岩石崩塌能量耗散机制与钢结构耗能装置的力学响应研究

这篇研究通过三种实验条件（倾斜钢管、带水平耗能段的钢管、含挡板的组合钢管），系统分析了不同尺寸岩石的运动特性及钢结构耗能装置的力学响应。研究发现水平钢管可使岩石速度平均降低72.23%，而挡板数量增加能显著降低冲击应力（四挡板条件下水平钢管应力减少59.6%）。研究为高陡边坡落石防治提供了量化依据，创新性提出经济高效的耗能结构设计方案。

　　

1 引言

岩石崩塌是山区常见地质灾害，具有高速度、高冲击能量和运动轨迹不可预测等特点。现有研究虽在岩石运动特性（如形状、坡度、地表硬度对弹跳高度的影响）和耗能措施（如森林坡面、斜钢棚）方面取得进展，但复杂昂贵的结构设计和岩石-地表相互作用的量化仍是挑战。本研究创新性提出由水平钢管和挡板组成的耗能结构，通过对比实验揭示其力学机制。

2 倾斜钢管落石试验

采用直径1米、倾角45°的20米钢管，测试10-25厘米岩石的运动参数。通过测量落石出口水平/垂直位移，结合自由落体公式（h₁=v₁t+0.5gt²）和钢管长度H与加速度a的关系式（a=√(v²/2H)），计算出岩石平均摩擦系数μ=0.153。值得注意的是，不同尺寸岩石的出口速度（15.28-15.34 m/s）和μ值（0.150-0.157）高度接近，证实摩擦耗能与岩石尺寸无关。

3 带水平耗能段的钢管试验

在倾斜钢管底部增设4米水平段（夹角120°）后，岩石速度显著降低：10厘米岩石速度从15.28 m/s降至3.18 m/s（降幅79.2%），但25厘米岩石降幅仅69.6%。这表明大尺寸岩石因质量大、惯性冲击时间短，耗能效果相对减弱。数据揭示水平钢管通过延长碰撞时间实现平均72.23%的动能耗散。

4 含挡板的组合钢管试验

4.1 实验设计

采用直径1米、厚1厘米的1/4圆形挡板（倾角45°），在20米倾斜管中设置1-4个挡板。通过布置9个应变片（如id-1至id-9）监测冲击应力，采样频率50 Hz。

4.2 单挡板工况

10厘米岩石在挡板（id-1/id-2）和水平管（id-9）的最大冲击应力分别为11.838 MPa和6.166 MPa，而25厘米岩石对应值达13.402 MPa和17.099 MPa，证实冲击应力与岩石尺寸正相关。

4.3 多挡板优化

四挡板条件下，挡板间距缩短至4.8米使各挡板受力均匀化。相比单挡板：

• 两挡板使水平管平均应力降低26.5%

• 四挡板使应力降低59.6%，岩石出口速度降至2.51 m/s

  应变数据表明，挡板间距≤4.8米时，岩石动能可被分段均衡耗散。

5 讨论

水平钢管通过摩擦和碰撞双重机制耗能，而挡板通过以下途径增强效果：

1. 改变岩石运动轨迹增加碰撞次数

2. 小间距（4.8米）设计实现动能阶梯式衰减

3. 底部应变片数据普遍高于顶部（岩石集中在下管壁运动）

6 结论

1. 岩石-钢管摩擦系数μ均值为0.153，与尺寸无关

2. 水平段使速度降低72.23%，但大尺寸岩石耗能效率下降

3. 四挡板结构使水平管冲击应力降低59.6%，出口速度较无挡板条件降低36.5%

   该研究为边坡防护工程提供了兼具经济性和高效性的新型耗能结构设计范式。