球体泊松比、拦石墙泊松比，计算与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数；
式中：
E——与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数，Pa；
E1——球体弹性模量，Pa；
E2——拦石墙弹性模量，Pa；
μ1——球体泊松比；
μ2——拦石墙泊松比；
基于所述与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数，计算落石最大冲击力；
式中：
Pmax——落石最大冲击力，N；
R1——球体半径，m；
m1——球体的质量，kg；
v1——球体的初始速度，m/s。
进一步地，所述球体弹性模量和球体泊松比根据岩石力学性质指标的经验数据取值，或通过岩石物理力学性质试验获得。
进一步地，所述拦石墙弹性模量和拦石墙泊松比根据混凝土结构设计规范取值。
进一步地，所述球体的初始速度通过RocFall软件计算获得。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明考虑到落石对刚性拦石墙冲击状态的受力复杂性，基于拦石墙主要受落石冲击力，在落石最大冲击力计算中将落石简化为球体，将拦石墙简化为平面体，计算过程更明确简单，计算结果准确可靠。
2、长期以来，落石最大冲击力的计算一直缺乏适用性的理论计算公式作为设计指导，本发明方案的提出对工程前期设计的落石拦挡结构受力情况分析意义重大。
3、本发明着重计算落石的最大冲击力，不同于现有技术的计算获得落石平均冲击力，最大冲击力高于平均冲击力，如此计算出最高可能值，对工程前期设计更具有安全意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是实施例中把边坡坡型导入到RocFall软件中的示意图。
图2是实施例中输入边坡法向、切向碰撞恢复系数和粗糙度标准偏差的示意图。
图3是实施例中输入落石的原始速度和质量的示意图。
图4为实施例中计算落石在拦石墙位置运动速度的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
应注意到，相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个实施例中被定义，则在随后的实施例中不需要对其进行进一步定义和解释。
本发明提供了一种落石最大冲击力计算方法，具体来说，该方法将落石视为球体，将拦石墙视为被撞击面，根据球体半径、球体质量、球体初始速度、球体泊松比、球体弹性模量、以及拦石墙泊松比、拦石墙弹性模量等关键因素，计算出落石的最大冲击力。所述方法具体包括以下计算过程：
将落石视为岩石球体，将拦石墙视为混凝土被撞击面，获取球体弹性模量、拦石墙弹性模量、球体泊松比、拦石墙泊松比，计算与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数；
式中：
E——与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数，Pa；
E1——球体弹性模量，Pa；
E2——拦石墙弹性模量，Pa；
μ1——球体泊松比；
μ2——拦石墙泊松比；
基于所述与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数，计算落石最大冲击力；
式中：
Pmax——落石最大冲击力，N；
R1——球体半径，m；
m1——球体的质量，kg；
v1——球体的初始速度，m/s。
所述球体弹性模量和球体泊松比根据岩石力学性质指标(如《工程地质手册》的岩石力学性质指标)的经验数据取值，或通过岩石物理力学性质试验(如岩石物理力学性质试验规程(DZT 0276.19-2015)第19部分岩石单轴压缩变形试验)获得。
所述拦石墙弹性模量和拦石墙泊松比根据混凝土结构设计规范(如混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)4.1.5条)取值。
所述球体的初始速度通过RocFall软件计算获得。
应注意到，上述方法中，所述球体弹性模量、球体泊松比、拦石墙弹性模量、拦石墙泊松比以及球体的初始速度等参数，均基于现有成熟的公开方法和应用软件获得，本发明对方法的改进并不在于这些参数的获取过程，任何基于现有技术或公知方法获得上述参数的手段均在本申请的保护范围内。
实施例：
(1)将落石简化为球体并假定简化为球体的落石的半径R1为0.5m，将拦石墙简化为混凝土平面；
(2)获取球体弹性模量E1和球体泊松比μ1，根据《工程地质手册》中岩石力学性质指标的经验数据取值，经验数据取值如表1：
表1岩石力学性质指标的经验数据取值
以花岗岩为例，密度取表1中花岗岩密度的平均值，为2680kg/m3，球体弹性模量取表1中的静模量平均值，即E1取3.5×104MPa，球体泊松比表1中的泊松比平均值，即μ1取0.26。
(3)获取拦石墙弹性模量E2和拦石墙泊松比μ2，根据混凝土结构设计规范(GB50010-2010)4.1.5条，选取拦石墙弹性模量E2如表2：
表2混凝土弹性模量(×104N/mm2)
以C35混凝土为例，拦石墙弹性模量E2取3.15×104MPa，拦石墙泊松比μ2即各等级混凝土泊松比按0.2计算(根据混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)4.1.5条的规定和建议)。
(4)根据球体弹性模量E1、球体泊松比μ1、拦石墙弹性模量E2和拦石墙泊松比μ2，计算与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数E：
求得E＝1.75×1010Pa。
(5)计算球体的质量m1，假定简化为球体的落石的半径为0.5m，其密度为2680kg/m3，则求得球体的质量m1为1403.2kg。
(6)获取球体的初始速度v1，假定落石半径为0.5m，通过RocFall软件对落石的冲击速度进行计算，计算得到落石在拦石墙位置运动速度为4m/s，即v1为4m/s。
RocFall软件的具体操作过程为：
把边坡坡型导入到RocFall软件中(图1)，输入边坡法向、切向碰撞恢复系数和粗糙度标准偏差(图2)，以及落石的原始速度和质量(图3)，让软件开始计算，可以得到落石的冲击速度曲线(图4)。根据冲击速度曲线可以得到落石在边坡不同位置的冲击速度，可为落石防护措施的设计提供参数。
其中法向和切向碰撞恢复系数可根据《铁路特殊路基设计规范》(TB10035-2018)条文说明表12.2.6(表3)对其进行选取。
表3法向和切向碰撞恢复系数
注：坡面被灌木丛覆盖，Rt减少0.1。
软件使用手册指出粗糙度标准偏差在0～5之间，一般不会超过5，软件计算可以选择输入粗糙度标准偏差的值为平均值2.5。
以上给出了RocFall软件的具体计算过程，实施例中的参数值和附图中涉及的输入参数值均是为了具体描述实施例的过程，不应理解为对参数的唯一限定。
(7)计算落石最大冲击力；
带入步骤(1)-(6)中的参数得到，Pmax＝5.7×103kN。
上述实施例描述了将本发明的方法应用于落石撞击交通工程构筑物的过程，撞击体为动态球体，被撞击体为静态平面。本发明的方法还可应用于其他受力情况，如，撞击体和被撞击体均为动态，以及被撞击体也为球体的情况。还有，本发明的方法除运用到落石最大冲击力计算外，还可运用到滚石撞击最大冲击力计算。另外，本发明的方法还可运用到其他领域，如轮船靠岸碰撞、卫星回收落地碰撞等涉及碰撞的领域。基于本发明的方法，运用任何公知常识做改变的方案都在本发明的保护范围内。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (4)
1.落石最大冲击力计算方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
将落石视为球体，获取球体弹性模量、拦石墙弹性模量、球体泊松比、拦石墙泊松比，计算与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数；
式中：
E——与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数，Pa；
E1——球体弹性模量，Pa；
E2——拦石墙弹性模量，Pa；
μ1——球体泊松比；
μ2——拦石墙泊松比；
基于所述与冲击体各自泊松比、弹性模量相关的参数，计算落石最大冲击力；
式中：
Pmax——落石最大冲击力，N；
R1——球体半径，m；
m1——球体的质量，kg；
v1——球体的初始速度，m/s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述球体弹性模量和球体泊松比根据岩石力学性质指标的经验数据取值，或通过岩石物理力学性质试验获得。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述拦石墙弹性模量和拦石墙泊松比根据混凝土结构设计规范取值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述球体的初始速度通过RocFall软件计算获得。
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