高位落石作用下不同缓冲层与钢筋混凝土板组合结构动力响应

吴建利，胡卸文,2，梅雪峰，许泽鹏

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031)

高位崩塌落石灾害是山区三大地质灾害之一，是指岩石块体从母体脱离后以滚动、滑动、弹跳等多种运动方式沿坡面快速运动，最终堆积在坡脚平缓地带或遇障碍物阻挡而静止的动力演化过程。针对高位崩塌落石突发、高能的动力特性，大量的主动和被动防护措施被提出及使用[1-3]。传统的混凝土棚洞结构和针对2013年“4.20”芦山震区提出的新型桩板拦石墙由于刚度大、抗冲击性能好被广泛应用[4]。典型的棚洞结构及桩板拦石墙均属于刚性结构，如果落石与混凝土结构直接接触不仅会造成防护结构刚性破坏，还可能发生较大的反弹或破碎飞溅造成二次危害。为解决这一问题，通常在混凝土棚洞顶板处或桩板拦石墙靠内坡侧增加消能分配层，从而避免落石与刚性圬工结构发生直接接触。不同的缓冲层材料在受到冲击荷载时表现出不同的动力响应特征。砂土或碎石土作为一种多孔、松散、易压缩且廉价易获取的材料被广泛使用[5-6]。杨爱武等[7]研究了冲击荷载作用下结构性软黏土的力学特征。Boguslavskii[8]描述了钢质弹体撞击砂土的现象。Kawahara[9]通过小型模型试验研究了砂质土壤干密度和厚度对落石冲击响应的影响。Visco[10]基于数值模拟，证实了散体内部单位面积上传递的动能随深度的增加而减小。Seamen[11]采用落锤试验，研究了高岭土和黏土中应力波传播规律。于潇等[12]认为，土颗粒级配决定了应力波衰减系数、峰值压力等。Krauthammer[13]研究表明，土颗粒越小峰值应力衰减越快，耗能效果越好。除此之外，郭江等[14]基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件研究了棚洞结构顶板倾角能在一定程度上减小落石冲击最大等效应力。Kishi[15]、Mougin[16]、Peng[17]等开展了混凝土结构系列冲击试验，并分析了动荷载作用下混凝土结构的破坏形式，但这些研究仅涉及混凝土结构的单一性分析，不能综合考虑缓冲层与混凝土结构的协同工作性能，这势必带来实际应用局限性。此外，实际工程中，作为缓冲层的土体一般为现场挖方，对于工程量较大的防护措施，往往需要大体积土方，如果对内侧较陡边坡开挖取土易造成滑坡等次生灾害，因此有必要找到其他消能材料来代替部分土体，一方面可以减轻结构自重，另一方面也可避免因开挖过度造成次生灾害。

EPS泡沫材料(Expanded Polystyrene)具有自重小、缓冲性能好的特点，利用泡沫材料代替部分砂土形成组合垫层来提高刚性结构抗冲击能力，确保钢筋混凝土结构处于弹性工作状态，从而增加防护结构的耐久性。目前对于EPS泡沫和砂土组合垫层高能冲击作用下的缓冲性能试验研究较少，多数学者采用数值模拟对EPS的缓冲性能进行研究并取得了理想的缓冲效果[18-20]，但是数值模拟与实际应用存在较大差异，缺乏可靠的物理试验模型验证。基于上述问题，本文设计了落石冲击试验平台，进行了系列落石冲击试验，对比了砂、碎石土及EPS-砂组合缓冲层的缓冲性能，研究了不同缓冲材料的缓冲性能差异，对于工程结构设计具有重要的参考价值。

1 试验方案设计

设计了用于研究落石冲击上覆缓冲层的RC板试验平台(图1)。基于典型钢筋混凝土棚洞、桩板拦石墙结构，制作强度等级为C30的钢筋混凝土板，设计RC板长2.4 m、宽1.6 m、厚0.35 m。混凝土采用42.5级硅酸盐水泥，粗骨料采用粒径为5～15 mm连续级配的碎石，细骨料为天然河砂，配合比为水泥∶水∶砂∶石=1∶0.5∶1.5∶2.8，板内垂直正交上下铺设2层D=14 mm@200 mm钢筋网，混凝土保护层厚20 mm。落石锤由钢模浇注混凝土而成，包括2个球块，编号R1、R3，半径分别为0.15，0.20 m，质量分别为32.4，70.7 kg；2个立方体块，编号R2、R4，边长为0.35，0.50 m，质量分别为107.3，290.0 kg。落锤内放置加速度传感器用于采集冲击过程中的加速度变化曲线，RC板下表面及内部钢筋均粘贴应变片用于获取冲击过程应变响应特征，应变片的粘贴方式见图2，其中编号S6—S8为下层钢筋应变片，S9—S11为上层钢筋应变片。板下表面中心点放置位移传感器用于监测板位移变化。

图1 落石冲击试验台Fig.1 Impact test set-up

图2 RC板应变片布置(单位:mm)Fig.2 Strain gauges (mm)

本次实验设计3种缓冲层材料，分别是砂、碎石土、EPS-砂组合层，其中砂为颗粒均匀河砂，碎石土为现场挖方取土。对2种试样进行室内土工试验，其中碎石土密度为1.54 g/cm3，含水率5.39%，砂密度为1.46 g/cm3，含水率2.5%。采用筛分法对碎石土及砂进行常规级配测试(图3)。在进行碎石土缓冲层试验时，为保证试样的均匀性，适当剔除较大块石。铺设于RC板面的土体按每20 cm施加相同的压力击实10次，每次冲击试验完后，挖除比冲击影响范围更大的土体并按相同的压力及击实次数重新恢复。试验工况见表1。

图3 碎石土及砂颗粒级配Fig.3 Particle size distribution of gravel soil and sand

表1 试验工况

图4 冲击加速度时程曲线Fig.4 Time history curve of impact acceleration

2 试验结果与分析

2.1 加速度及冲击力分析

为方便分析，文中工况编号统一为：落石锤编号-缓冲层厚度-冲击高度，如R1-0.2 m+0.1 m-6 m代表R1落石锤-0.2 m厚EPS+0.1 m厚砂-6 m冲击高度。选取典型的冲击加速度时程曲线(图4)，结果表明，加速度时程曲线变化趋势一致，总体可分为上升(压缩)和下降(回弹)两个阶段。当落石撞击缓冲层时，加速度迅速增大，随后因缓冲层结构的阻尼特性由最大值减小并最终趋于0。在EPS-砂组合缓冲层的加速度曲线中观察到由于落石反弹造成多峰现象。分析R3落锤在4 m及6 m冲击高度、总厚度为0.3 m缓冲层试验结果表明，相同冲击高度工况下，3种材料缓冲层表面最大加速度之间的大小关系为砂>土>EPS-砂，表明EPS-砂的缓冲效果最好。表2为其他冲击高度下的峰值加速度、冲击接触时长、最大冲击力结果。总体上，冲击接触时长随冲击高度的增加而减小，峰值加速度与接触时间负相关，其他条件相同时，缓冲效果最佳的EPS-砂组合层峰值冲击力最小，接触时间最长，组合缓冲层能够延长落石碰撞时间，从而有效减小最大冲击力。以上结果表明，EPS-砂组合层缓冲消能效果最优，其次为碎石土，砂最差。

表2 不同材料缓冲层最大冲击力及接触时间

图5为R1，R2，R3落石锤在不同的冲击高度下砂、EPS-砂组合缓冲层冲击峰值加速度随高度变化曲线。结果表明，峰值加速度与冲击高度呈正相关，这一结果与目前的研究结论一致[21-22]。采用高速摄像仪获取到EPS-砂组合缓冲层冲击全过程(图6)，相对于砂、碎石土而言，组合缓冲层冲击接触时间最长且冲击过程发生多次大幅反弹，EPS对上覆散体颗粒巨大的反作用力造成颗粒飞溅，这是组合缓冲层消能效果优于其他两种的原因之一。

图5 峰值加速度与冲击高度的关系Fig.5 Relationship between peak acceleration and falling height

2.2 EPS变形破坏特征

图7为EPS最终破坏形态，2层EPS均发生严重破坏，其中冲击中心破裂区全部下陷，上层形成0.6 m×0.4 m的椭球状弹坑，下层EPS中心破裂区形成0.4 m近球状弹坑，下层完整性好于上层且下陷深度更小。上、下层EPS均沿弹坑边缘形成多条辐射状裂缝，且上层裂缝密集度与延伸长度均大于下层。以上分析表明，EPS-砂组合缓冲层具有更多的能量耗散形式，从而比其他两种材料缓冲效果更好。但EPS容易产生塑性破坏具有易损性，完全采用EPS单一材料作为缓冲层是不可取的，需上覆砂、土类材料以增加结构整体的耐久性。

2.3 RC板应变及位移特征

通过板底及内部钢筋应变片获取冲击过程中的应变时程曲线。缓冲层总厚度为0.3 m、R2落石锤在7 m冲击高度下，砂缓冲层、EPS-砂组合缓冲层应变时程曲线见图8。总体上钢筋应变大于混凝土应变，沿板长度方向(x向)应变大于宽度方向(y向)。以板中心点x方向为例，其他冲击条件相同时，中心点(S2)应变值在砂缓冲层时为92 με，在组合缓冲层时为33 με，后者减小了64%。对钢筋应变而言，下层钢筋S6应变最大，其中砂缓冲层产生900 με的拉应变，组合缓冲层产生550 με，后者减小了39%。钢筋及混凝土的应变特征表明，组合缓冲层比砂缓冲层更能有效控制板的变形，消能效果更优。此外，对于砂缓冲层，钢筋及混凝土均产生较大的残余应变，而采用组合缓冲层时基本无残余应变。试验过程中为了防止混凝土板提前破坏，试验顺序按落石锤质量由小到大进行。图9为RC板在3种不同缓冲层冲击工况下混凝土板跨中位移特征。结果表明，板下表面中心点位移随冲击高度增加而增大，R2落石锤在3,5,7 m冲击工况下，缓冲层为砂和EPS-砂时RC板最大位移值分别为0.9,2.2，3.8 mm和1.1，1.6，2.0 mm，总体上组合缓冲层能更好地抑制板的变形。在以上6种冲击工况下板仍处于弹性变形阶段，残余变形基本为0。当使用质量更大的R4落石锤，缓冲层为0.3 m厚碎石土时，位移进一步增大且发生明显的塑性变形，此时板跨中产生宽度小于1 mm肉眼可见裂缝(图10a、b)。随着冲击高度增大，裂缝由下向上扩展且宽度进一步增大，但是整体上板的变形破坏不明显。

图6 EPS-砂组合缓冲层变形破坏试验过程Fig.6 Test impact process of the EPS-sand composite cushion

图7 组合缓冲层下的EPS破坏特征Fig.7 EPS damage feature under the composite cushion

为进一步观察板的变形破坏模式，采用质量为290 kg的R4落石锤进行3～7 m冲击高度试验，跨中位移总量及塑性变形明显增大，在0.3，0.2，0.1 m缓冲层厚度下，板跨中位移分别为21，24，29 mm。其中在0.3 m及0.2 m缓冲层厚度冲击下，板跨中裂缝已由板底下表面扩展至上表面，裂缝宽度增加到18 mm(图10c)。进一步减小缓冲层厚度至0.1 m，跨中裂缝宽度急剧增大到50 mm(图10d)，最终在板上表面纵向中轴线两侧对称范围内发生局部压溃及向下挠曲。表3统计了R4 落石锤在3～7 m、3种不同缓冲层冲击工况下对应的冲击加速度、冲击力及不同冲击高度下的总位移及对应的残余变形，其中在R4落石锤冲击时，由于RC板下表面中点应变片处的混凝土发生崩落，因此仅统计了下层钢筋S6位置处应变。结果表明，应变随冲击能量的增大而增大，随缓冲层厚度减小而增大。钢筋始终处于受拉状态，这对于抑制板的变形是有利的。在缓冲层厚度为0.1 m、冲击高度为7 m时，钢筋的最大应变为1 972 με，其中塑性应变为1 605 με，占总应变的81.4%，表明钢筋已经超出了弹性范围，产生了较大的塑性变形。此外对R4落石锤加速度及冲击力分析表明，同一落锤在其他条件相同时，随缓冲层厚度减小，落石锤加速度(冲击力)明显增大，因此缓冲层厚度对冲击力的影响是客观存在的，目前一些冲击力计算公式没有考虑缓冲层厚度的影响，可能会导致计算结果失败[23,9]，这可能是目前一些已建棚洞及拦石墙时有破坏的主要原因之一。

图8 R2落石锤7 m冲击高度下的应变特征Fig.8 Strain characteristics of R2 rockfall at the falling height of 7 m

图9 不同缓冲层下RC板跨中位移特征Fig.9 RC plate mid-displacement characteristics of different cushion layers

图10 RC板变形破坏特征Fig.10 RC plate deformation and failure characteristics

汇总R4落锤在碎石土缓冲层厚0.3，0.2，0.1 m冲击工况下残余变形量(图11)，可见3种厚度的缓冲层残余变形量分别为12.6，17.8，23.2 mm，合计53.6 mm。板最终破坏模式属于弯曲变形破坏。

图11 不同厚度土缓冲层RC板跨中累计残余变形Fig.11 Mid-span cumulative residual deformation character-istics of the RC plate of grave soil of different thicknesses

表3 不同厚度碎石土缓冲层R4落锤冲击下的加速度、应变、位移

3 结论

(1)相同厚度及材料的缓冲层在相同落石锤冲击作用下，峰值加速度与冲击高度呈正相关，与砂缓冲层、碎石土缓冲层相比，EPS-砂组合缓冲层能够明显减小落石加速度(冲击力)，3种材料的消能效果由好到差分别为EPS-砂>碎石土>砂。

(2)与落石冲击碎石土缓冲层、砂缓冲层相比，冲击EPS-砂组合缓冲层时接触时间更长、反弹次数更多、反弹高度更大，EPS对上覆砂颗粒的反作用力使得砂粒大量被弹射飞溅，这是组合垫层消能效果优于其他两种的原因之一。

(3)较之砂缓冲层，EPS-砂组合缓冲层更能有效减小RC板的跨中位移，在3，5，7 m冲击高度下，跨中位移减小了37%～46%。R4落石锤冲击0.3 m厚碎石土缓冲层时，板跨中处开始产生明显可见的裂缝，进一步减小缓冲层厚度，跨中裂缝自下而上贯通，宽度急剧增大，混凝土板的破坏模式为弯曲变形破坏。