抛石磨圆度对沙枕破坏影响的离心模型试验研究

2020-06-02倪国俊

水利技术监督 2020年3期

倪国俊

(桓仁满族自治县水务移民服务中心，辽宁本溪 117200)

在河道整治工程中，采用沙枕和抛石相结合的施工方案具有良好的防冲促淤效果，因此被广泛应用于各类河道整治工程[1]。其中，沙枕一般采用单层聚丙烯编织布制作而成，在其内部充填砂浆，因此具有良好的柔韧性，施工操作也十分方便[2]。但是，抛石一般需要采用船舶水上抛投的方式进行，在施工过程中必然会对沙枕造成明显的冲击[3]。由于缺乏必要的理论支撑，其冲击作用主要依靠经验判断，一旦冲击作用力过大，就容易造成沙枕的破坏，进而对施工效果造成负面影响[4]。土工离心模型试验可以通过高速旋转的方式创造出与实际工况类似的应力场，从而通过实验室试验的方式进行应力应变以及破坏机理研究[5]。因此，为了研究沙枕和抛石施工方法的可靠性，本次研究利用离心机试验的方法，研究抛石的磨圆度对沙枕的破坏性影响，试图为相关工程设计提供必要的支撑。

1 抛石离心模型试验方案

1.1 试验目的和路线

考虑到抛石施工过程中影响因素的复杂性，难以进行抛石对沙枕冲击能量地准确模拟。因此，本次研究利用CKY200型离心机进行模型试验，展开不同冲击能量条件下不同磨圆度的块石对沙枕破坏影响的研究，进而为相关的工程施工提供必要的技术性支撑。

考虑到单个块石的抛投试验对沙枕的影响不够明显，难以实现损伤程度的有效评价，因此，研究选取多个质量和粒径相似的块石进行试验[6]。根据相关研究成果，粒径1.0m的块石入水瞬时速度为4.38m/s，也就是抛投高度为0.98m时，块石的入水瞬间加速度为0。如果超过这一高度，则入水后的加速度与块石的运动方向相反。因此入水瞬间的冲击能量最大，之后逐渐减小直至演化为匀速运动，因此研究中试验工况均为水深为0m时的极端情况[7]。根据理性模型的试验相似比关系，结合抛石工程的实际经验进行模拟试验，设定块石质量为8g，离心机的加速度分别为25g、30g、35g、40g和45g5种情况，其能量等效对应关系见表1。

表1 离心试验等效对应关系

1.2 试验材料与装置

为了研究不同磨圆度块石对沙枕的冲击影响，研究中选用磨圆度差别较大的卵石和碎石进行试验研究，块石的质量为8.0g左右，直径为1～2cm[8]。研究中使用的模型箱尺寸为1.0m×0.4m×0.8m，其内部的试验箱尺寸为38cm×36cm×78cm。在试验箱内部高度为38cm的高度分别设置尺寸为12cm×35cm与35cm×27cm，厚度为1cm的固定板和抽板，传动箱的尺寸为38cm×36cm×78cm。一块规格为37cm×35cm、厚度1cm、中间镂空的钢板，其中间的长方形空洞尺寸为20cm×10cm。剪取尺寸为37cm×35cm的工程用沙枕编织袋若干备用。

1.3 试验步骤

按照表1中设置的5种不同的离心机加速度，卵石和碎石2种不同的抛石种类，设置10组试验。具体的试验步骤为：将剪取的沙枕袋放在试验箱的底部，然后将试验箱和传动箱安装到模型箱内的预定部位。在试验箱内距离底部38cm的部位安放好抽板，并将镂空钢板放在抽板上方，以保证试验过程中的块石能够准确击中沙枕袋的中间部位。在镂空钢板的中空部位放上试验用块石，然后将其与传动箱内的传动装置相连。试验中将离心机加速，当达到预定的试验速度时，传动装置迅速抽掉抽板，块石便以预定的速度冲击下方的沙枕袋。在停机之后，取出块石并更换沙枕袋，按顺序进行下一组试验。对取出的受损沙枕袋进行拉伸试验，以评估受损状况。

2 试验结果与分析

2.1 纵向拉伸强度试验结果与分析

根据不同工况下的离心试验结果，计算获取沙枕袋材料纵向拉伸强度变化特性(见表2)以及如图1—2所示的纵向拉伸强度和纵向拉伸强度折减率的变化曲线。由结果可知，卵石和碎石2种不同磨圆度的抛石对沙枕袋的损伤存在差距，但是这种差距呈现出先增大后减小的特征。当离心机提供的加速度为30g时，卵石和碎石2种不同磨圆度试验块石造成沙枕袋材料的纵向拉伸强度分别为21.55和17.99N/mm，纵向拉伸强度折减率分别为63.4%和57.4%。二者相比，抛投碎石相对于抛投卵石造成的沙枕袋材料纵向拉伸度多降低了7.0%，块石的磨圆度影响最为明显。当离心机提供的加速度为35g时，抛投碎石相对于抛投卵石造成的沙枕袋材料纵向拉伸度多降低了5.8%，块石的磨圆度影响也十分明显。当离心机提供的加速度为45g时，抛投碎石相对于抛投卵石造成的沙枕袋材料纵向拉伸度多降低了0.7%，块石的磨圆度影响并不明显。

总之，当离心机提供的加速度小于35g情况下，抛投碎石会造成更为明显的纵向拉伸强度折减量，块石磨圆度的影响较为明显；当离心机提供的加速度大于35g情况下，随着加速度值的进一步增加，2种不同磨圆度块石对沙枕袋材料纵向拉伸强度的影响差别逐渐减小。

表2 不同磨圆度块石对沙枕袋材料纵向拉伸强度影响

图1 沙枕袋材料纵向拉伸强度变化曲线

图2 沙枕袋材料纵向拉伸强度折减率变化曲线

2.2 纵向最大伸长率试验结果与分析

根据不同工况下的离心试验结果，计算获取沙枕袋材料纵向最大伸长率变化特性(见表3)以及如图3—4所示的纵向最大伸长率和纵向最大伸长率折减率的变化曲线。由结果可知，卵石和碎石2种不同磨圆度的抛石对沙枕袋的损伤存在差距，但是这种差距呈现出先增大后减小的特征。当离心机提供的加速度为30g时，卵石和碎石2种不同磨圆度试验块石造成沙枕袋材料的纵向最大伸长率分别为7.41%和6.72%，纵向最大伸长率折减率分别为62.0%和65.3%。二者相比，抛投碎石相对于抛投卵石造成的沙枕袋材料纵向纵向最大伸长率多降低了3.3%，块石的磨圆度影响最为明显。当离心机提供的加速度为35g时，抛投碎石相对于抛投卵石造成的沙枕袋材料纵向最大伸长率多降低了3.1%，块石的磨圆度影响也十分明显。，当离心机提供的加速度为45g时，抛投碎石和抛投卵石造成的沙枕袋材料纵向最大伸长率基本一致，说明块石的磨圆度的影响并不明显。

总之，当离心机提供的加速度小于35g情况下，抛投碎石会造成更为明显的纵向最大伸长率折减量，块石磨圆度的影响较为明显；当离心机提供的加速度大于35g情况下，随着加速度值的进一步增加，2种不同磨圆度块石对沙枕袋材料纵向最大伸长率的影响逐渐减小。

表3 不同磨圆度块石对沙枕袋材料纵向最大伸长率的影响

图3 沙枕袋材料纵向最大伸长率变化曲线

图4 沙枕袋材料纵向最大伸长率折减率变化曲线

2.3 冲击能量-强度折减关系拟合

为了进一步研究冲击能量和沙枕袋材料强度折减率之间关系，研究中利用试验数据，对卵石和碎石条件下冲击能量和沙枕袋材料强度折减率关系进行拟合，结果如图5—6所示。由图5中的拟合函数解析式可知，如果抛石材料为卵石，当离心机提供的冲击能量小于131kJ时，随着冲击能量的增加沙枕袋材料的拉伸强度折减率逐渐增大，当离心机提供的冲击能量大于131kJ时，随着冲击能量的增加沙枕袋材料的拉伸强度折减率逐渐减小。由图6中的拟合函数解析式可知，如果抛石材料为碎石，当离心机提供的冲击能量小于96kJ情况下，随着冲击能量的增加沙枕袋材料的拉伸强度折减率逐渐增大，当离心机提供的冲击能量大于96kJ情况下，随着冲击能量的增加沙枕袋材料的拉伸强度折减率逐渐减小。