落石沖擊隧道洞口結(jié)構(gòu)形狀因素影響研究

宋東旭

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

0 引 言

落石災(zāi)害由于其難預(yù)測、大質(zhì)量和強沖擊的特點，成為山區(qū)常見的極具威脅的自然災(zāi)害之一，落石產(chǎn)生的災(zāi)害已經(jīng)嚴重影響了我國西部多山區(qū)的交通安全，每年都會有關(guān)于落石災(zāi)害的事故發(fā)生，嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。目前落石與隧道洞口結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時所產(chǎn)生的沖擊作用包括落石沖擊力以及結(jié)構(gòu)在沖擊作用下的動力響應(yīng)。在發(fā)生碰撞時的沖擊作用跟落石本身的幾何特性、起始下降高度以及結(jié)構(gòu)本身的特性相關(guān)，沖擊力大小是進行落石防護工程設(shè)計的重要考慮因素。

在落石災(zāi)害中，落石形狀的隨機變化也十分顯著，根據(jù)統(tǒng)計和分析，將落石形狀分成了五大類，包括球形、圓盤形、圓柱形、圓錐形和多棱角形，這五大類又可以進一步細分成21小類[1]。當不同形狀落石沖擊墊層表面時，其沖擊端形狀的隨機變化又會產(chǎn)生不同的沖擊效果，因此，研究落石形狀對落石沖擊效應(yīng)的影響十分必要。

文章借助ANSYS/LS-DYNA有限元動力分析軟件來模擬不同工況情況下，不同形狀落石沖擊設(shè)有砂墊層的混凝土結(jié)構(gòu)進行模擬，通過結(jié)果對比，分析落石形狀對沖擊作用的影響，為實際設(shè)計施工提供參考。

1 工程概況

峨漢高速第二標段第12合同段，位于四川省雅安市漢源縣順河鄉(xiāng)境內(nèi)，總長7021m(左右線平均)，左線起訖里程 ZK104 + 545-ZK111+ 554，全長約7km；主洞右線起訖里程 K104+525-K111+558，全長7km；大巖隧道進口端地形陡峭，洞口附近為巨厚松散坡積體，洞口下方為陡峭邊坡、旁邊是S306省道，隧道洞口路面標高至S306省道高差為18.8m。為增加高邊坡的穩(wěn)定性，保證隧道洞口的行車安全，左右線均設(shè)置了10m路塹式明洞，見圖1。

圖1 洞口明洞立面圖

2 數(shù)值模型與計算參數(shù)

2.1 基本假定

落石以初始速度撞擊結(jié)構(gòu)，落石會貫穿結(jié)構(gòu)上的砂墊層一定深度，速度不斷減少，直至為零，并可能發(fā)生反彈。由于作用時間很短，根據(jù)沖量定理，落石沖擊結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很大的沖擊力。沖擊過程主要涉及混凝土板、墊層、落石，因此將模型簡化，考察如圖2所示的結(jié)構(gòu)。

本次采用的數(shù)值模擬采用了如下假定：

1)落石視為剛形體，不考慮質(zhì)量損失；

2)模型所在整個空間內(nèi)在沖擊過程中只考慮豎向位移，不存在旋轉(zhuǎn)自由度；

3)考慮重力場，忽略空氣阻力。

2.2 計算參數(shù)

計算模型結(jié)構(gòu)分為4部分，包括落石、砂墊層、混凝土板、混凝土梁。梁截面長寬分別為0.6m、0.8m，板跨度8m，厚0.5m，墊層厚度為1.5m，計算寬度6m。落石接觸結(jié)構(gòu)時的沖擊速度為14m/s，沖擊能量為130KJ。根據(jù)落石尺寸的不同，在相同沖擊能量下可分為以下3個工況：①工況一：落石為r=0.5m的球體；②工況二：落石為L=0.8m的正方體；③工況三：落石為S=1m×1m，h=0.5m的長方體。

落石與混凝土剛度差異較大，為節(jié)省計算時間，落石采用剛體模型，混凝土采用HJC模型，該模型適用于混凝土材料的沖切、侵蝕分析情況。砂土墊層采用Drucker-Prager材料模型[3-4]。

圖2 正方體落石碰撞混凝土板模型圖

圖3 長方體落石碰撞混凝土板模型圖

表1 材料參數(shù)

2.3 邊界條件

在模擬過程中，混凝土結(jié)構(gòu)上覆土體，對橫梁底部采用全約束。同時為模擬結(jié)構(gòu)的延伸性，在縱向邊界設(shè)置無反射邊界條件，防止沖擊反射波進入模型對最終計算結(jié)果產(chǎn)生影響。在沖擊碰撞過程中，定義落石、混凝土結(jié)構(gòu)、砂墊層的接觸為面面自動接觸。

3 計算結(jié)果分析

3.1 球體落石

1)落石沖擊加速度

圖4為落石加速度的時程變化曲線，從圖中可以看出，落石的加速度呈現(xiàn)波動狀的變化趨勢，在t=0.02s時刻落石加速度最大，為549m/s2，隨后波動的幅度開始不斷減小。整個沖擊過程持續(xù)時間為0.1s。模型中落石質(zhì)量為1308kg，由F=ma可計算得到最大沖擊力為721kN。

2)落石沖擊深度

設(shè)定墊層頂面為基準面，通過落石的位移來反映落石侵入墊層的深度，圖5為落石位移的時程變化曲線。

圖5 落石位移變化曲線

從圖5可以看出，在t=0.1s時刻沖擊侵徹深度達到最大值為0.72m，隨后土體產(chǎn)生一定量回彈，整個沖擊過程持續(xù)時間為0.1s。可以看出由于落石在與緩沖層發(fā)生碰撞后墊層產(chǎn)生了較大形變，吸收部分沖擊能量，因此緩沖層的存在對混凝土結(jié)構(gòu)起到保護作用，削弱了落石的沖擊作用[5-7]。

3)落石速度

落石在沖擊過程中的速度歷時曲線如圖6所示。

圖6 落石速度變化曲線

從圖6可以看出，初始時刻落石的速度為-14m/s，在與墊層土體接觸后由于反力作用使落石速度不斷增加，在0.12s時刻落石速度增加為0，此時落石運動還未停止，還會繼續(xù)向上運動發(fā)生反彈，但回彈速度遠小于沖擊速度[8-10]。

3.2 不同落石形狀對比

1)落石加速度

為對比3種不同形狀落石的加速度變化趨勢，將加速度結(jié)果繪制成落石加速度對比圖，如圖7所示。

圖7 不同形狀落石加速度對比圖

落石形狀為長方體和立方體時的落石加速度變化趨勢大致相同，落石加速度在較短的時間內(nèi)迅速增大，達到最大值，緊接著快速減小，整個沖擊作用持續(xù)時間較短。而對于球體落石，最大加速度相對較小。且持續(xù)時間較長。在數(shù)值方面，長方體落石的落石加速度最大為2440m/s2，而對于落石為球體的落石加速度，最大值為551m/s2，約為長方體落石的1/4，其可能原因應(yīng)是在落石在于結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的瞬間，長方體和立方體這兩種形狀的落石與砂墊層的接觸面積相對于球體要大，受到的反力作用較大，所以在極短的時間產(chǎn)生較大的落石沖擊力[10-12]。

2)沖擊深度

圖8 落石沖擊深度時程曲線對比圖

三種形狀落石的沖擊深度變化曲線如圖8所示，由圖中各曲線的變化情況可以看出，長方體落石與正方體落石在發(fā)生碰撞停止運動所達到的最大深度相對較小。其中長方體落石的最大位移深度為-0.227m。二者沖擊深度時程曲線的變化趨勢大體是一致的，而當落石形狀為球體時沖擊侵徹深度最大為-0.742m，沖擊侵徹深度要比長方體落石小[13]。

3)頂板Mises等效動應(yīng)力

在頂板跨中位置底部選取單元為監(jiān)測點來監(jiān)測頂板在落石沖擊作用下的受力情況，圖9為監(jiān)測點單元等效應(yīng)力歷時曲線。

圖9 頂板跨中位置等效應(yīng)力對比圖

從圖9中看出，落石形狀為長方體和立方體時，跨中位置的動力響應(yīng)變化趨勢是大致相同的，在t=0.028s時頂板的等效應(yīng)力達到最大，落石形狀為球體時的動力響應(yīng)相對較小，變化的幅度相比于另外兩種形狀相對較小。長方體落石沖擊作用下頂板的等效應(yīng)力最大可達到10.2MPa，球體形狀落石所產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力僅為1.54MPa，與長方體落石相比減少了87%。

4 結(jié) 論

以峨漢高速第2標段第12合同段大巖隧道洞口明洞為背景，結(jié)合模擬結(jié)果，重點研究了形狀因素對落石荷載以及棚洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)造成的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在相同落石沖擊能量下，當落石形狀為長方體時，由于與墊層之間的接觸面積最大，在碰撞過程中產(chǎn)生的沖擊荷載是球體落石的4.5倍；而沖擊深度是球體1/3。因此落石沖擊力大小是與落石接觸面積呈正相關(guān)的。

(2)沖擊過程中混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)也與落石形狀有關(guān)，當落石形狀為長方體時，頂板跨中位置的等效應(yīng)力達到10.2MPa，相比于球體落石增加了580%。落石沖擊混凝土結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力也是與落石接觸面積呈正相關(guān)的。