隧道仰坡落石冲击模型试验研究与机制探讨

以在建的成都-兰州(成兰)铁路某隧道出口仰坡为研究对象,研发了大型落石冲击边坡模型试验系统,该系统由模型试验台架、落石三维空间释放装置、高速摄影系统等组成,结构强度高并能满足试验过程的可视化需求。根据现场岩样实测物理力学参数,采用凡士林、硅油、水泥、细沙、重晶石粉、石膏以及滑石粉等原料,研制出现场千枚岩和砂岩的相似材料,并用于模拟边坡和落石。通过开展物理模型试验研究了近长方体落石初始滑移角度、形状、质量等3种因素对碰撞恢复系数这一落石运动轨迹模拟中关键参数的影响,同时在落石下落冲击的过程中,利用高速摄影仪和坐标卡尺记录落石完整的运动轨迹,后期通过视频处理软件分析落石与边坡碰撞前后的速度变化,根据公式计算出落石法向和切向的碰撞恢复系数。试验结果表明:随着初始滑移角度的增加,板状试件的法向、切向恢复系数分别呈减小和增大的趋势,且切向恢复系数变化更加明显;落石法向恢复系数随质量的增加呈明显减小的趋势,而切向恢复系数值变化不大;对于近长方体落石,立方体试件的法向和切向恢复系数大于厚板状试件,条形试件的两向恢复系数值受碰撞接触形态的影响,呈现两极化的趋势。最后,结合试验现象以及前人的研究成果对落石运动冲击机制进行了初步探讨。