吳東東，溫繼偉，項(xiàng) 天，張 杰，肖 烽

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059）

0 引言

我國(guó)疆域遼闊，地形多樣，其中山地面積約占總面積的2/3，眾多的山區(qū)地形孕育了大量的地質(zhì)災(zāi)害，如滾石、崩塌、滑坡、泥石流等。尤其在我國(guó)的西南地區(qū)，自2008年5月12日汶川地震后加劇了山體破碎，孤石遍布，誘發(fā)了大規(guī)模的滾石地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致部分房屋、車輛被損毀，道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施被破壞，交通干道被迫中斷，給人民生命財(cái)產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)等造成了嚴(yán)重的損失和安全隱患［1-2］，如圖1所示。因此，對(duì)于滾石災(zāi)害防護(hù)已成為保障人民生命財(cái)產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施順利建設(shè)與運(yùn)營(yíng)安全亟需解決的難題。

圖1 典型滾石沖切破壞建（構(gòu)）筑物地質(zhì)災(zāi)害[2]Fig.1 Typical geohazards of rockfalls impact where buildings or str uctur es wer e destr oyed

當(dāng)前，關(guān)于滾石地質(zhì)災(zāi)害的主要研究方法包括理論研究、物理模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。其中，理論研究雖能描述滾石運(yùn)動(dòng)前后速度及能量的變化，但是難以預(yù)測(cè)滾石運(yùn)動(dòng)軌跡；物理模型試驗(yàn)因存在縮尺效應(yīng)，不能完全重現(xiàn)滾石災(zāi)害過(guò)程，因而與實(shí)際相比存在較大誤差；現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)由于成本高、周期長(zhǎng)，因此很少有人開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)研究；數(shù)值模擬成本低、時(shí)間短，可模擬復(fù)雜工況，作為試驗(yàn)的補(bǔ)充手段，備受科研工作者的青睞。

何思明等［3］以彈塑性接觸理論為基礎(chǔ)，研究了滾石法向回彈系數(shù)與切向回彈系數(shù)的計(jì)算方法，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)基本方程，研究了滾石在坡面上的運(yùn)動(dòng)特征，并推導(dǎo)出相關(guān)計(jì)算公式。葉四橋等［4］通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了滾石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中法向恢復(fù)系數(shù)對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)路徑的影響。黃潤(rùn)秋等［5］開(kāi)展了滾石運(yùn)動(dòng)特征試驗(yàn)，分析了坡面特征對(duì)滾石停留位置的影響，以及坡面對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)時(shí)間和對(duì)不同形狀滾石的運(yùn)動(dòng)特性的影響，為危巖體防治時(shí)沖擊能量的確定提供了依據(jù)。裴向軍等［6］采用動(dòng)力有限元方法對(duì)滾石沖擊砂土墊層進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，分析了不同沖擊能量下多組砂土墊層厚度組合的動(dòng)力響應(yīng)及耗能緩沖機(jī)理，為滾石多發(fā)區(qū)棚洞結(jié)構(gòu)砂土墊層的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。王東坡等［7-8］通過(guò)靜力壓痕數(shù)值實(shí)驗(yàn)獲取了不同墊層結(jié)構(gòu)與滾石在加卸載條件下的接觸力-壓痕關(guān)系，并將其引入棚洞板的沖擊動(dòng)力控制方程中，進(jìn)而計(jì)算滾石沖擊荷載下不同墊層結(jié)構(gòu)棚洞板的動(dòng)力響應(yīng)，并與動(dòng)力有限元結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。王靜峰等［9］基于室外大尺度模型實(shí)驗(yàn)，建立了落石沖擊作用下EPS（Expanded Polystyrene，聚苯乙烯泡沫板）復(fù)合墊層鋼棚洞結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算模型，研究了復(fù)合墊層對(duì)落石沖擊的緩沖效果。

滾石防護(hù)主要可分為主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)，但由于山區(qū)地形條件限制，主動(dòng)防護(hù)往往難以實(shí)施，故工程上常采用棚洞、攔石墻和簾式網(wǎng)等被動(dòng)防護(hù)措施來(lái)減輕或避免滾石災(zāi)害對(duì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)沿線公路、鐵路等構(gòu)筑物造成損害。許多學(xué)者針對(duì)不同的防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了試驗(yàn)研究，Kishi N.等［10］通過(guò)原位試驗(yàn)研究了2種類型的混凝土棚洞在滾石沖擊下的極限抗沖擊能力。Lambert S.等［11］通過(guò)試驗(yàn)研究了在攔石墻前放置填充有碎石的賓格石籠，在滾石沖擊下其填料和邊界對(duì)土工格室的影響。Buzzi O.等［12］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了在低能級(jí)沖擊下簾式網(wǎng)的剛度及系統(tǒng)的耗能效果。Peila D.等［13］以重達(dá)9000 kg的混凝土塊以大約30 m/s的速度沖擊土工格柵加筋土攔石墻，研究由不同土工格柵類型和不同尺寸的攔石墻在不同的沖擊能量條件下的動(dòng)力響應(yīng)，從而對(duì)這些結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力進(jìn)行定量評(píng)估。OUY?ANG Chaojun等［14］采用有限元方法對(duì)落石沖擊的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析，研究了土工格柵加筋土與聚苯乙烯泡沫塑料結(jié)合的棚洞防護(hù)體系的抗沖擊性能。

現(xiàn)有研究大多是對(duì)滾石沖擊結(jié)構(gòu)物機(jī)理的探究，但對(duì)于滾石形狀和受沖擊結(jié)構(gòu)物形狀對(duì)滾石沖擊過(guò)程的影響方面的研究相對(duì)較少。本文將滾石和結(jié)構(gòu)物表面分別設(shè)置為4種不同的形狀，采用數(shù)值模擬研究方法探究滾石沖擊結(jié)構(gòu)物過(guò)程，并對(duì)比分析不同緩沖層對(duì)滾石沖擊的耗能效果。

1 滾石運(yùn)動(dòng)過(guò)程與數(shù)值模型建立

1.1 滾石運(yùn)動(dòng)過(guò)程

滾石是指各種石塊因某種原因從地質(zhì)體表面失穩(wěn)脫落后經(jīng)下落、回彈、跳躍、滾動(dòng)或滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式中的一種或幾種的組合沿著坡面向下快速運(yùn)動(dòng)，最后在較平緩的地帶或障礙物附近停止下來(lái)的一個(gè)動(dòng)力演化過(guò)程［1-5］，如圖2所示。

圖2 滾石運(yùn)動(dòng)示意Fig.2 Schematic diagram of rockfall movement

由圖2可以看出，滾石在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要是將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但是由于滾石在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與坡體表面發(fā)生碰撞或沿坡體表面滑動(dòng)會(huì)消耗部分能量，根據(jù)能量守恒原理，當(dāng)滾石沖擊構(gòu)筑物時(shí)，其沖擊能量將小于初始能量。本文主要運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)滾石沖擊構(gòu)筑物瞬態(tài)過(guò)程展開(kāi)研究。

1.2 數(shù)值模型建立

本文采用ABAQUS有限元軟件中的Explicit動(dòng)力有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。由于滾石形狀具有不確定性，不同形狀的滾石對(duì)結(jié)構(gòu)物的沖擊響應(yīng)特征差異較大。因此，本文研究的對(duì)象是不同形狀的滾石對(duì)平面墻狀構(gòu)筑物的沖擊動(dòng)力響應(yīng)特征，所以建立了如圖3所示的4種不同形狀的滾石模型，分別為正方體、圓柱體、球體和三棱錐；同時(shí)，建立的平面墻狀構(gòu)筑物模型的尺寸為2 m×2 m×0.5 m，為保證4種不同形狀滾石的體積一致，經(jīng)計(jì)算，在建模時(shí)正方體滾石模型的邊長(zhǎng)設(shè)為0.2 m，球體滾石模型的半徑設(shè)為0.124 m，圓柱滾石模型底面圓的半徑和高分別設(shè)為0.113 m和0.2 m；三棱錐滾石模型底面等邊三角形的邊長(zhǎng)和高分別設(shè)為0.525 m和0.2 m。

圖3 4種不同形狀滾石模型的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Modeled structures of four different shaped rockfalls

本文的另一研究對(duì)象是同一形狀滾石對(duì)具有不同表面形狀結(jié)構(gòu)物的沖擊響應(yīng)特征，設(shè)置了如圖4所示的4種具有不同表面的結(jié)構(gòu)物，即：波浪狀、斜面狀、凹面狀及凸面狀的結(jié)構(gòu)物。

圖4 4種不同表面形狀結(jié)構(gòu)物示意Fig.4 Schematic diagram of four structures with different sur face shapes

當(dāng)不同形狀的滾石沖擊不同表面的結(jié)構(gòu)物時(shí)，它們之間相互接觸的工況條件也不同。如圖5所示，以不同形狀的滾石沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物為例，當(dāng)正方體滾石沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物時(shí)，它們之間相互接觸的工況條件為“正方形平面-平面”；當(dāng)球體滾石沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物時(shí)，它們之間相互接觸的工況條件為“半球面-平面”；當(dāng)三棱錐滾石沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物時(shí)，它們之間相互接觸的工況條件為“錐尖面-平面”；當(dāng)圓柱滾石的底面沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物時(shí)，它們之間相互接觸的工況條件為“圓形平面-平面”；當(dāng)圓柱滾石的側(cè)面沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物時(shí)，它們之間相互接觸的工況條件為“半圓柱面-平面”。

圖5 不同滾石沖擊構(gòu)筑物原理Fig.5 Schematic diagr am of impact of str uctur es by differ ent r ockfalls

此外，為探究不同緩沖層對(duì)滾石沖擊的緩沖耗能效果，建立了如圖6所示的數(shù)值計(jì)算模型，圖6（b）為在平面墻狀結(jié)構(gòu)物前增設(shè)了厚度為0.3 m的緩沖層。將滾石約束成剛體并施加5 m/s的水平初速度，固定結(jié)構(gòu)物底面，并對(duì)緩沖層底面進(jìn)行位移約束，滾石、緩沖層和結(jié)構(gòu)物之間相互作用類型為表面與表面接觸。結(jié)構(gòu)物均設(shè)為混凝土材質(zhì)，采用Con?crete Dameged Plasticity模型；緩沖層分別設(shè)為砂土、泡沫鋁、EPS三種材質(zhì)，其中砂土采用Drucker-Prager模型，泡沫鋁和EPS采用Crushable Foam模型；混凝土、EPS、砂土的本構(gòu)模型可參見(jiàn)文獻(xiàn)［15］，泡沫鋁本構(gòu)模型可參見(jiàn)文獻(xiàn)［16］、［17］。表1為本文數(shù)值模擬研究各種材料的物理力學(xué)參數(shù)。

圖6 滾石沖擊結(jié)構(gòu)物的數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical calculation model of the structures impacted by rockfalls

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)[15-17]Table 1 Physical and mechanical par ameters of materials

2 不同形狀滾石沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物分析

2.1 滾石沖擊力分析

圖7為不同形狀滾石沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物的沖擊時(shí)程曲線，從圖中可以看出，5種工況下的沖擊力時(shí)程曲線差異較大；當(dāng)滾石形狀為正方體和圓柱體（底面）沖擊平面墻狀構(gòu)筑物時(shí)，沖擊力較其它工況更大，沖擊力峰值分別達(dá)到了1432.41、1089.47 k N；當(dāng)滾石形狀為圓柱體（側(cè)面）沖擊平面墻狀構(gòu)筑物時(shí)，沖擊力峰值為299.16 k N，但是相比于正方體和圓柱體滾石，其沖擊力峰值大幅減??；當(dāng)滾石形狀為球體沖擊平面墻狀構(gòu)筑物時(shí)，沖擊力較圓柱體（側(cè)面）時(shí)減小了5.2%，沖擊力峰值為283.66 k N；當(dāng)滾石形狀為三棱錐沖擊平面墻狀構(gòu)筑物時(shí)，沖擊力峰值僅為124.79 kN，較球體時(shí)減小了56.01%，是上述5種形狀滾石中沖擊力最小的。因此，在滾石地質(zhì)災(zāi)害中，滾石形狀對(duì)結(jié)構(gòu)物沖擊力的影響較大。在本文研究的滾石形狀中，沖擊力峰值大小依次是正方體＞圓柱體（底面）＞圓柱體（側(cè)面）＞球體＞三棱錐。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機(jī)理主要是：由于設(shè)置滾石的沖擊速度和質(zhì)量不變，當(dāng)不同形狀的滾石以同一速度沖擊相同結(jié)構(gòu)物時(shí)，其沖擊力主要受結(jié)構(gòu)物與滾石沖擊時(shí)接觸面積影響，當(dāng)不同形狀的滾石沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物時(shí)，它們之間的接觸面積越大則相應(yīng)的沖擊力越大，有效沖擊時(shí)長(zhǎng)越短，沖擊力時(shí)程曲線越尖銳，反之亦然，這與參考文獻(xiàn)［18］中得出的結(jié)論基本一致。

圖7 不同形狀滾石的沖擊力時(shí)程曲線Fig.7 Time histor y curve of impact for ce of the rockfalls with various shapes

2.2 結(jié)構(gòu)物位移變形分析

以結(jié)構(gòu)物中心受滾石沖擊后的單元位移變形情況來(lái)表征其承受滾石沖擊點(diǎn)的破壞程度。圖8為上述不同工況的結(jié)構(gòu)物中心承受滾石沖擊時(shí)的單元位移變形時(shí)程曲線，從圖中可以看出，各工況下的位移變形時(shí)程曲線都有上升、下降、趨于穩(wěn)定3個(gè)階段，符合經(jīng)典彈塑性理論的基本解釋，滾石沖擊結(jié)構(gòu)物過(guò)程主要由2部分組成，分別是典型彈塑性壓入階段和卸荷回彈階段，在典型彈塑性壓入階段又可分為彈性壓入階段和塑性壓入階段。不同工況下所達(dá)到最大位移的時(shí)間與達(dá)到?jīng)_擊力峰值的時(shí)間基本一致。不同形狀滾石對(duì)平面墻狀結(jié)構(gòu)物中心受沖擊時(shí)的單元位移變形量大小依次是三棱錐＞球體＞圓柱體（側(cè)面）＞正方體＞圓柱體（底面），其最大位移變形量分別為2.93、2.81、1.09、0.13及0.12 mm。因此，“錐尖面-平面”的沖擊方式對(duì)結(jié)構(gòu)物中心受滾石沖擊時(shí)的單元位移變形影響最大；其次是“半球面-平面”的沖擊方式，相比前者，其位移變形量減小了4.1%；而后是“半圓柱面-平面”的沖擊方式，其單元位移變形量較前兩者大幅減小，相對(duì)于“半球面-平面”的沖擊方式減小了61.2%；“平面-平面”的沖擊方式是單元位移變形量最小的工況，且圓柱體（底面）滾石沖擊的位移變形時(shí)程曲線與正方體滾石沖擊的位移變形時(shí)程曲線幾乎重合，且近乎為2條“水平線”，其最大位移變形量遠(yuǎn)小于其它工況。基于此，滾石的形狀對(duì)滾石沖擊平面墻狀結(jié)構(gòu)物中心時(shí)的單元位移變形量有較大影響，表現(xiàn)為當(dāng)滾石沖擊面形狀越尖銳，則結(jié)構(gòu)物受滾石沖擊處的位移變形量越大（結(jié)構(gòu)物越易被破壞），當(dāng)滾石形狀由“尖”變“鈍”時(shí)，結(jié)構(gòu)物受滾石沖擊處的位移變形量越小（結(jié)構(gòu)物越不易被破壞）。

圖8 結(jié)構(gòu)物承受不同滾石沖擊的單元位移變形時(shí)程曲線Fig.8 Time history curve of the unit displacement of the structur es impacted by various r ockfalls

為了更加清晰地觀察、對(duì)比分析不同形狀滾石沖擊結(jié)構(gòu)物中部位置時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)特征，將各模型進(jìn)行中心剖分，相應(yīng)的模型位移云圖如圖9所示，不難看出，當(dāng)滾石沖擊方式為“平面-平面”時(shí)（圖9a、圖9d），結(jié)構(gòu)物中心處的整體變形區(qū)域（綠色區(qū)域）更大，而當(dāng)滾石沖擊方式為“錐尖面-平面”時(shí)（圖9c），結(jié)構(gòu)物中心處的整體變形區(qū)域最小，而其它2種工況時(shí)（圖9b、圖9e）結(jié)構(gòu)物中心處的整體變形區(qū)域大體一致，且介于上述2種工況之間。因此，滾石的形狀對(duì)結(jié)構(gòu)物沖擊變形的范圍也有較大的影響，總體表現(xiàn)為當(dāng)滾石沖擊面形狀越“鈍”，則結(jié)構(gòu)物內(nèi)部產(chǎn)生的變形區(qū)域越大，當(dāng)沖擊面形狀越“尖”，則結(jié)構(gòu)物內(nèi)部產(chǎn)生的變形區(qū)域越小。

圖9 不同形狀滾石沖擊結(jié)構(gòu)物時(shí)的中心剖分模型位移云圖Fig.9 Displacement contours of the central subdivision models when rockfalls with different shapes impact structures

3 滾石沖擊不同表面形狀結(jié)構(gòu)物分析

建立的滾石沖擊不同表面形狀結(jié)構(gòu)物的數(shù)值計(jì)算模型如圖6（a）所示。為進(jìn)一步探究滾石沖擊過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)特征，建立了如圖4所示的4種不同表面形狀的結(jié)構(gòu)物，并將滾石形狀均設(shè)為正方體。

3.1 滾石沖擊力分析

圖10為不同表面形狀結(jié)構(gòu)物工況下的滾石沖擊力時(shí)程曲線，可以看出，4種結(jié)構(gòu)物表面形狀相對(duì)于平面時(shí)的沖擊力峰值（1432.41 kN）都有所減小，沖擊力峰值大小依次為凸面（914.13 kN）＞凹面（740.05 kN）＞波浪面（456.29 kN）＞斜面（262.46 kN），它們分別減少了36.18%、48.34%、68.15%和81.68%，其中，斜面狀結(jié)構(gòu)物的滾石沖擊力時(shí)程曲線峰值出現(xiàn)了2次，這是由于正方體滾石在接觸斜面時(shí)先是滾石的下部與之接觸，使?jié)L石發(fā)生偏轉(zhuǎn)，繼而滾石的上部再次與之碰撞，且2次的沖擊力峰值相差不大。

圖10 不同表面形狀結(jié)構(gòu)物工況下的滾石沖擊力時(shí)程曲線Fig.10 Time history curve of rockfall impact force on the str uctures with var ious shapes

3.2 結(jié)構(gòu)物位移變形分析

圖11為上述各工況下不同表面結(jié)構(gòu)物中心受滾石沖擊時(shí)單元位移變形量時(shí)程曲線。其中，波浪狀表面的結(jié)構(gòu)物在受滾石沖擊時(shí)所達(dá)到的位移峰值（0.93 mm）最大；斜面和凹面狀結(jié)構(gòu)物在受滾石沖擊時(shí)的位移峰值基本相當(dāng)（分別為0.60、0.59 mm），對(duì)比表面形狀為波浪狀時(shí)，其位移峰值約降低了35.5%；凸面狀結(jié)構(gòu)物在受滾石沖擊時(shí)的位移峰值為0.39 mm，其較波浪狀表面結(jié)構(gòu)物降低了58.1%，較斜面和凹面狀結(jié)構(gòu)物約降低了35%；平面狀結(jié)構(gòu)物受滾石沖擊時(shí)的位移峰值最?。?.13 mm），較凸面狀結(jié)構(gòu)物降低了66.7%。上述情況表明，當(dāng)滾石沖擊不同表面結(jié)構(gòu)物時(shí)，其受沖擊區(qū)域破壞程度大小依次是波浪面＞斜面＞凹面＞凸面＞平面。

圖11 不同表面結(jié)構(gòu)物受滾石沖擊時(shí)單元位移變形時(shí)程曲線Fig.11 Time history curve of the unit displacement of the structures with various shapes impacted by rockfalls

圖12為正方體滾石沖擊不同表面形狀結(jié)構(gòu)物時(shí)的中心剖分模型位移云圖，可以看出：對(duì)于表面形狀為凹面和凸面狀的2種結(jié)構(gòu)物，在承受滾石沖擊時(shí)的整體變形區(qū)域較大，而對(duì)于表面形狀為波浪面和斜面狀的2種結(jié)構(gòu)物，在承受滾石沖擊時(shí)出現(xiàn)的整體變形區(qū)域小于前兩者。

圖12 正方體滾石沖擊不同表面形狀結(jié)構(gòu)物時(shí)的中心剖分模型位移云圖Fig.12 Displacement contours of the central division models when the cube rockfall impacts the structures with different surface shapes

綜上所述，對(duì)于表面形狀為凹面、凸面、波浪面和斜面狀的結(jié)構(gòu)物，斜面狀的結(jié)構(gòu)物具有更好的抵抗?jié)L石沖擊性能，雖然當(dāng)其遭受滾石沖擊后的位移變形量（約為0.47 mm）略大于平面狀的結(jié)構(gòu)物，但在上述4種表面形狀的結(jié)構(gòu)物中，斜面狀具有沖擊力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于施工、節(jié)省材料及遭受滾石沖擊時(shí)形成的整體變形區(qū)域很小等眾多優(yōu)點(diǎn)。

4 滾石沖擊不同緩沖層分析

為減輕滾石沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)物造成嚴(yán)重?fù)p害，現(xiàn)有研究多是在被保護(hù)結(jié)構(gòu)（或滾石被動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu)）前設(shè)置各種材質(zhì)的緩沖層以降低滾石沖擊力對(duì)結(jié)構(gòu)物的損傷。將目前常用的EPS泡沫墊層、砂土墊層、泡沫鋁墊層及EPS-砂土復(fù)合墊層4種緩沖材料的緩沖性能進(jìn)行比較分析，對(duì)于EPS-砂土復(fù)合墊層，EPS置于結(jié)構(gòu)物和砂土之間。采用的數(shù)值計(jì)算模型如圖6（b）所示。

4.1 滾石沖擊力分析

圖13為不同緩沖層下的滾石沖擊力時(shí)程曲線，從中可以看出，在緩沖層的耗能作用下滾石的沖擊力被大幅削減。將各緩沖層作用下結(jié)構(gòu)物所受最大沖擊力大小排序依次為泡沫鋁緩沖層（129.96 kN）＞砂土緩沖層（110.76 k N）＞EPS-砂土復(fù)合緩沖層（45.24 kN）＞EPS緩沖層（19.86 kN）。

圖13 不同緩沖層下的滾石沖擊力時(shí)程曲線Fig.13 Time history curve of rockfall impact force for various buffer layers

因此，泡沫鋁和砂土緩沖層對(duì)滾石沖擊力的緩沖效果比另外2種緩沖層差，EPS和EPS-砂土復(fù)合緩沖層的緩沖效果較優(yōu)。

4.2 緩沖層的緩沖性能分析

圖14為設(shè)置不同緩沖層后滾石沖擊結(jié)構(gòu)物時(shí)的中心剖分模型位移云圖，從圖中可以看出，當(dāng)在結(jié)構(gòu)物前分別設(shè)置泡沫鋁和砂土緩沖層后，結(jié)構(gòu)物受滾石沖擊處的位移變形量略大于在結(jié)構(gòu)物前設(shè)置EPS-砂土復(fù)合緩沖層和EPS緩沖層時(shí)的工況。對(duì)比在結(jié)構(gòu)物前無(wú)緩沖層，以及在結(jié)構(gòu)物前設(shè)置EPS-砂土復(fù)合緩沖層和EPS緩沖層時(shí)的3種工況，可知結(jié)構(gòu)物受滾石沖擊區(qū)域的位移變形量減小顯著。結(jié)合前述各緩沖層對(duì)滾石沖擊力的緩沖耗能效果進(jìn)行對(duì)比分析，可知EPS-砂土復(fù)合緩沖層和EPS緩沖層均為較優(yōu)良的緩沖層型式，但EPS緩沖層在實(shí)際工程應(yīng)用中尚有不足，當(dāng)滾石沖擊能級(jí)較大時(shí)，其極易發(fā)生破碎且不便清理，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，且其被破壞后需要及時(shí)更換，導(dǎo)致工程綜合成本增加，耗費(fèi)人力、物力，而EPS-砂土緩沖層在受滾石沖擊時(shí)，由砂土率先消耗掉大部分的滾石沖擊能量，再由EPS墊層承受由砂土緩沖后剩余的滾石沖擊能量，由于砂土墊層的設(shè)置可大幅消減滾石對(duì)EPS緩沖墊層的直接沖切破壞，因而在實(shí)際工程中EPS-砂土緩沖層為一種更有廣闊應(yīng)用前景的緩沖墊層型式。

圖14 設(shè)置不同緩沖層后滾石沖擊結(jié)構(gòu)物時(shí)的中心剖分模型位移云圖Fig.14 Displacement contours of the central subdivision models when rockfalls impact structures with different buffer layers

5 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用ABAQUS有限元軟件中的Explicit動(dòng)力有限元方法對(duì)滾石沖擊結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究，就本文研究假設(shè)的4種形狀和幾何尺寸的滾石建立的單一幾何體模型而言，可得出以下主要結(jié)論：

（1）不同形狀滾石對(duì)平面墻狀結(jié)構(gòu)物的沖擊力峰值大小依次是正方體＞圓柱體（底面）＞圓柱體（側(cè)面）＞球體＞三棱錐；滾石沖擊面形狀越尖銳，結(jié)構(gòu)物受滾石沖擊處的破壞程度越嚴(yán)重，但結(jié)構(gòu)物內(nèi)部整體變形區(qū)域越?。划?dāng)滾石沖擊面形狀由“尖”變“鈍”時(shí)，結(jié)構(gòu)物受滾石沖擊處的破壞程度變小，但整體變形區(qū)域變大。

（2）正方體滾石沖擊不同表面形狀結(jié)構(gòu)物時(shí)，各形狀結(jié)構(gòu)物所受滾石沖擊力峰值大小依次是平面＞凸面狀＞凹面狀＞波浪面狀＞斜面狀；其受沖擊區(qū)域破壞程度大小依次是波浪面＞斜面＞凹面＞凸面＞平面；凹面狀和凸面狀結(jié)構(gòu)物在受滾石沖擊時(shí)的整體變形區(qū)域較大，而波浪面狀和斜面狀結(jié)構(gòu)物形成的整體變形區(qū)域較?。幌啾榷?，斜面狀結(jié)構(gòu)物具有較好的抗?jié)L石沖擊性能。

（3）對(duì)不同緩沖層的滾石沖擊緩沖耗散性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出EPS-砂土復(fù)合緩沖層和EPS緩沖層的緩沖性能較優(yōu)，但在工程實(shí)際應(yīng)用中EPS緩沖層易被滾石沖切破壞，還會(huì)造成環(huán)境污染，因而EPS-砂土緩沖層為一種工程實(shí)際中更有廣闊應(yīng)用前景的緩沖墊層型式。

（4）本文提出的滾石模型均為規(guī)則樣式，得到的相關(guān)結(jié)果和結(jié)論可為實(shí)際的滾石災(zāi)害防護(hù)提供一定的指導(dǎo)依據(jù)，但在實(shí)際的滾石地質(zhì)災(zāi)害中，其形狀較為復(fù)雜多樣且不規(guī)則，使得其運(yùn)動(dòng)和沖擊特性更為復(fù)雜，在后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)非規(guī)則滾石沖擊結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)特征的探究。