[发明专利]一种滚石的冲击力计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种滚石的冲击力计算方法，属于崩塌、落石防治工程、水利工程领域。

背景技术

崩塌、落石是一种发生在山区或公路边坡的自然现象。崩塌、落石发生后，巨大的石块滚落到山坡下或路边，对附近的居民住房、工厂等建筑设施，或公路等，都会造成极大的破坏。

目前国内外对滚石的冲击力计算研究，主要有3种方法：1)以滚石的能量计算其冲击力，但该方法没有考虑冲击物与被冲击物的材料特性，对于不同材料的冲击力计算缺乏准确性；2)以缓冲层的弹性模量等为主要考虑因素，考虑滚石速度、质量等参数计算冲击力，但没有考虑冲击物的材料特性，以及其他被冲击物的材料特性，其计算局限性很大；3)考虑了冲击物与被冲击物的材料特性(弹性模量等)，但计算公式的物理量量纲不和谐，其结果在不同的尺度下，会有较大的偏差。室内实验研究的结果比野外情况小3-6个数量级，但野外数据很难获得，因此一个室内研究且能在野外适用的计算冲击力模型显得非常重要，这也是崩塌和落石的防治工程设计的基础。

发明内容

针对现有滚石冲击力的计算方法中量纲不和谐的问题，本发明提供了一种量纲和谐、计算结果更准确的滚石冲击力的计算方法。

本发明所述的滚石的冲击力计算方法，包括以下步骤：

(1)获得滚石弹性模量E₁、被冲击物弹性模量E₂，根据公式一计算综合弹性模量E，

式中：

E——综合弹性模量,Pa，

E₁——滚石弹性模量,Pa，

E₂——被冲击物弹性模量,Pa

(2)估量滚石质量m、滚石运动速度V、滚石运动方向与被冲击物

的平面夹角θ,根据公式二计算滚石冲击力F，

F＝0.261(Em²V⁴)^1/3sin^0.5θ公式二

式中：

F——滚石冲击力，N

m——滚石质量，kg，

V——滚石运动速度，m/s，

θ——滚石运动方向与被冲击物的平面夹角，(°)。

冲击力与冲击物的质量、运动速度、弹性模量、冲击物运动方向和被冲击物的平面夹角有关，与被冲击物的弹性模量有关，这些物理量决定了冲击力的大小。

滚石弹性模量E₁、被冲击物弹性模量E₂可在实验室测量获得，也可查阅前人文献获得已测量的值。

滚石质量m、滚石运动速度V、滚石运动方向与被冲击物的平面夹角θ都可根据现场情况进行估量。

前人对冲击物与被冲击物的弹性模量和泊松比这几个物理量之间的关系已有研究(公式三)：

式中：

E₁——滚石弹性模量,Pa，

E₂——被冲击物弹性模量,Pa

μ₁——滚石泊松比

μ₂——被冲击物泊松比

本发明在公式三的基础上，通过大量的实验研究和理论推导，分别研究了冲击物的质量、运动速度、弹性模量、被冲击物的弹性模量、以及冲击物运动方向和被冲击物的平面夹角等因素与冲击力的关系。

因泊松比的范围大多在0.2-0.3之间，因此公式三的泊松比部分(1-μ²)影响较小，为简化研究，就舍去泊松比的影响(取μ＝0)，并考虑冲击物和被冲击物之间的作用可能是不一样的，于是得到综合的弹性模量：

式中，k——待定系数，由实验确定。