不同膨胀材料对岩石棚冲击吸收能力的试验研究

摘要

近年来，人们对自然灾害的强度持续增加。边坡灾害，如岩崩沿海岸线和山区发生。岩棚结构的措施，以防止落石损坏落实;然而，这些结构随时间恶化，并且耐冲击性也降低。作为补充措施，一个使用方法的泡沫材料作为缓冲材料已在实际应用中使用。然而，对泡沫材料的缓冲性能的抗压强度特性的影响还没有被迄今研究。因此，在这项研究中，进行了涉及各个秋季高度落锤冲击载荷试验，以检验各种发泡材料的吸收性能。此外，我们研究了其中的核心板坯分层，以有效地利用发泡材料的吸收性能的情况下。该研究的结果总结如下：（1）所传送的冲击渗透应力 - 应变右下各种发泡材料的加载点的曲线表现出类似于来自材料测试的结果所获得的那些性能。然而，在具有高的压缩强度发泡材料的情况下，从材料试验的结果的压缩应力降低的倾向。 (2) In the case of expanded materials with high compressive strengths, with and without core slabs, the distribution of the transmitted impact stress is large, and the energy absorption capacity is high. (3) In this experiment, the energy absorption capacity was found to double when core slabs are layered, regardless of the type of expanded material used. This suggests that expanded materials with high compressive strengths may contribute towards a higher improvement in energy absorption capacities, by using layered core slabs.

1.介绍

全球变暖导致的气候变化导致世界各地出现暴雨，大规模的坡度灾害频繁发生。近年来，自然灾害持续加剧[1]。边坡灾害，如落石沿海和山区[出现2]。作为防止落石道路灾害防治对策，已被用于如钢筋混凝土（RC）和/或预应力混凝土（PC）岩棚，挡土墙，落石防护网，围栏，堤坝和其他防灾系统的方法[3.]。目前，许多结构已经运行了50年以上。作为由于老化可能会变得明显的结构性能的劣化，有必要紧急执行对策[4]。

其中以钢筋混凝土/PC岩棚为例(图)1），土壤材料（沙子，本地产生的土壤等）安装为在顶部板的缓冲材料以减少由落石的冲击力[5- - - - - -9]。当需要改善岩棚的抗冲击性能时，已采用一种方法，将顶板上的缓冲材料更换为具有高缓冲性能的材料，例如由土壤材料制成的泡沫材料[9- - - - - -11]。迄今为止，除发泡材料，技术，例如结合了钢铁材料土工格栅和三层吸收系统，其特征在于，钢筋混凝土（RC）板和砂被安装在泡沫材料[9,12已经被雇用了。

近年来，已发展出具有不同材料性能、适用于不同用途的泡沫材料[13,14]。一般而言，具有高抗压强度特性的泡沫材料在施加冲击载荷时，传递的冲击应力往往会增大，且具有较高的吸能性能。此外，当应用于上述三层吸收系统时，有可能使透射冲击应力的分布范围变宽。因此，认为使用与常规泡沫材料强度特性不同的材料可以提高三层吸附体系的吸附性能。然而，抗压强度特性对泡沫材料缓冲性能的影响目前还没有研究。

基于此，本研究对不同坠落高度的膨胀材料进行了落重冲击加载试验，以考察不同抗压强度特性的膨胀材料的吸收效果。并在芯板分层扩散传递冲击应力的条件下进行了试验，比较研究了膨胀材料的抗压强度特性对其吸收性能的影响。基于能量守恒关系，评估了传递冲击应力的弥散程度。

2.实验大纲

2.1。标本大纲

表格1列出本研究中用于比较的扩展材料的特性。膨胀材料分为聚苯乙烯膨胀材料(ST)、聚丙烯膨胀材料(PP)和聚乙烯-聚苯乙烯复合膨胀材料(EST)。聚苯乙烯膨胀材料是目前土木工程中广泛应用的软弱地基和减少落石措施。

此外，聚丙烯膨胀材料(PP)的尺寸稳定性更优越，即使经过显著的压缩变形，也能恢复到原来的形状。因此，它被广泛应用于挡泥板和汽车保险杠。由于聚乙烯-聚苯乙烯膨胀材料(EST)的耐久性和抗压强度高于其他膨胀材料，因此被用作精密仪器和家用电器的包装材料。

数字2描述各种膨胀材料的压缩试验结果。根据ISO 884(刚性蜂窝塑料-压缩特性的测定)，该试验是针对一个边长为50毫米的立方体进行的[15]。从图中可以看出，三种膨胀材料的应力弹性增加到压缩应变的2%左右;它在60-70%左右有一个很小的上升梯度，然后迅速上升。然而，不同膨胀材料在相同应变下的压应力是不同的，这影响了施加冲击载荷时的传递冲击应力。

样品列表见表2。共使用22份标本。两种情况下的膨胀材料和下落高度是不同的。，包括和不包括芯板。此外，在实验前对9种不同原料和不同膨胀倍数的膨胀材料进行了冲击加载试验，选择了抗压强度特征与一般用途ST膨胀材料有显著差异的材料。

在表2，试样名称的期限1表示芯板的存在（N，无芯板坯和C，与芯板）。术语2表示的材料的类型（见表1)，而第3项的字母H中的数字值表示下降高度(mm)。

2.2。方法和测量参数

数字3.试样和发送冲击应力测量的节目大纲。The plane dimension of the specimens is 240 mm on the four sides, with a thickness of 50 mm. In the case of the specimens with core slabs, a plaster board with a thickness of 12.5 mm (conforming to JIS A 6901 [16)被安装在膨胀材料上。此外，石膏板的厚度是根据实际使用的三层吸收系统中的EPS砌块和核心钢筋混凝土板的厚度比，从市面上现有产品的规格中选择的[9]。

在重量下降冲击试验中，一个20公斤重、尖端直径为60毫米的钢被允许从预定高度自由落体在膨胀材料上，通过线性轨道。膨胀材料安装在钢底板上，其中埋有9个测压元件，用于测量传递冲击应力的分布。

数字4描述实验状态。在实验中，以膨胀材料的最大穿透应变超过75%的点为终态。因此，继续实验，逐渐增加落差，直到重量穿透深度超过37.5 mm (= 50 mm的75%)。这是基于(1)当穿透应变超过75%的想法，如图所示2，压应力突然增大，(2)膨胀材料的损伤变得明显，如图所示5和6，这可能导致损坏的实验装置，特别是装载细胞（图3.)。

在这个实验中使用的因变量是落重冲击，重量渗透，并传送冲击的应力分布。The weight impact force was measured using a load cell with a capacity of 25 kN, for measuring the impact load. The quantity of weight penetration was evaluated by vertically installing a laser-type displacement meter and measuring the distance to an L-shape angle steel on the weight. The transmitted impact stress distribution was measured using load cells with a capacity of 7 MPa; those were installed on the loading point and around it with an interval of 45 mm, as shown in Figure3.。

此外，冲击速度是通过测量对于附接至重量通过激光传感器30毫米长度的白色板所需要的时间来计算。In the experiment, these measured values were collected using a memory recorder at a sampling frequency of 2 kHz. After the experiment, the expanded materials were centrally cut to observe destruction properties.

3.膨胀材料的实验结果，而不芯板

3.1。各种响应波形

数字7对于每个权重下落高度显示响应波形H对于无芯板材料的正加载点下的重量冲击力、重量穿透力和传递冲击应力(下面简称传递冲击应力)。图中权重冲击力波形持续时间为50-75 ms，峰值振幅约为1.5-2.5 kN。此外，当上述材料抗压强度特性较大时，上升梯度和最大冲击力有增大的趋势，主波运动持续时间有减小的趋势。

在重贯力方面，材料表现出最大的重贯力，恢复到原来的状态，反弹到高于撞击点的位置。最大沉贯量随主波运动时间的增加而减小，具有较大的抗压强度特征。最大穿透重量随着下落高度的增加而增加，膨胀材料的最大下落高度超过37.5 mm(极限状态)。

The transmitted impact stress rose suddenly with weight impact, similar to the case of the weight impact force at 20 ms of elapsed time, and its gradient varied after that as its characteristic. Moreover, the transmitted impact stress when the gradient changed (20–25 ms) almost corresponds with the gradient turning point on the compressive strength test result shown in Figure2。However, in the case of the EST specimen, the transmitted impact stress at this time was greater than that at the inflection point of compressive stress (0.18 MPa) shown in the material testing result. The authors believe that it is necessary to examine this point in future works.

随着重量下落高度的增加，传递的冲击应力有增加的趋势H，膨胀材料的最大下落高度在经过25 ms后呈现突然上升的趋势。这是由于在膨胀过程中压缩应力迅速增加，使得膨胀材料的应变达到75%。

3.2。透射冲击穿透应力-应变滞后环

数字8给出了无芯板材料的传递冲击应力穿透应变滞后环。试样的穿透应变由试样的重量穿透深度除以膨胀材料的厚度得到。从图中可以看出，随着下落高度的增加，传递冲击应力穿透应变滞回线所包围的面积有增大的趋势。此外，穿透应变在40%左右时，传递冲击应力几乎是恒定的，而应力的上升梯度在50-60%之后才变陡，其形态与图中抗压强度测试结果基本一致2。

然而，在EST试样中，穿透应变的传递冲击应力高达40%左右，大于材料试验获得的压应力。虽然以上说明科技发展对速度的依赖程度可能很高，但仍有必要累积数据并加以检验，以便日后加以验证[13]。

3.3。膨胀材料的损伤状态

数字5礼物的实验没有芯板材料后，每个样品的切割领域。此外，切割区域是通过切割材料沿着中心线，穿过装载点，如图中获得的面9。图中每一个画出的切割区域都表示最大穿透应变ε_p在实验中。

从图中，可以看出的是，残余变形区域的增加的重量下落高度增加H在任一膨胀材料。裂化进展向斜下方被长，具有加宽裂缝宽度。此外，虽然最大穿透应变ε_pPP试样的性能大于ST试样，由于损伤最小，其返回性能优于ST试样。相反，EST试样在相同落差高度下的变形和损伤小于ST试样，因此其抗冲击能力和能量吸收能力优于ST试样。

3.4。在最大穿透时发送冲击应力分布

在图10，在无核心板的情况下，在最大穿透时的传播冲击应力分布比较了每个下落高度H。

从图中可以看出，无论下落高度如何，加载点下的传递冲击应力在任何一个试样中都达到最大。在ST和PP试样中，加载点的传递冲击应力明显较高。的情况下，加载点处传递冲击应力的趋势明显H= 150mm，此时PP试件达到极限状态。ST标本在点处达到其极限状态H= 200毫米。

对于EST试样，所发射的冲击应力曲线显示的分布形状为五边形的形状，其基极比其他更广泛的，直到H= 200mm, atH= 300mm时，它呈现出在加载点传递冲击应力变得突出的形状。由以上可知，高抗压强度EST试样的传递冲击应力倾向于分布最广。

4.有芯板情况下的实验结果

4.1。各种响应波形

数字11示出了用于重冲击力，重量渗透，并与核心板坯材料的情况下发送的冲击应力的时间历史响应波形。It is understood from the figure that the weight impact force, unlike the case without cores, suddenly increased to around 2 kN just after the impact. Then, it was once unloaded and reloaded. This is because the weight collided into the core slab, penetrated it, and deformed the expansion material as mentioned later. Furthermore, the maximum weight impact force for each weight fall heightH与无芯板情况相似，PP试样最小，EST试样最大。

重量穿透和传递冲击应力的响应波形与无芯板情况相似。这是因为岩心在碰撞后不久就穿透了膨胀材料，并呈现出与无岩心板情况相似的变形行为。ST、PP、EST试样在加载后达到极限状态，下落高度为H= 400、300、600mm。

4.2。透射冲击应力穿透应变滞后环

数字12给出了带芯板材料的透射冲击应力穿透应变滞后环。穿透应变的计算方法是将穿透重量除以膨胀材料的厚度，而不考虑岩心厚度。这是因为破坏性质表明，岩心的压缩变形很小。

从图中可以看出，传播冲击应力穿透应变滞后环在下落高度上形成一个大环H的增加，类似的情况下无芯板坯。初始梯度比的情况下，而不芯板低。这是因为所传送的冲击应力被芯板分散并装载点下所发送的冲击应力权利减小。

此外，穿透应变为20%后的滞回线表现出与上述材料测试结果相似的特性。这是由于芯穿过材料后，其能量吸收特性与无芯板的情况几乎相同。

4.3。损害核心和扩展的国家

数字图13（a）描绘芯铸坯表面，图图13（b）芯板背面侧，图13（c）中去除核心板后的膨胀材料表面，并绘制13 (d)的C-ST-H400样品的实验后膨胀材料的收缩状态。数据图13（a）和图13（b）表明，该芯板曾与直径的孔，其几乎等于重量尖端，达到穿透性剪切断裂。此外，图13（c）中在膨胀材料上部有一个与锥分离的贯穿剪切锥。此外，它是通过图形来理解的13 (d)该膨胀材料在更宽的范围比重量尖端直径压缩变形由于穿透芯板坯剪切裂缝的影响。这种倾向被认为在由现有RC板坯和EPS [的两层吸收系统的重量落下冲击试验17]。

数字6显示了实验后削减膨胀材料的面积。该图表示该膨胀材料的残留变形区域是更大ST和EST的情况下的情况相比，没有标本如图芯板5。这是因为冲击力分散由芯板的效果。该结果表明，发泡材料的能量吸收能力是通过安装芯，无论发泡材料的类型有效地发挥。

此外，在无芯板的情况下，ST、PP和EST试件在H=200,150,和300 mm, respectively, and in the case with core slabs, they reached the ultimate states atH= 400、300、600mm。结果表明，无论膨胀材料是什么，将核心板分层后，其吸能能力都提高了一倍。由于芯板的吸能能力不是增加而是增加了一倍，证明了芯板的安装更有效，抗压强度特性更强，能提高吸能能力的效果。

4.4。在最大穿透时发送冲击应力分布

在图14中，在与芯板坯的情况下的最大穿透时间传送冲击的应力分布为每个秋天高度相比H。

结果表明，在下落高度的情况下，EST试样的传传冲击应力分布呈五边形，基底扩展H= 300mm，类似于带芯板的情况H= 100毫米(图10 ()）;在ST和PP试样的情况下，在装载点所发送的冲击应力趋向于显着地高。此外，PP试样在该时间点达到的最终状态和ST试样在达到其最终状态H= 400毫米。

另一方面，在EST试样中，传播冲击应力分布为五边形，基底较宽，直到H=500 mm, and in triangle shape atH=600 mm. The ESP specimen reached its ultimate state atH=600 mm.

结果表明，在相同落差高度下，EST试样的传播冲击应力分布范围最为广泛，其抗压强度最高。

5.最大穿透的估计基于应力分散系数应变

5.1。应力扩散系数

表格3.显示了在这个实验能量平衡的实验结果列表。这里，输入能量E_k用测得的冲击速度来计算。此外，所吸收的能量E_a1根据图中所示的加载点下传递冲击应力和穿透应变的滞回曲线，计算出在重物下的膨胀材料的滞回曲线8和12: 哪里年代=传递冲击穿透应力-应变滞后回线中最大穿透应变的积分值MPa(见图)15),H=expanded material height (mm), and一个=底面面积重量面积(mm)²)。

应力分散系数α是由以下方程得到的，假设输入能量E_k等于吸收的能量E_一个所有的膨胀材料:

从这些方程可以了解到α物理量是除以吸收的总能量得到的吗E_一个(=输入的能量)E_k)被吸收的能量E_a1的重量下的膨胀材料。因此，可以认为，α是可评价的作为表示膨胀材料的能量吸收范围的扩散的指标。此外，由芯板能量吸收基于这样的假设，这是比发泡材料的小得多忽略。该表显示，应力分散的系数α无核心板为1.0-1.6，有核心板为2.5-3.8。定量地揭示了应力分散系数α增加了芯板和膨胀的材料在宽范围内有效地吸收能量。

应力分散的系数的估计α几何上使用重量半径R和核心厚度t，假设岩心冲剪破裂为45度，如图所示16，可表示为: 哪里α_p为冲切剪切模型的应力分散理论系数。

在本实验中，为权值半径R= 30mm和芯厚t= 12.5 mm，应力分散系数α_p= 2.01。上述结果表明，传递的冲击应力比假设的扩散范围更广，如图所示16。

5.2。最大穿透应变的估计

根据压缩应力-应变关系，计算出最大自重贯入量，并与实验结果进行对比(见图)2)基于应力分散系数α和材料测试。此外，最大输入能量时的值被用作应力分散系数α每个标本。

最大穿透应变试验结果ε_p对于每一个输入能量E_k用图形表示17并与由计算结果得到的渗透应变输入能量曲线进行比较。这里，输入能量E对于任意的渗透应变ε由下式得到，表示为anε- - - - - -E计算结果曲线:

这里，年代_一个(ε)表示任意应变的整数值ε基于该材料试验结果的压缩应力 - 应变关系（见图2)。从图中可以看出，在输入能量相同的情况下，有芯板的穿透应变比没有芯板的穿透应变要小。在相同输入能量下，穿透应变最小，能量吸收能力优于EST试样。

对比实验和计算结果可知，在某些情况下，计算结果比实验结果大约30%，但在两种情况下，贯入应变都有增大输入能量的趋势。

因此，最大穿透应变ε_p是否可以通过适当设置应力分散系数来评估α对应各种吸附剂和芯板，并利用压应力与应变的关系进行材料试验。本研究条件下的安全系数约为30%。

在该发泡材料具有高的抗压强度，如EST标本使用的情况下，传输的冲击力相应地上升。因此，有必要设计考虑现有岩石棚屋的承载能力的吸收材料。此外，为了改善在本文提出的渗透的评价方法的准确度，它（1）澄清在应力 - 应变关系的材料试验结果和冲击负荷试验结果和（2）之间的差异是必要的评估α对应于各种发泡材料。

6.结论

本研究采用不同下落高度的落重冲击加载试验，考察不同膨胀材料的吸声性能。为了有效利用膨胀材料的吸收性能，我们研究了将核心板分层的情况。本研究结果总结如下:(1)不同膨胀材料在加载点下的传递冲击应力-穿透应变曲线表现出与材料测试结果相似的特性。但对于高抗压强度的膨胀材料，其抗压应力往往比材料测试结果中观察到的要高。(2)对于高抗压强度的膨胀材料，有芯板和无芯板时，传递的冲击应力和能量吸收能力分布较大。(3)在这个实验中，无论膨胀材料的类型如何，核心板分层时，能量吸收能力都会增加一倍。这说明具有高抗压强度的膨胀材料采用分层芯板可以提高其吸能能力。

数据可用性

所有用于支持该研究结果的数据是可用的，请相应的作者。

的利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

为了促进这项研究，结构力学的本科生和研究生实验室，室兰工业大学研究生院，获支持显著量加载试验，数据整理等，这项工作是由日本学术振兴会KAKENHI（19H02394）的支持。

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