高位落石作用下不同緩沖層與鋼筋混凝土板組合結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)

吳建利，胡卸文,2，梅雪峰，許澤鵬

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031)

高位崩塌落石災(zāi)害是山區(qū)三大地質(zhì)災(zāi)害之一，是指巖石塊體從母體脫離后以滾動、滑動、彈跳等多種運動方式沿坡面快速運動，最終堆積在坡腳平緩地帶或遇障礙物阻擋而靜止的動力演化過程。針對高位崩塌落石突發(fā)、高能的動力特性，大量的主動和被動防護(hù)措施被提出及使用[1-3]。傳統(tǒng)的混凝土棚洞結(jié)構(gòu)和針對2013年“4.20”蘆山震區(qū)提出的新型樁板攔石墻由于剛度大、抗沖擊性能好被廣泛應(yīng)用[4]。典型的棚洞結(jié)構(gòu)及樁板攔石墻均屬于剛性結(jié)構(gòu)，如果落石與混凝土結(jié)構(gòu)直接接觸不僅會造成防護(hù)結(jié)構(gòu)剛性破壞，還可能發(fā)生較大的反彈或破碎飛濺造成二次危害。為解決這一問題，通常在混凝土棚洞頂板處或樁板攔石墻靠內(nèi)坡側(cè)增加消能分配層，從而避免落石與剛性圬工結(jié)構(gòu)發(fā)生直接接觸。不同的緩沖層材料在受到?jīng)_擊荷載時表現(xiàn)出不同的動力響應(yīng)特征。砂土或碎石土作為一種多孔、松散、易壓縮且廉價易獲取的材料被廣泛使用[5-6]。楊愛武等[7]研究了沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)性軟黏土的力學(xué)特征。Boguslavskii[8]描述了鋼質(zhì)彈體撞擊砂土的現(xiàn)象。Kawahara[9]通過小型模型試驗研究了砂質(zhì)土壤干密度和厚度對落石沖擊響應(yīng)的影響。Visco[10]基于數(shù)值模擬，證實了散體內(nèi)部單位面積上傳遞的動能隨深度的增加而減小。Seamen[11]采用落錘試驗，研究了高嶺土和黏土中應(yīng)力波傳播規(guī)律。于瀟等[12]認(rèn)為，土顆粒級配決定了應(yīng)力波衰減系數(shù)、峰值壓力等。Krauthammer[13]研究表明，土顆粒越小峰值應(yīng)力衰減越快，耗能效果越好。除此之外，郭江等[14]基于ANSYS/LS-DYNA有限元軟件研究了棚洞結(jié)構(gòu)頂板傾角能在一定程度上減小落石沖擊最大等效應(yīng)力。Kishi[15]、Mougin[16]、Peng[17]等開展了混凝土結(jié)構(gòu)系列沖擊試驗，并分析了動荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式，但這些研究僅涉及混凝土結(jié)構(gòu)的單一性分析，不能綜合考慮緩沖層與混凝土結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能，這勢必帶來實際應(yīng)用局限性。此外，實際工程中，作為緩沖層的土體一般為現(xiàn)場挖方，對于工程量較大的防護(hù)措施，往往需要大體積土方，如果對內(nèi)側(cè)較陡邊坡開挖取土易造成滑坡等次生災(zāi)害，因此有必要找到其他消能材料來代替部分土體，一方面可以減輕結(jié)構(gòu)自重，另一方面也可避免因開挖過度造成次生災(zāi)害。

EPS泡沫材料(Expanded Polystyrene)具有自重小、緩沖性能好的特點，利用泡沫材料代替部分砂土形成組合墊層來提高剛性結(jié)構(gòu)抗沖擊能力，確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，從而增加防護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性。目前對于EPS泡沫和砂土組合墊層高能沖擊作用下的緩沖性能試驗研究較少，多數(shù)學(xué)者采用數(shù)值模擬對EPS的緩沖性能進(jìn)行研究并取得了理想的緩沖效果[18-20]，但是數(shù)值模擬與實際應(yīng)用存在較大差異，缺乏可靠的物理試驗?zāi)Ｐ万炞C?；谏鲜鰡栴}，本文設(shè)計了落石沖擊試驗平臺，進(jìn)行了系列落石沖擊試驗，對比了砂、碎石土及EPS-砂組合緩沖層的緩沖性能，研究了不同緩沖材料的緩沖性能差異，對于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的參考價值。

1 試驗方案設(shè)計

設(shè)計了用于研究落石沖擊上覆緩沖層的RC板試驗平臺(圖1)。基于典型鋼筋混凝土棚洞、樁板攔石墻結(jié)構(gòu)，制作強(qiáng)度等級為C30的鋼筋混凝土板，設(shè)計RC板長2.4 m、寬1.6 m、厚0.35 m?；炷敛捎?2.5級硅酸鹽水泥，粗骨料采用粒徑為5～15 mm連續(xù)級配的碎石，細(xì)骨料為天然河砂，配合比為水泥∶水∶砂∶石=1∶0.5∶1.5∶2.8，板內(nèi)垂直正交上下鋪設(shè)2層D=14 mm@200 mm鋼筋網(wǎng)，混凝土保護(hù)層厚20 mm。落石錘由鋼模澆注混凝土而成，包括2個球塊，編號R1、R3，半徑分別為0.15，0.20 m，質(zhì)量分別為32.4，70.7 kg；2個立方體塊，編號R2、R4，邊長為0.35，0.50 m，質(zhì)量分別為107.3，290.0 kg。落錘內(nèi)放置加速度傳感器用于采集沖擊過程中的加速度變化曲線，RC板下表面及內(nèi)部鋼筋均粘貼應(yīng)變片用于獲取沖擊過程應(yīng)變響應(yīng)特征，應(yīng)變片的粘貼方式見圖2，其中編號S6—S8為下層鋼筋應(yīng)變片，S9—S11為上層鋼筋應(yīng)變片。板下表面中心點放置位移傳感器用于監(jiān)測板位移變化。

圖1 落石沖擊試驗臺Fig.1 Impact test set-up

圖2 RC板應(yīng)變片布置(單位:mm)Fig.2 Strain gauges (mm)

本次實驗設(shè)計3種緩沖層材料，分別是砂、碎石土、EPS-砂組合層，其中砂為顆粒均勻河砂，碎石土為現(xiàn)場挖方取土。對2種試樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，其中碎石土密度為1.54 g/cm3，含水率5.39%，砂密度為1.46 g/cm3，含水率2.5%。采用篩分法對碎石土及砂進(jìn)行常規(guī)級配測試(圖3)。在進(jìn)行碎石土緩沖層試驗時，為保證試樣的均勻性，適當(dāng)剔除較大塊石。鋪設(shè)于RC板面的土體按每20 cm施加相同的壓力擊實10次，每次沖擊試驗完后，挖除比沖擊影響范圍更大的土體并按相同的壓力及擊實次數(shù)重新恢復(fù)。試驗工況見表1。

圖3 碎石土及砂顆粒級配Fig.3 Particle size distribution of gravel soil and sand

表1 試驗工況

圖4 沖擊加速度時程曲線Fig.4 Time history curve of impact acceleration

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 加速度及沖擊力分析

為方便分析，文中工況編號統(tǒng)一為：落石錘編號-緩沖層厚度-沖擊高度，如R1-0.2 m+0.1 m-6 m代表R1落石錘-0.2 m厚EPS+0.1 m厚砂-6 m沖擊高度。選取典型的沖擊加速度時程曲線(圖4)，結(jié)果表明，加速度時程曲線變化趨勢一致，總體可分為上升(壓縮)和下降(回彈)兩個階段。當(dāng)落石撞擊緩沖層時，加速度迅速增大，隨后因緩沖層結(jié)構(gòu)的阻尼特性由最大值減小并最終趨于0。在EPS-砂組合緩沖層的加速度曲線中觀察到由于落石反彈造成多峰現(xiàn)象。分析R3落錘在4 m及6 m沖擊高度、總厚度為0.3 m緩沖層試驗結(jié)果表明，相同沖擊高度工況下，3種材料緩沖層表面最大加速度之間的大小關(guān)系為砂>土>EPS-砂，表明EPS-砂的緩沖效果最好。表2為其他沖擊高度下的峰值加速度、沖擊接觸時長、最大沖擊力結(jié)果。總體上，沖擊接觸時長隨沖擊高度的增加而減小，峰值加速度與接觸時間負(fù)相關(guān)，其他條件相同時，緩沖效果最佳的EPS-砂組合層峰值沖擊力最小，接觸時間最長，組合緩沖層能夠延長落石碰撞時間，從而有效減小最大沖擊力。以上結(jié)果表明，EPS-砂組合層緩沖消能效果最優(yōu)，其次為碎石土，砂最差。

表2 不同材料緩沖層最大沖擊力及接觸時間

圖5為R1，R2，R3落石錘在不同的沖擊高度下砂、EPS-砂組合緩沖層沖擊峰值加速度隨高度變化曲線。結(jié)果表明，峰值加速度與沖擊高度呈正相關(guān)，這一結(jié)果與目前的研究結(jié)論一致[21-22]。采用高速攝像儀獲取到EPS-砂組合緩沖層沖擊全過程(圖6)，相對于砂、碎石土而言，組合緩沖層沖擊接觸時間最長且沖擊過程發(fā)生多次大幅反彈，EPS對上覆散體顆粒巨大的反作用力造成顆粒飛濺，這是組合緩沖層消能效果優(yōu)于其他兩種的原因之一。

圖5 峰值加速度與沖擊高度的關(guān)系Fig.5 Relationship between peak acceleration and falling height

2.2 EPS變形破壞特征

圖7為EPS最終破壞形態(tài)，2層EPS均發(fā)生嚴(yán)重破壞，其中沖擊中心破裂區(qū)全部下陷，上層形成0.6 m×0.4 m的橢球狀彈坑，下層EPS中心破裂區(qū)形成0.4 m近球狀彈坑，下層完整性好于上層且下陷深度更小。上、下層EPS均沿彈坑邊緣形成多條輻射狀裂縫，且上層裂縫密集度與延伸長度均大于下層。以上分析表明，EPS-砂組合緩沖層具有更多的能量耗散形式，從而比其他兩種材料緩沖效果更好。但EPS容易產(chǎn)生塑性破壞具有易損性，完全采用EPS單一材料作為緩沖層是不可取的，需上覆砂、土類材料以增加結(jié)構(gòu)整體的耐久性。

2.3 RC板應(yīng)變及位移特征

通過板底及內(nèi)部鋼筋應(yīng)變片獲取沖擊過程中的應(yīng)變時程曲線。緩沖層總厚度為0.3 m、R2落石錘在7 m沖擊高度下，砂緩沖層、EPS-砂組合緩沖層應(yīng)變時程曲線見圖8?？傮w上鋼筋應(yīng)變大于混凝土應(yīng)變，沿板長度方向(x向)應(yīng)變大于寬度方向(y向)。以板中心點x方向為例，其他沖擊條件相同時，中心點(S2)應(yīng)變值在砂緩沖層時為92 με，在組合緩沖層時為33 με，后者減小了64%。對鋼筋應(yīng)變而言，下層鋼筋S6應(yīng)變最大，其中砂緩沖層產(chǎn)生900 με的拉應(yīng)變，組合緩沖層產(chǎn)生550 με，后者減小了39%。鋼筋及混凝土的應(yīng)變特征表明，組合緩沖層比砂緩沖層更能有效控制板的變形，消能效果更優(yōu)。此外，對于砂緩沖層，鋼筋及混凝土均產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)變，而采用組合緩沖層時基本無殘余應(yīng)變。試驗過程中為了防止混凝土板提前破壞，試驗順序按落石錘質(zhì)量由小到大進(jìn)行。圖9為RC板在3種不同緩沖層沖擊工況下混凝土板跨中位移特征。結(jié)果表明，板下表面中心點位移隨沖擊高度增加而增大，R2落石錘在3,5,7 m沖擊工況下，緩沖層為砂和EPS-砂時RC板最大位移值分別為0.9,2.2，3.8 mm和1.1，1.6，2.0 mm，總體上組合緩沖層能更好地抑制板的變形。在以上6種沖擊工況下板仍處于彈性變形階段，殘余變形基本為0。當(dāng)使用質(zhì)量更大的R4落石錘，緩沖層為0.3 m厚碎石土?xí)r，位移進(jìn)一步增大且發(fā)生明顯的塑性變形，此時板跨中產(chǎn)生寬度小于1 mm肉眼可見裂縫(圖10a、b)。隨著沖擊高度增大，裂縫由下向上擴(kuò)展且寬度進(jìn)一步增大，但是整體上板的變形破壞不明顯。

圖6 EPS-砂組合緩沖層變形破壞試驗過程Fig.6 Test impact process of the EPS-sand composite cushion

圖7 組合緩沖層下的EPS破壞特征Fig.7 EPS damage feature under the composite cushion

為進(jìn)一步觀察板的變形破壞模式，采用質(zhì)量為290 kg的R4落石錘進(jìn)行3～7 m沖擊高度試驗，跨中位移總量及塑性變形明顯增大，在0.3，0.2，0.1 m緩沖層厚度下，板跨中位移分別為21，24，29 mm。其中在0.3 m及0.2 m緩沖層厚度沖擊下，板跨中裂縫已由板底下表面擴(kuò)展至上表面，裂縫寬度增加到18 mm(圖10c)。進(jìn)一步減小緩沖層厚度至0.1 m，跨中裂縫寬度急劇增大到50 mm(圖10d)，最終在板上表面縱向中軸線兩側(cè)對稱范圍內(nèi)發(fā)生局部壓潰及向下?lián)锨?。?統(tǒng)計了R4 落石錘在3～7 m、3種不同緩沖層沖擊工況下對應(yīng)的沖擊加速度、沖擊力及不同沖擊高度下的總位移及對應(yīng)的殘余變形，其中在R4落石錘沖擊時，由于RC板下表面中點應(yīng)變片處的混凝土發(fā)生崩落，因此僅統(tǒng)計了下層鋼筋S6位置處應(yīng)變。結(jié)果表明，應(yīng)變隨沖擊能量的增大而增大，隨緩沖層厚度減小而增大。鋼筋始終處于受拉狀態(tài)，這對于抑制板的變形是有利的。在緩沖層厚度為0.1 m、沖擊高度為7 m時，鋼筋的最大應(yīng)變?yōu)? 972 με，其中塑性應(yīng)變?yōu)? 605 με，占總應(yīng)變的81.4%，表明鋼筋已經(jīng)超出了彈性范圍，產(chǎn)生了較大的塑性變形。此外對R4落石錘加速度及沖擊力分析表明，同一落錘在其他條件相同時，隨緩沖層厚度減小，落石錘加速度(沖擊力)明顯增大，因此緩沖層厚度對沖擊力的影響是客觀存在的，目前一些沖擊力計算公式?jīng)]有考慮緩沖層厚度的影響，可能會導(dǎo)致計算結(jié)果失敗[23,9]，這可能是目前一些已建棚洞及攔石墻時有破壞的主要原因之一。

圖8 R2落石錘7 m沖擊高度下的應(yīng)變特征Fig.8 Strain characteristics of R2 rockfall at the falling height of 7 m

圖9 不同緩沖層下RC板跨中位移特征Fig.9 RC plate mid-displacement characteristics of different cushion layers

圖10 RC板變形破壞特征Fig.10 RC plate deformation and failure characteristics

匯總R4落錘在碎石土緩沖層厚0.3，0.2，0.1 m沖擊工況下殘余變形量(圖11)，可見3種厚度的緩沖層殘余變形量分別為12.6，17.8，23.2 mm，合計53.6 mm。板最終破壞模式屬于彎曲變形破壞。

圖11 不同厚度土緩沖層RC板跨中累計殘余變形Fig.11 Mid-span cumulative residual deformation character-istics of the RC plate of grave soil of different thicknesses

表3 不同厚度碎石土緩沖層R4落錘沖擊下的加速度、應(yīng)變、位移

3 結(jié)論

(1)相同厚度及材料的緩沖層在相同落石錘沖擊作用下，峰值加速度與沖擊高度呈正相關(guān)，與砂緩沖層、碎石土緩沖層相比，EPS-砂組合緩沖層能夠明顯減小落石加速度(沖擊力)，3種材料的消能效果由好到差分別為EPS-砂>碎石土>砂。

(2)與落石沖擊碎石土緩沖層、砂緩沖層相比，沖擊EPS-砂組合緩沖層時接觸時間更長、反彈次數(shù)更多、反彈高度更大，EPS對上覆砂顆粒的反作用力使得砂粒大量被彈射飛濺，這是組合墊層消能效果優(yōu)于其他兩種的原因之一。

(3)較之砂緩沖層，EPS-砂組合緩沖層更能有效減小RC板的跨中位移，在3，5，7 m沖擊高度下，跨中位移減小了37%～46%。R4落石錘沖擊0.3 m厚碎石土緩沖層時，板跨中處開始產(chǎn)生明顯可見的裂縫，進(jìn)一步減小緩沖層厚度，跨中裂縫自下而上貫通，寬度急劇增大，混凝土板的破壞模式為彎曲變形破壞。