水下多种摩擦界面摩擦系数实验研究

张俊贤，臧冰，柳家凯

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

水下多种摩擦界面摩擦系数实验研究

张俊贤，臧冰，柳家凯

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

沉管隧道、重力式码头等水运工程建设中涉及摩擦界面及摩擦系数的选择时，采用统一定值的摩擦系数往往不能满足设计施工要求。针对此问题，选取代表性摩擦界面进行试验研究，在不同受力工况下分析碎石基床存在浮泥的影响。试验结果给出碎石基床与混凝土、橡胶板、加齿钢板间以及混凝土与橡胶板间的不同工况下的摩擦系数和影响摩擦系数取值的敏感性因素，可为水运工程中相关受力计算提供依据。

摩擦系数；碎石基床；混凝土；橡胶板；加齿钢板

0 引言

在沉管隧道、重力式码头等施工过程中如何选取适当的摩擦界面及摩擦系数，对保证结构体的抗滑稳定性、施工工法的选择极为重要。例如，在重力式码头沉箱抗滑稳定验算时，涉及到混凝土与碎石基床顶面之间的摩擦系数，多数港工专著、规范都采用两者之间的静摩擦系数0.6，主要依据为日本和前苏联进行的试验资料和工程经验。通过以往施工经验表明，在不同受力工况时，选取统一定值的摩擦系数并不可靠，特别是在碎石基床存在回淤物时的摩擦系数差别较大。因此，对不同界面之间摩擦机理、摩擦系数取值进行实验研究具有重要意义。课题选取具有代表性的摩擦界面在不同受力工况以及存在回淤条件进行研究，分析影响摩擦系数取值的敏感性因素，确定摩擦界面选型及相应摩擦系数的取值问题，结果可为类似工况的相关工程受力计算提供参考。

1 研究进展

国内从20世纪70年代开始，为解决工程实践中使用摩擦系数遇到的问题，开展了一系列试验研究，对混凝土与碎石基床摩擦系数的影响因素和变化特性有了较深入的认识。主要观点可归纳为：1）混凝土与碎石基床摩擦系数随着基床应力的加大，特别是当基床应力大于300 kPa条件下，会低于0.6这一标准值；2）基床整平方式对摩擦系数有一定影响，多数试验结果显示细平基床的摩擦系数高于极细平基床，基床顶部应避免碎石成层；3）混凝土与碎石基床摩擦系数试验结果显示较大的随机变化。这些结论体现于交通运输部颁发的JTS 167-2—2009《重力式码头设计施工规范》[1]有关条文与说明。

2 试验方法

2.1 试验条件

1）混凝土与碎石基床水下环境在不回淤、基底压力2.25 kPa、4.25 kPa、7.25 kPa时，以及回淤、基底压力7.87 kPa时摩擦系数试验。

2）橡胶板与碎石基床水下环境在不回淤、基底压力2.83 kPa、5.33 kPa、7.83 kPa、139.28 kPa时，以及回淤、200 kPa时摩擦系数试验。

3）加齿钢结构与碎石基床水下环境在不回淤以及回淤基底压力9.3 kPa、200 Pa时摩擦系数试验。

4）混凝土与橡胶水下环境在基底压力3.33 MPa时摩擦系数试验。

2.2 试验设备及材料

混凝土预制块Ⅰ尺寸2 m×2 m×0.4 m，强度等级为C50。

加齿钢结构尺寸1.4 m×1.4 m×0.35 m，通长等间距均布5根直径25 mm一级螺纹钢作为阻滑齿，见图1。

图1 加齿钢结构Fig.1 The steelstructure with tine

混凝土预制块Ⅱ尺寸15 cm×15 cm×15 cm，强度等级为C45，表面润湿模拟水下环境。

橡胶板尺寸2 m×2 m×8 mm，条纹凹槽深1 mm，凸纹宽2 mm，邵氏硬度65。

橡胶块尺寸10 cm×10 cm×3.8 cm，邵氏硬度为65，表面润湿模拟水下环境。

淤泥为胶州湾内海底淤泥，现场抽取加海水拌制泥浆，泥浆比重1.265。

碎石基床铺设尺寸5.625 m×4.8 m×1.3 m，选用20～60 mm级配碎石。

2.3 试验加载及数据采集

竖向荷载通过设备自重或千斤顶施加，拉压传感器配合动静态电阻应变测试系统采集。水平荷载通过千斤顶施加，压力传感器配合动静态电阻应变仪及静力载荷测试系统采集。水平位移通过位移计或数显百分表采集控制。

2.4 摩擦系数取值原则

摩擦界面相对位移见表1，观测起始周期为加载起始至摩擦界面位移达到峰值，摩擦系数定值为首个观测峰值。

表1 试验成果表Table 1 Test results table

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

试验结果见表1。

全部摩擦系数试验曲线规律基本一致，代表曲线见图2。摩擦系数变化规律为先达到极大值，后减小到极小值，后期缓慢增长。

图2 典型试验曲线Fig.2 Typicaltest curves

3.2 试验结果分析

3.2.1 试验结果影响因素分析

1）碎石基床摩擦强度取决于法向正应力和碎石的内摩擦角。其中内摩擦角涉及碎石颗粒间的相对移动，主要分为两个部分[2]：滑动摩擦力即产生相对滑动时克服由于表面粗糙不平引起的滑动摩擦；咬合摩擦力即由于碎石之间存在相互镶嵌、咬合、连锁作用，当碎石脱离咬合状态而产生的咬合摩擦力。

2）试验加载起始阶段，碎石部分与加载板接触，碎石受力压密实，参与摩擦的碎石量增加，碎石基床有别于其他连续体，不会出现传统意义上的最大静摩力。图2中摩擦系数达到一极值后，后期伴有缓慢增长的趋势，原因是板底碎石存在滚动，水平加载持续，参与滚动碎石减少。

3）在相同竖向荷载条件下，碎石基床与混凝土、橡胶阻滑板、加齿钢阻滑板间的摩擦系数分别是0.5、0.64、0.55，其中橡胶阻滑板的阻滑效果最好，较混凝土阻滑效果提高28%，较加齿钢板提高18%。

4）比较碎石基床与混凝土加载板间在不回淤及回淤两种工况试验，回淤时摩擦系数较不回淤降低24%。

5）竖向荷载变化时，碎石基床采用橡胶板和不采用橡胶板摩擦系数变化对比见图3。

图3 橡胶板对摩擦系数的影响Fig.3 Influence of rubber sheet on friction coefficient

3.2.2 试验结果比较分析

1）本试验中混凝土与橡胶板间基底压力3.33 MPa、水下环境摩擦系数均值为0.56；JTG D62—2012《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》橡胶支座与混凝土间摩擦系数为0.3[3]；《机械设计手册》在润湿条件下混凝土和橡胶的摩擦系数为0.4～0.75[4]。

2）《长江口深水航道治理工程橡胶阻滑板摩擦系数试验研究报告》中基底压力40 kPa、60 kPa、80 kPa时混凝土和碎石基床摩擦系数均值为0.692[5]；《重力式码头设计规范》中以0.6作为混凝土与基床摩擦系数，其采用1～50 kg块石、基床压力200～600 kPa；本试验基底压力2.25 kPa、4.25 kPa、7.25 kPa时摩擦系数均值为0.55。

3）《长江口深水航道治理工程橡胶阻滑板摩擦系数试验研究报告》选择多种材质橡胶板，基底压力40 kPa、60 kPa、80 kPa时全部抽样产品橡胶阻滑板和碎石基床摩擦系数均值为0.892[5]；本试验基底压力139 kPa时摩擦系数均值为0.92，两者数值相近。

4）《混凝土预制块体与块石基床间摩擦系数的现场实验研究》中回淤条件、基底压力322.09 kPa时摩擦系数为0.52[6]；本试验回淤条件、基底压力200 kPa时摩擦系数为0.46。

5）《重力式钢结构底面与抛石基床顶面间摩擦系数的测定》中基底压力400 kPa、600 kPa、800 kPa时加糙处理的钢沉箱与碎石基床摩擦系数均值为0.535[7]；本试验基底压力200 kPa时加齿钢结构与碎石基床摩擦系数为0.56。

4 结语

1）试验研究了碎石基床与混凝土、橡胶阻滑板、带齿钢结构阻滑板3种材料在不同荷载作用下的摩擦系数，对影响试验的敏感性问题进行分析，并比较了3种材质应用的可行性。

2）比对其他研究成果，分析了试验条件相近时摩擦系数取值。

3）试验成果可为水运工程中相关受力计算、摩擦系数取值提供参考，已在港珠澳大桥沉管隧道施工中应用。

[1]JTS 167-2—2009，重力式码头设计与施工规范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[2]黄平.摩擦学教程[M].北京：高等教育出版社，2008：60-76. HUANGPing.Tribology Course[M].Beijing:HigherEducation Press, 2008:60-76

[3]JTG D 62—2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]. JTG D62—2012,Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts[S].

[4]闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010：36. WEN Bang-chun.Mechanical design handbook[M].Beijing: Machinery Industry Press,2010:36.

[5]李炎保.长江口深水航道治理工程橡胶阻滑板摩擦系数试验研究报告[R].天津：天津大学，2005. LIYan-bao.Laboratory studied reporton the friction coefficient of rubber slab for regulation project ofthe Yangtze Estuary deepwater channel[R].Tianjin:Tianjin University,2005.

[6]天津大学摩擦系数研究课题组.混凝土预制块体与块石基床间摩擦系数的现场实验研究[J].中国港湾建设，1993（6）：1-4. Tianjin University Friction Coefficient Research Group.Experimental research on the coefficient of friction of precast concrete blocks and rock bed room：Influence oflinoleum base paper or mud interlayer on friction coefficient[J].China Harbour Engineering, 1993(6):1-4.

[7]舒宁，李炎保.重力式钢结构底面与抛石基床顶面间摩擦系数的测定[J].中国港湾建设，2005（2）：32-35. SHU Ning,LI Yan-bao.Determing friction factor between gravity steel structure and rubble-mound foundation[J].China Harbour Engineering,2005(2):32-35.

Experimental study on friction coefficient of various underwater friction interfaces

ZHANG Jun-xian,ZANG Bing,LIU Jia-kai
（No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

During the waterway engineering construction,such as immersed tube tunnel,gravity quay,etc.,when it comes to selecting the interface friction and friction coefficient,the uniform value of the friction coefficient often cannot meet the construction requirements.To solve this problem,we selected a representative friction interface to carry outexperimental study, and analyzed the impact of the presence of floating mud base gravel bed at different loading conditions.The test results of friction coefficient of base gravel bed with concrete,rubber sheet,tooth plate,and concrete with the rubber sheet in different conditions and its impact of the value of the friction coefficient are given,which can provide evidence for related subject force calculation in water transportengineering.

friction coefficient;gravel foundation bed;concrete;rubber plate;steel plate with tine

U652.74

A

2095-7874（2017）02-0065-03

10.7640/zggwjs201702013

2016-07-26

2016-09-06

张俊贤（1984— ），男，山东临沂人，工程师，硕士研究生，研究方向为岩土工程数值分析。E-mail：sdzjxian@163.com