土垫层缓冲落石冲击力特性离散元数值模拟分析

棚洞是我国西部山区防治崩塌落石灾害的主要工程措施之一。棚洞顶板以上通常铺设由砂或碎石组成的土垫层。土垫层的作用是避免落石直接冲击棚洞，缓冲落石的冲击力。长期以来，关于土垫层厚度对缓冲效果影响的研究较少，因此，还未形成统一的理论用于指导土垫层厚度的设计。文章运用离散单元方法建立落石冲击土垫层的数值模型，探究垫层厚度和落石下落高度对土垫层缓冲落石冲击力特性的影响。研究结果表明：落石冲击力峰值与落石下落高度呈幂函数关系，顶板中心力峰值与下落高度呈线性正相关关系；随着垫层厚度的增加，落石冲击力峰值减小，当垫层厚度增加到落石直径的1.0倍之后，落石冲击力峰值与垫层厚度无关；随垫层厚度的增大，顶板中心力峰值与落石冲击力峰值的比值减小，垫层缓冲效果增大，当垫层厚度增加到落石直径1.5倍之后，垫层缓冲效果增加不明显；垫层厚度建议取值为落石直径的1.5倍。