滚石冲击测量方法技术

本发明专利技术公开滚石冲击测量方法。针对现有技术未将滚石冲击形态纳入冲击测量的缺陷，本发明专利技术测量方法在对由滚石接触头与受冲击土体所组成的局部交互系统的微观分析上，依据滚石几何与运动特征划分3种冲击接触类型，建立起滚石冲击运动有限类型划分的整体技术构思，平衡了测量方案在科研与实际工程的价值。具体的土体抗压强度测量方法是科学模型测算方案，符合野外实际土体物理特征且科学快速。滚石冲击力测量方法通过引入本发明专利技术确立的能量比例特征指标，将冲击过程总能量损失与滚石冲击力峰值、压痕深度相联系，使滚石几何规格、物理特征、冲击运动特征、土体物理与力学特征对冲击能量的影响均能反映在滚石冲击力随冲击过程变化而变化的测量结果中。变化而变化的测量结果中。变化而变化的测量结果中。

Rolling stone impact measurement method

【技术实现步骤摘要】
滚石冲击测量方法


[0001]本专利技术涉及一种测量方法，特别是涉及一种边坡滚石冲击现场的测量方法，属于工程测量、地质灾害勘察、地质灾害防护


技术介绍

[0002]山体崩塌滚石是山区边坡地带常见现象之一。虽然与滑坡、泥石流相比，边坡崩塌滚石规模较小、能量不高，不会引发强烈破坏作用，但由于滚石具有突发性与随机性强、在特定岩带发生频率高的特征，因而被视为与泥石流、滑坡相并列的山区主要地质灾害类型之一。除自然因素以外，人为因素诱发滚石灾害的重要因素。随着人类活动向山区地带深度延伸，包括山区河谷自然资源开发、山区(高速)公路/与山区(高速)铁路修建、长距离油气管线铺设、长距离高压输电线路架设在内的各类大型工程项目在山区大量展开。就大规模工程与崩塌滚石间的关系而言，一方面，这些工程项目无论是在施工还是运行过程中都将大量人类扰动引入山区环境，打破原有生态平衡、降低危岩稳定性，使滚石灾害发生频率增加；另一方面，滚石灾害又会影响工程进度与运行，尤其是破坏建成长距离运输管线/道路工程的正常运行并阻断灾后抢险。这一互构关系使得滚石灾害及其防护防治手段研究越发被科学研究与工程实践所重视。
[0003]在滚石灾害现场，根据调查采集的冲击痕迹数据完成滚石冲击测量是灾害现场勘察的重要工作，其中尤以滚石冲击力测量最为重要。滚石冲击力既是边坡滚石运动特征及破坏机理研究中的重要对象，也是边坡滚石防护工程(如明洞、棚洞)设计中的核心依据。对于灾害现场的滚石冲击测量来说，尽管能量守恒提供了冲击能量分析的重要理论依据，但是由于勘察现场并不一定能确定滚石崩塌的位置，因而能量守恒分析并不完全有效。更重要的是，滚石自危岩崩塌诱因不同、滚石质量形状不同、坠落轨迹不同、空中翻滚姿态不同、入射速度角度不同、撞击弹跳类型不同等多种因素都会影响冲击运动特征，并集中反应在历时10
‑3s～10
‑2s的撞击过程中滚石冲击力的变化，而灾后现场勘察无法回顾滚石冲击过程，只能获取冲击痕迹数据，因而，如何充分利用现场冲击痕迹调查数据测量滚石冲击(力)测量是极为复杂的问题。
[0004]现有技术建立的测量滚石冲击(力)的方案已相当丰富，较早的有日本道路公团方法、瑞士Labiouse等计算方法、杨其新/关树宝方法、隧道手册方法、路基规范方法、叶四桥计算方法等。新近的测量方案考虑了更多滚石运动特征因素，如：ZL 2015101987250公开一种滚石冲击力测算方法，在考虑滚石质量、运动速率、运动方向与被冲击物平面夹角的情形下依式测算滚石冲击力；ZL 2017104322633公开一种滚石冲击力测算方法，是在进一步考虑旋转动能的情形下依式测算滚石冲击力；“落石冲击力计算方法研究”一文(徐胜，重庆交通大学，2016)基于冲量定理，考虑滚石的反弹、重力项及缓冲层厚度，建立了正碰冲击下的滚石最大冲击力与平均冲击力的测算方法；“边坡落石运动特性及碰撞冲击作用研究”一文(向欣，中国地质大学，2010)公开一种考虑地面土体容重与内摩擦角的测算滚石冲击地面时冲击力的简化模型。现有技术越发充分地考虑了各种因素对滚石冲击力的影响，从不同
角度解决滚石冲击力测算问题，但综观之下显示出的明显缺陷在于：现有技术都将滚石视为近球体，是在将滚石简化成球体的前提下结合滚石的质量、运动速度、旋转动能、撞击角度、以及滚石与被冲击物材料的力学性质等条件建立固体力学弹性接触模型，完成相关测量。方法实质上是假定滚石冲击运动中所有可能的冲击接触点均等质等效且对产生的冲击力分布无影响。该假定与理论分析或现场勘察均不相符。测算方法理论假设与实际情形的偏离导致根据灾害现场勘察数据测量得到的滚石冲击力结果在指导灾害地点防护工程设计中有效性不足。
[0005]Keng
‑
Wit Lim 2015博士论文《颗粒介质的离散建模：一种基于NURBS的方法》(Discrete Modeling of Granular Media:A NURBS
‑
based Approach)提供了一种利用三维重构准确描绘形状不规则坚硬物体真实形状的基础上解决该物体与外部接触问题的方法，能够获得更真实的计算结果。但该方法的实施需要良好的硬件支持与较大计算量，两者都与山区灾害防治工程的实际工作条件不契合。且滚石的真实形状因危岩类型、崩塌诱因、运动轨迹的不同而不同，过分突出滚石“真实形状”会限制测量经验在不同勘察测量项目中的相互借鉴与推广。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种滚石冲击测量方法，能够克服现有技术将滚石视为均匀近球体的缺陷，同时又能在灾害现场勘察中较好地匹配山区灾害防治工程的实际工作条件，快速测算出滚石冲击运动的主要参数。
[0007]为实现上述目的，本专利技术技术方案首先解决冲击接触中土体抗压强度测量的问题，其技术方案如下：
[0008]一种滚石冲击测量方法，根据滚石灾害现场调查数据测量冲击位点土体抗压强度其特征在于：
[0009]步骤S1、滚石灾害现场调查，获取基本数据；
[0010]步骤S2、将滚石做等效直径转换，确定等效直径d
c
，确定测量对象滚石接触头形状系数N
*
；
[0011]步骤S3、依式1～式5测算测量对象滚石冲击位点土体抗压强度
[0012][0013][0014][0015]k＝0.707+Ψ
ꢀꢀꢀꢀ
式4
[0016][0017]式中，—滚石冲击位点土体抗压强度，单位MPa，
[0018]I
*
—滚石冲击强度指标，单位MPa，
[0019]N—滚石接触头尖锐无量纲系数，
[0020]k—滚石无量纲压痕系数，
[0021]d
max
—冲击最大压痕深度，单位m，基本数据确定，
[0022]d
c
—滚石等效直径，单位m，步骤S2确定，
[0023]m—滚石质量，单位kg，基本数据确定，
[0024]v
impact
—滚石冲击速度，单位m/s，基本数据确定，
[0025]ρ
s
—滚石冲击位点土体密度，单位kg/m3，基本数据确定，
[0026]b—滚石冲击位点土体无量纲压缩参数，基本数据确定或取值1.20，
[0027]Ψ—滚石接触头无量纲形状因子。
[0028]上述滚石冲击测量方法是根据滚石灾害现场调查数据测量冲击位点土体抗压强度现有土体抗压强度测量一般通过无侧限抗压强度试验完成，费工费时且真实测量土样为扰动土的无侧限抗压强度，与实际情况差别较大。并且，在借助仪器开展的测量试验中，与土样接触的压板形状规则且固定，因而该测试测量原理本质也是将压头与土样的接触面视为无差异的均质体，这与本专利技术根据滚石冲击接触形态将冲击运动特征作3种类型划分并以此为基础完成滚石冲击测量的整体构思不一致。本专利技术上述测量方法是在将滚石做等效直径转换后划分出滚石冲击3种不同接触形态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.滚石冲击测量方法，根据滚石灾害现场调查数据测量冲击位点土体抗压强度其特征在于：步骤S1、滚石灾害现场调查，获取基本数据；步骤S2、将滚石做等效直径转换，确定等效直径d
c
，确定测量对象滚石接触头形状系数N
*
；步骤S3、依式1～式5测算测量对象滚石冲击位点土体抗压强度f
c***
k＝0.707+Ψ
ꢀꢀꢀꢀ
式4式中，—滚石冲击位点土体抗压强度，单位MPa，I
*
—滚石冲击强度指标，单位MPa，N—滚石接触头尖锐无量纲系数，k—滚石无量纲压痕系数，d
max
—冲击最大压痕深度，单位m，基本数据确定，d
c
—滚石等效直径，单位m，步骤S2确定，m—滚石质量，单位kg，基本数据确定，v
impact
—滚石冲击速度，单位m/s，基本数据确定，ρ
s
—滚石冲击位点土体密度，单位kg/m3，基本数据确定，b—滚石冲击位点土体无量纲压缩参数，基本数据确定或取值1.20，Ψ—滚石接触头无量纲形状因子。2.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东坡，李伟，张鸿雁，范宣梅，刘本银，姚林林，
申请(专利权)人：华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司，
类型：发明
国别省市：