岩崩运动规律(Typical Rockfall Process)
1 引言
岩崩(rockfall)是深部露天采矿工程和土木工程岩石边坡中经常遇到的问题。岩崩是指体积较小的分离块或系列块的自然向下运动，整个过程包括自由落体、弹跳、滚动和滑动。岩石崩落的形成受许多因素影响，例如岩体的不连续性，岩体的风化程度，地下水和地表水，冻融，外部爆破载荷和地震载荷等。岩石崩落轻者阻塞交通，重者造成了人员伤亡和设备毁坏。在过去, 我们主要有三篇文章讨论过岩崩. 时值毕业时节, 在审阅一位同学的毕业论文的同时, 顺便总结了Rockfall数据集. 这个笔记在学生论文框架的基础之上, 回顾了岩崩的运动规律.
岩石崩落分析与防护(Rockfall Analysis and Protection)
岩石崩落分析(Analysis of Rockfall)方法简述
岩土边坡的破坏类型(C3)(Failure types of slope)
2 Rockfall数据集
Rockfall数据集是GeotechSet中比较大的一个子集, 部分原因是我很早以前做过这种项目, 因而积累了大量的数据. 主要的数据集中在下面的目录:
:\Rock Mechanics\rockfall
:\Rock Mechanics\Step-Path-Failure(Discontinuity Persistence)
:\Rock Mechanics\rockbolting
:\Rock Mechanics\Bench
3 典型的岩崩过程
一个典型的岩崩过程包括整个过程包括自由落体(Free fall)、弹跳(Bouncing)、滚动(Rolling)和滑动(Sliding)。
基于审阅论文的编排, 本笔记对岩崩过程作进一步说明.
3.1 自由落体(Free Fall)
自由落体在很多情况下是岩崩的第一个动作，因为岩石经常从陡峭的斜坡上脱离，然后只受到重力的影响，根据Bozzolo等人(1986年)的研究，空气阻力可以被忽略，因为它仅相当于落石总重量的2%。在高而陡的斜坡坡面上，崩落的岩石不受斜坡坡度和地形影响而自由下落，崩落的岩石在没有外力的阻挡下，发生自由下落的运动，崩落岩石在任意下落高度H时的速度V可以表示为:
3.2 弹跳(Bouncing)
如果速度足够高的话，弹跳最常见于自由落体之后，岩石撞到一个表面(岩石、沙子、树木)并弹起，继续沿着斜坡发生更多的弹跳，直到块体的速度太低。在岩崩运动过程中弹跳是一种比较复杂和不容易确定运动轨迹的运动模式。这一部分是最不容易理解的，也是下落阶段中最难预测的部分。在建立岩崩模型时，通常用恢复系数来判断崩落岩石在运动过程中造成的能量损失，把崩落岩石的撞击问题看成是刚体之间的相互撞击，避免了直接讨论崩落岩石在碰撞过程中的非线性变形和摩擦问题. (Azzoni, 1995; Bozzolo, 1989)。崩落岩石在运动过程中发生碰撞反弹时，呈抛物线运动。根据运动的独立性原理，可以抛物线运动视为水平方向上均匀线性运动和垂直向上投掷运动的组合形式。
法向恢复系数Rn和切向恢复系数Rt是准确计算崩落岩石运动轨迹的两个主要参数。实验表明，斜坡坡面的岩石性质越趋向坚硬，岩石与坡面发生的碰撞之间就会产生越大的弹性，并且相应的法向恢复系数Rn和切向恢复系数Rt就会变得越大. 根据现有的经验，崩落岩石发生碰撞的法向恢复系数Rn在0.25-0.6 之间，切向恢复系数Rt在0.45-0.8之间。
3.3 滚动(Rolling)
当崩落岩石体在斜坡坡面上运动，其本身自重滑动分量大于摩擦力时，就会沿着斜坡坡面发生滚动，为了避免复杂的分析过程并且使它更接近于实际工程，可以简化为圆形刚体在斜坡坡面上的摩擦滚动。此时，对于任意位置的s，崩落岩石的速度v可以表示为:
当岩石在接近坡底时开始失去动能，就会发生滚动。滚动现象不是一种理想的滚动运动，只有圆柱形、球形和盘状的块体才能发生理论上的滚动运动。形状不规则的块体在滚动阶段会在岩石的边缘产生小的反弹(Azzoni, 1995; Bozzolo, 1989)。
3.4 滑动(Sliding)
岩崩过程的最后一个阶段是滑动. 当崩落的岩石在斜坡坡面上，其岩石本身的自重下滑分量大于摩擦力，从而发生岩石沿斜坡坡面向下滑动时，则在任意垂直位移H处，崩落岩石的速度V可以表示为:
在这个运动过程中, 岩石不发生滚动, 岩石与坡面完全接触. 运动产生的力可以用下式来表示:
尽管这种运动形式主要发生在岩崩的最后阶段, 但也有可能发生在自由落体之前(Bozzolo, 1986, Dorren, 2003).
4 参考文献
[1] D. Bozzolo, and R. Pamini (1986). Simulation of rock falls down a valley side. Acta Mechanica, Vol. 63, pp.113-130.
[2] Bozzolo D, Pamini R, Hutter K (1988) Rockfall analysis - a mathematical model and its test with field data. In: 5th international symposium on landslides; Balkema, Rotterdamm, Lausanne, Switzerland.
[3] Dorren, L. K. A. (2003). A review of rockfall mechanics and modelling approaches. Progress in Physical Geography. 27(1): 69-87.
[4] Azzoni, A., et al. (1995). "Analysis and prediction of rockfalls using a mathematical model." International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts 32(7): 709-724.
