危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学响应的缩尺试验结构及方法与流程

本发明属于危岩落石防护，涉及危岩冲击棚洞垫层的缩尺试验技术，具体为危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学响应的缩尺试验结构及方法。

背景技术：

1、落石灾害常见于山区铁路、公路沿线边坡及洞口位置处，现场通常需修建棚洞结构以防范危岩落石危害。传统的棚洞结构一般采用混凝土垫层棚洞，例如申请号为cn202410674842.9的中国专利文献，其公开了一种横断山区高速公路钢波纹板防护棚洞的施工方法，包括以下步骤：s1、以行车道中线为基准在靠山侧开挖边坡，并进行挂网喷锚支护施工；s2、施做靠山侧扩大基础及半幅横向连梁；s3、在行车道中线另一侧施做桩基础、承台梁以及另外半幅横向连梁、仰拱；s4、施做钢波纹板内衬及恢复水沟、路面；s5、柱钢筋绑扎，柱对应环向位置环向主筋绑扎成环形骨架，且在环形骨架与钢波纹板内衬之间设置c30混凝土垫板；s6、混凝土浇筑，分为墙施工一段、边墙施工二段、拱肩施工以及拱顶施工，每个阶段施工过程中，浇筑高度控制在2.0m以内，且左右对称浇筑；s7、防排水施做、回填及侧窗部位钢波纹板拆除。由此可知，现有技术中所使用的棚洞垫层大都为混凝土垫层或混凝土垫板，混凝土垫层或混凝土垫板对于碎岩石可以很好地抵挡，但是由于混凝土垫层或混凝土垫板的缓冲性能差，当遭遇大能量落石冲击时往往不堪一击。

2、针对混凝土垫层或混凝土垫板不能很好地抗击大能量落石地冲击，现有技术中有研究人员提出利用柔性材质板作为垫层，以抗击大能量落球落石地冲击。但是柔性材质板作为垫层对大能量落石的抗冲击性能具体如何是未知的，且将柔性材质板作为垫层对棚洞立柱的支撑作用是否会有影响也是未知的，即现有技术中缺乏将柔性材质板作为垫层以抗击大能量落石冲击的相关试验研究和试验设备。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中所描述的，现有技术中缺乏将柔性材质板作为垫层以抗击大能量落石冲击的相关试验研究和试验设备，本发明将eva泡沫板垫层+砂土垫层作为柔性复合垫层进行棚洞防护结构的力学响应机理研究，以解决现有技术中缺乏将eva泡沫板垫层+砂土垫层作为柔性复合垫层以抗击大能量落球冲击的相关试验研究的技术问题。

2、本发明以砂土垫层与eva泡沫板垫层作为柔性复合垫层，对eva泡沫板垫层+砂土垫层形成的棚洞防护结构的力学响应进行了试验研究，以研究分析柔性复合垫层对大能量落球的抗冲击性能和对棚洞立柱的支撑作用，解决现有技术中缺乏将eva泡沫板垫层+砂土垫层作为柔性复合垫层以抗击大能量落石冲击的相关试验研究的技术问题。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

4、本发明的危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学响应的缩尺试验结构，包括立柱、顶板、柔性复合垫层和落球冲击产生机构；

5、所述顶板置于立柱的上方，所述顶板的上表面形成容置槽；所述立柱用于对顶板进行支撑；

6、所述柔性复合垫层包括砂土垫层和层叠设置的eva泡沫板垫层，所述eva泡沫板垫层和砂土垫层均置于所述容置槽内，且所述eva泡沫板垫层靠近容置槽底壁设置，所述砂土垫层铺设在eva泡沫板垫层上；

7、所述落球的冲击载荷作用在砂土垫层的上表面。

8、进一步限定，所述危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学响应的缩尺试验结构还包括托梁，所述托梁设置在立柱与顶板之间。

9、进一步限定，以落球的冲击点为原点，沿顶板的长度方向中心线上设置横向监测点，用于监测顶板的横向应变；沿顶板的宽度方向中心线上设置有纵向监测点，用于监测顶板的纵向应变。

10、进一步限定，所述立柱的底端设置有测试压力盒，用于监测立柱的压应变。

11、进一步限定，在砂土垫层厚度确定的情况下，所述eva泡沫板垫层的厚度应满足：

12、离原点最近的一个横向监测点处，顶板的横向应变y1与eva泡沫板垫层的厚度之间存在以下关系

13、y1＝116.55e-x/12.87-60.84

14、式中，x为eva泡沫板垫层厚度，单位：㎝；y1为顶板的横向应变，单位：με。

15、进一步限定，在砂土垫层厚度确定的情况下，所述eva泡沫板垫层的厚度应满足：

16、离原点最近的一个纵向监测点处，顶板的纵向应变y2与eva泡沫板垫层的厚度之间存在以下关系

17、y2＝67.77e-x/5.94-12.61

18、式中，x为eva泡沫板垫层厚度，单位：㎝；y2为顶板的纵向应变，单位：με。

19、进一步限定，所述eva泡沫板垫层的厚度应满足：

20、在立柱的底端，立柱的压应变与eva泡沫板垫层厚度之间存在以下关系

21、y3＝63.65-9.36x

22、式中，x为eva泡沫板垫层厚度，单位：㎝；y3为立柱的压应变，单位：με。

23、进一步限定，所述eva泡沫板垫层的厚度应满足：

24、所述落球上连接有加速度仪，在落球冲击的过程中，加速度仪的应变与eva泡沫板垫层厚度之间存在以下关系

25、y4＝1.678x+17.049

26、式中，x为eva泡沫板垫层厚度，单位：㎝；y4为加速度仪的应变，单位：με。

27、本发明还提供了一种危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学响应的缩尺试验方法，其包括以下步骤：

28、s1：安装形成上述的危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学响应的缩尺试验结构；

29、s2：根据危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学性能的要求设置eva泡沫板垫层和砂土垫层的厚度；

30、s3：通过落球冲击产生机构对落球施加冲击载荷，落球的冲击载荷作用在砂土垫层的上表面，通过砂土垫层和不同厚度的eva泡沫板垫层共同抵抗落球的冲击载荷，以对砂土垫层和不同厚度的eva泡沫板垫层形成的柔性复合垫层进行试验；

31、s4：以落球的冲击点为原点，沿顶板的长度方向中心线上设置横向监测点，用于监测顶板的横向应变；沿顶板的宽度方向中心线上设置有纵向监测点，用于监测顶板的纵向应变；

32、若在顶板的横向监测点处，按照最不利落石冲击荷载原则，离原点最近的一个横向监测点处，顶板的横向应变与eva泡沫板垫层的厚度之间存在以下关系：

33、y1＝116.55e-x/12.87-60.84

34、在顶板的纵向监测点处，按照最不利落石冲击荷载原则，离原点最近的一个纵向监测点处，纵向应变与eva泡沫板垫层厚度之间存在以下关系：

35、y2＝67.77e-x/5.94-12.61

36、式中，x为eva泡沫板垫层厚度，单位：㎝；y1为顶板的横向应变，单位：με；y2为顶板的纵向应变；

37、则通过对各应变指标的综合考量，确定出eva泡沫板垫层的最优厚度，完成危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学响应的缩尺试验。

38、进一步限定，所述步骤s4还包括：在立柱的底端，立柱的压应变与eva泡沫板垫层的厚度之间存在以下关系：

39、y3＝63.65-9.36x

40、式中，x为eva泡沫板垫层厚度，单位：㎝；y3为立柱的压应变，单位：με；

41、在落球上连接有加速度仪，在落球冲击的过程中，加速度仪的应变与eva泡沫板垫层的厚度之间存在以下关系：

42、y4＝1.678x+17.049

43、式中，x为eva泡沫板垫层厚度，单位：㎝；y4为加速度仪的应变，单位：με。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

45、1、本发明危岩冲击柔性复合垫层棚洞力学响应的缩尺试验结构，以砂土垫层与eva泡沫板垫层作为柔性复合垫层，对柔性复合垫层棚洞结构对应的力学响应机理展开试验研究，以研究分析柔性复合垫层对大能量落球的抗冲击性能和对棚洞立柱的支撑作用，分析不同厚度的eva泡沫板垫层与落石冲击后顶板腹部的横向应变和纵向应变、立柱的压应变、落球的加速度之间的关系，应用在工程实践中，能够根据落球冲击柔性复合垫层棚洞的力学响应性能选择合适的eva泡沫板垫层厚度，为棚洞防护工程提供理论依据，解决了现有技术中缺乏将eva泡沫板垫层+砂土垫层作为柔性复合垫层以抗击大能量落球冲击的相关试验研究的技术问题。

46、2、本发明在砂土垫层和eva泡沫板垫层的共同作用下，能够对顶板和立柱起到很好地缓冲作用，减小顶板的横向应变、顶板的纵向应变、立柱的压应变和加速度仪的应变等，本发明通过搭建试验平台并通过各力学响应试验，为危岩冲击柔性复合垫层的性能研究奠定基础，同时为棚洞防护工程设计提供试验基础。

47、3、本发明通过砂土垫层和不同厚度的eva泡沫板垫层共同抵抗落球的冲击载荷试验，并确定出不同厚度的eva泡沫板垫层形成的柔性复合垫层的力学响应曲线，通过力学响应特征的综合评价，确定出砂土垫层与eva泡沫板垫层的最佳厚度选择，同时通过试验说明砂土垫层和eva泡沫板垫层形成的柔性复合垫层具有很好的缓冲、减振作用，能够降低落石的冲击力和顶板被击穿的风险，达到防护顶板的技术效果。

48、4、在砂土垫层的基础上增加eva泡沫板垫层，使得分别在2㎝、4㎝和6㎝的eva泡沫板垫层的厚度作用下，横向监测点应变峰值依次下降22.81％、61.77％和75.07％。由此可见，eva泡沫板垫具有明显的缓冲作用。

49、5、在砂土垫层的基础上增加eva泡沫板垫层，使得分别在2㎝、4㎝和6㎝的eva泡沫板垫层厚度作用下，纵向监测点的应变峰值依次下降29.9％、65.32％和75.55％，由此可见，eva泡沫板垫具有明显的缓冲作用，可减小落球冲击载荷下顶板变形。

50、6、在砂土垫层的基础上增加eva泡沫板垫层，相对于传统砂土垫层，立柱的压应变降幅可达84.09％，立柱的最大应变峰值发生时间由第1.3s推迟至1.7s，推迟约1.3倍，可见eva泡沫板垫层可有效耗散落球的冲击能量，降低落球冲击下立柱最大压应变，提高棚洞结构承载能力。

51、7、本发明在砂土垫层的基础上增加eva泡沫板垫层，使得加速度仪的应变降幅可高达35.25％，即eva泡沫板垫层具有很好的耗能缓冲作用。