吳亞華

摘 要：針對(duì)落石碰撞地面后解體這一現(xiàn)象，對(duì)落石解體全過(guò)程進(jìn)行了全面而詳細(xì)的論述。由應(yīng)力波的傳播速度與荷載加載速度得出裂紋擴(kuò)展方向?yàn)閺牡撞恐另敳康慕Y(jié)論，從應(yīng)力角度對(duì)已有沖擊力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了分析，提出了一種沖擊力計(jì)算公式，并推出了臨界破裂高度，從能量角度建立了可用于定量計(jì)算的落石解體能量方程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)上述理論進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在垂直于加載方向上，拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)落石解體，解體后的運(yùn)動(dòng)方式可由落石解體能量方程給出。

關(guān)鍵詞：解體 沖擊力 能量守恒 落石

中圖分類號(hào)：TU451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（a）-0039-05

Abstract： In reaction to the phenomenon that rockfall disintegrates after the collision with the ground， we expound the whole process of rockfalls disintegration comprehensively and detailedly. Across the spread speed of the stress wave and the loading speed， we conclud that the direction of crack growth arise from the bottom to the top. Across the stress， we analyze the empirical equation of impact force and put forward a new computational formula. Then the rupture height is launched. Considering the energy， we establish an energy equation of rockfalls disintegration for quantitative calculation and verify this theory across an experiment. The result indicates that the rockfall breaks up when the tensile stress exceeds the tensile strength in the direction perpendicular to the load. The energy equation gives out the movement way after the disintegration.

Key Words： Disintegration； Impact force； Conservation of energy； Rockfall

危巖崩塌是次生型地質(zhì)災(zāi)害，落石是其中最常見的災(zāi)害。Olsson R分析了沖擊力與土層之間的關(guān)系式[1]；Corò D等對(duì)阿爾卑斯山地區(qū)崩塌落石的時(shí)空特性進(jìn)行了分析[2]；Atkinson C等研究了巴西圓盤開裂試驗(yàn)，建立了能量釋放率計(jì)算公式，建立了能量釋放率與應(yīng)力強(qiáng)度因子相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式[3]；Ramulu M 等對(duì)玄武巖破裂進(jìn)行了研究，得到了其循環(huán)爆破沖擊的關(guān)系式[4]；Daudon D等將離散元數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)用于分析巖石解體，結(jié)果表明，巖石解體能量耗散與顆粒形狀以及邊坡幾何特征對(duì)有很大關(guān)系[5]；Kirkby M J和Statham I建立了巖石路徑計(jì)算模型[6]；郭紹平等對(duì)沖擊力的計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)分析并進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)[7]；袁進(jìn)科等進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，研究了和落石接觸的各種地面因素對(duì)落石最大沖擊力的影響[8]；金解放等為了研究巖石損傷累積演化特征，進(jìn)行了動(dòng)靜組合荷載的試驗(yàn)，提出了在這種情況下的數(shù)學(xué)模型[9]；蘇承東等為了研究局部剪切失穩(wěn)破壞和全面剪脹失穩(wěn)破壞之間的關(guān)系，對(duì)巖石進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，巖石的錐形破壞常發(fā)生在高應(yīng)變速率下[10]；左建平等建立了脆性巖石能量跌落系數(shù)，研究了循環(huán)加載、循環(huán)卸載，得到了輸入能、耗散能、機(jī)械能、彈性應(yīng)變能、塑性應(yīng)變能等在巖石變形破壞全過(guò)程的具體情況[11]；宋義敏等研究了局部化帶的演化，分析了加載過(guò)程、卸載過(guò)程、能量積累、能量釋放等對(duì)巖石試件的影響關(guān)系[12]；周輝等分析了ωs和ωv在巖石破壞屈服時(shí)的變化曲線，分析了危巖破壞屈服機(jī)制[13]。該文對(duì)落石進(jìn)行了高處掉落沖擊試驗(yàn)，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了分析解釋。

1 宏觀過(guò)程：裂紋從底部擴(kuò)展至頂部

用ansys模擬砂巖落石如圖1所示，密 kg/m3，彈性模 N/m2，剪切模 N/m2，泊松，直徑1m，碰撞前速度10 m/s，地面為剛性，速度變化結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示，碰撞至壓縮量最大時(shí)，用時(shí)為斜直線的一半，即0.000 25 s，則加載速度4 000 m/s。資料顯示[10]，應(yīng)力波在砂巖中的波速為3 000～4 000 m/s，暫3 000 m/s，從實(shí)驗(yàn)室研究得知，裂紋擴(kuò)展速度一般在縱波速度的1/3以下[11]，暫 m/s，此，與假設(shè)的宏觀裂紋一致，當(dāng)碰撞初速度更大時(shí)，加載速度更大，仍然符合。由此得到：球形落石沖擊地面時(shí)，裂紋從底部接觸點(diǎn)向上擴(kuò)展至頂端。

2 試驗(yàn)研

前述假定為：裂紋從落石底部開始擴(kuò)展至頂部，按此論述，做如下試驗(yàn)，取扁圓形鵝卵石從高處落下，使其鵝卵石邊緣和地面碰撞，高度不夠時(shí)，落石不會(huì)破裂，將高度增加，知道落石破裂，觀察記錄結(jié)果。

如圖3、圖4所示，落石破裂為四塊，分別為1、2、3、4，如圖5俯視圖所示，落石的裂紋為十字形，剛好將鵝卵石對(duì)稱平分，觀察圖6裂紋面可以看到，兩個(gè)裂紋線組成的十字裂紋線，在底端并不是完整的，鵝卵石底部和地面接觸區(qū)域，形成一個(gè)壓剪破壞區(qū)，可以從圖7仰視圖中看到，壓剪破壞區(qū)為菱形。

分析全過(guò)程，如圖8所示，分為五個(gè)階段。（1）初始碰撞時(shí)，鵝卵石和地面接觸，應(yīng)力從零開始增大；（2）鵝卵石繼續(xù)下落，接觸區(qū)形成一個(gè)橢圓面，在橢圓面上，等應(yīng)力線呈菱形分布，應(yīng)力正視圖中等應(yīng)力線為半橢圓形，在橢圓面的四個(gè)端點(diǎn)，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，鵝卵石繼續(xù)下降，應(yīng)力集中超過(guò)鵝卵石的強(qiáng)度極限，開始產(chǎn)生裂紋；（3）鵝卵石底部橢圓接觸面上裂紋迅速擴(kuò)展貫通，并向鵝卵石上部擴(kuò)展，應(yīng)力正視圖中等應(yīng)力線變?yōu)槿切危唬?）應(yīng)力分布的擴(kuò)展使鵝卵石內(nèi)部開始破壞，破壞的形狀和正視圖中等應(yīng)力線相同，破壞的巖石呈層狀堆積在原位置；（5）鵝卵石繼續(xù)下降，壓剪破壞區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，內(nèi)部破壞部分徹底碎裂掉落，形成空腔。

3 結(jié)語(yǔ)

該文研究了國(guó)內(nèi)外危巖崩塌現(xiàn)狀，選取其中落石災(zāi)害進(jìn)行了分析，對(duì)落石開裂的方式進(jìn)行了分析并做了相關(guān)試驗(yàn)，初步得到以下結(jié)論：

（1）由應(yīng)力波波速和荷載加載速度，論證了當(dāng)加載速度足夠大時(shí)，落石裂縫開裂過(guò)程中裂紋是從底部擴(kuò)展到頂部的結(jié)論。

（2）對(duì)落石災(zāi)害進(jìn)行了簡(jiǎn)單試驗(yàn)?zāi)M，觀察記錄了落石開裂方式，得到了落石沖擊的破壞特性。

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