[发明专利]滚石冲击力测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及地质工程测量技术。

背景技术

针对现有的崩塌预防措施，分为主动防护和被动防护两方面。对于被动防护系统，均设计为避免直接承受滚石冲击力作用的结构形式。防护指标是以抗滚石的冲击为衡量，防护措施是以能量为指标，而对滚石的冲击力的计算还没有定量的计算公式，所以对于滚石的冲击力测试研究也很重要，对崩塌的防护措施具有十分重要的意义。但是，要建立一个符合任何条件且能准确表示冲击力大小的理论公式是很难实现的。对于冲击力的撞击过程实际上是一种动态的碰撞过程，其中影响冲击力大小的因素很多，包括撞击物体的重量、力学参数、冲击速度、撞击角度、缓冲材料的性质、缓冲材料的厚度，以及材料的结构刚度和结构的动力特性等一系列复杂的影响因子，甚至碰撞发生时刻撞击物体的撞击点位置和范围都会影响冲击力的大小，而这些影响因素又是相互联系、相互变化的，所以要想建立一个在各种条件下针对所有影响因素的冲击力理论计算公式是不可能实现的。而对于这种冲击过程的研究理论普遍采用的是碰撞弹性理论，采用理想弹塑性力学模型和弹塑性分析模型，对碰撞过程的作用力进行了分析。通过碰撞过程的能量转换得到冲击力，但是没有考虑碰撞过程的塑性变形、以及撞击的摩擦损耗等。而且按照碰撞问题计算得出的冲击力是基于完全弹性理论或者完全建立在理想弹塑性材料的基础上，但是对于抗冲击的拦挡物材料组成复杂，有土层、岩体等多种材料，而且在碰撞过程中不仅有弹性变形、塑性变形，而且还有材料碰撞之间的摩擦能量损失。因此按照碰撞问题理论对计算滚石的冲击力带来一定的困难。其中对于冲击力的计算，一些学者采用的是经过模拟实验得出的计算方法，并提出相应的公式计算方法。他们以若干单一化条件为基础，采用小比例尺的模拟条件，采用自由落体的方法，模拟落石对缓冲垫层的冲击，得到一种半经验法的冲击力计算公式。

根据现有资料可以分析得出：(1)对于产生冲击力的碰撞过程，它的复杂性决定了从能量、变形等方面入手计算冲击力的难度。对于冲击力计算的理论研究，普遍采用的是冲量定理。从冲量定理角度出发解决该问题，则可回避碰撞过程中的变形及能量转化、消耗的复杂性。(2)从实际出发通过模拟试验的方法，考虑相应的影响因素，基于冲量定理得到一种定量的冲击力计算公式，对于冲击力的计算公式具有显著的意义。(3)缓冲材料对于冲击力的大小有明显的影响。缓冲材料的性质、厚度不同，对于碰撞过程中的影响作用不同，同时对于冲击力的大小也有重要的影响。

以上的冲击力方法都有其自身的优点和不足，有各自的适用条件和范围，但是都有一定的局限性，得到的公式值都是一个近似值。但是目前研究中存在的比较突出的问题是：(1)很多理论计算公式对于冲击力的变化缺乏系统的研究。这些推导出的公式从理论上看是基于冲量定理的一种近似算法，所得到的结果有效性严重依赖于选取的参数的经验性取值，计算结果与实际情况有误差甚至相差甚远。这些理论公式对于撞击过程作了一定简化，计算方法简单，但是不能反映冲击过程的冲击力变化特征。比如路基规范方法基于冲击过程功能原理计算撞击体对拦挡物的冲击力，其求得冲击过程的冲击力是一个均值，而不能反映冲击力的变化。这从一些模拟试验中得到了证明，有一定的局限性。(2)对于缓冲材料的抗冲击研究不足。有些研究考虑了缓冲材料的性质对冲击力的影响，比如路基手册为代表的基于冲击土层陷入深度的计算方法，该方法适用于深厚土层情形，与实际情况并不完全相符。实际缓冲材料既有弹性体，又有非弹性体。缓冲材料的性质、厚度变化不同对冲击力大小有明显影响。虽然有些理论公式涉及到缓冲材料，但是存在参数取值的经验性，不能反映缓冲材料性质的变化。实际设置的拦挡物体都会设置缓冲层抗冲击力，所以不考虑缓冲材料对于冲击力的研究是不符合要求的。(3)实际工程中不同缓冲材料性质、厚度，以及不同的冲击角度等普遍适用的冲击力算法是有待解决的重要问题。很多通过试验得到的公式普遍是考虑自由下落的情形，这与碰撞过程不同的角度变化存在明显的差异，得到的结果与实际情况误差较大。因此，有必要对研究不同的撞击角度对于冲击力大小的影响，对缓冲材料、撞击角度进行比较系统的研究。