水下多種摩擦界面摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

張俊賢，臧冰，柳家凱

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

水下多種摩擦界面摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

張俊賢，臧冰，柳家凱

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

沉管隧道、重力式碼頭等水運(yùn)工程建設(shè)中涉及摩擦界面及摩擦系數(shù)的選擇時(shí)，采用統(tǒng)一定值的摩擦系數(shù)往往不能滿足設(shè)計(jì)施工要求。針對(duì)此問題，選取代表性摩擦界面進(jìn)行試驗(yàn)研究，在不同受力工況下分析碎石基床存在浮泥的影響。試驗(yàn)結(jié)果給出碎石基床與混凝土、橡膠板、加齒鋼板間以及混凝土與橡膠板間的不同工況下的摩擦系數(shù)和影響摩擦系數(shù)取值的敏感性因素，可為水運(yùn)工程中相關(guān)受力計(jì)算提供依據(jù)。

摩擦系數(shù)；碎石基床；混凝土；橡膠板；加齒鋼板

0 引言

在沉管隧道、重力式碼頭等施工過程中如何選取適當(dāng)?shù)哪Σ两缑婕澳Σ料禂?shù)，對(duì)保證結(jié)構(gòu)體的抗滑穩(wěn)定性、施工工法的選擇極為重要。例如，在重力式碼頭沉箱抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，涉及到混凝土與碎石基床頂面之間的摩擦系數(shù)，多數(shù)港工專著、規(guī)范都采用兩者之間的靜摩擦系數(shù)0.6，主要依據(jù)為日本和前蘇聯(lián)進(jìn)行的試驗(yàn)資料和工程經(jīng)驗(yàn)。通過以往施工經(jīng)驗(yàn)表明，在不同受力工況時(shí)，選取統(tǒng)一定值的摩擦系數(shù)并不可靠，特別是在碎石基床存在回淤物時(shí)的摩擦系數(shù)差別較大。因此，對(duì)不同界面之間摩擦機(jī)理、摩擦系數(shù)取值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。課題選取具有代表性的摩擦界面在不同受力工況以及存在回淤條件進(jìn)行研究，分析影響摩擦系數(shù)取值的敏感性因素，確定摩擦界面選型及相應(yīng)摩擦系數(shù)的取值問題，結(jié)果可為類似工況的相關(guān)工程受力計(jì)算提供參考。

1 研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)70年代開始，為解決工程實(shí)踐中使用摩擦系數(shù)遇到的問題，開展了一系列試驗(yàn)研究，對(duì)混凝土與碎石基床摩擦系數(shù)的影響因素和變化特性有了較深入的認(rèn)識(shí)。主要觀點(diǎn)可歸納為：1）混凝土與碎石基床摩擦系數(shù)隨著基床應(yīng)力的加大，特別是當(dāng)基床應(yīng)力大于300 kPa條件下，會(huì)低于0.6這一標(biāo)準(zhǔn)值；2）基床整平方式對(duì)摩擦系數(shù)有一定影響，多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果顯示細(xì)平基床的摩擦系數(shù)高于極細(xì)平基床，基床頂部應(yīng)避免碎石成層；3）混凝土與碎石基床摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果顯示較大的隨機(jī)變化。這些結(jié)論體現(xiàn)于交通運(yùn)輸部頒發(fā)的JTS 167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)施工規(guī)范》[1]有關(guān)條文與說明。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)條件

1）混凝土與碎石基床水下環(huán)境在不回淤、基底壓力2.25 kPa、4.25 kPa、7.25 kPa時(shí)，以及回淤、基底壓力7.87 kPa時(shí)摩擦系數(shù)試驗(yàn)。

2）橡膠板與碎石基床水下環(huán)境在不回淤、基底壓力2.83 kPa、5.33 kPa、7.83 kPa、139.28 kPa時(shí)，以及回淤、200 kPa時(shí)摩擦系數(shù)試驗(yàn)。

3）加齒鋼結(jié)構(gòu)與碎石基床水下環(huán)境在不回淤以及回淤基底壓力9.3 kPa、200 Pa時(shí)摩擦系數(shù)試驗(yàn)。

4）混凝土與橡膠水下環(huán)境在基底壓力3.33 MPa時(shí)摩擦系數(shù)試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及材料

混凝土預(yù)制塊Ⅰ尺寸2 m×2 m×0.4 m，強(qiáng)度等級(jí)為C50。

加齒鋼結(jié)構(gòu)尺寸1.4 m×1.4 m×0.35 m，通長(zhǎng)等間距均布5根直徑25 mm一級(jí)螺紋鋼作為阻滑齒，見圖1。

圖1 加齒鋼結(jié)構(gòu)Fig.1 The steelstructure with tine

混凝土預(yù)制塊Ⅱ尺寸15 cm×15 cm×15 cm，強(qiáng)度等級(jí)為C45，表面潤(rùn)濕模擬水下環(huán)境。

橡膠板尺寸2 m×2 m×8 mm，條紋凹槽深1 mm，凸紋寬2 mm，邵氏硬度65。

橡膠塊尺寸10 cm×10 cm×3.8 cm，邵氏硬度為65，表面潤(rùn)濕模擬水下環(huán)境。

淤泥為膠州灣內(nèi)海底淤泥，現(xiàn)場(chǎng)抽取加海水拌制泥漿，泥漿比重1.265。

碎石基床鋪設(shè)尺寸5.625 m×4.8 m×1.3 m，選用20～60 mm級(jí)配碎石。

2.3 試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)采集

豎向荷載通過設(shè)備自重或千斤頂施加，拉壓傳感器配合動(dòng)靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集。水平荷載通過千斤頂施加，壓力傳感器配合動(dòng)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀及靜力載荷測(cè)試系統(tǒng)采集。水平位移通過位移計(jì)或數(shù)顯百分表采集控制。

2.4 摩擦系數(shù)取值原則

摩擦界面相對(duì)位移見表1，觀測(cè)起始周期為加載起始至摩擦界面位移達(dá)到峰值，摩擦系數(shù)定值為首個(gè)觀測(cè)峰值。

表1 試驗(yàn)成果表Table 1 Test results table

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表1。

全部摩擦系數(shù)試驗(yàn)曲線規(guī)律基本一致，代表曲線見圖2。摩擦系數(shù)變化規(guī)律為先達(dá)到極大值，后減小到極小值，后期緩慢增長(zhǎng)。

圖2 典型試驗(yàn)曲線Fig.2 Typicaltest curves

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果影響因素分析

1）碎石基床摩擦強(qiáng)度取決于法向正應(yīng)力和碎石的內(nèi)摩擦角。其中內(nèi)摩擦角涉及碎石顆粒間的相對(duì)移動(dòng)，主要分為兩個(gè)部分[2]：滑動(dòng)摩擦力即產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)克服由于表面粗糙不平引起的滑動(dòng)摩擦；咬合摩擦力即由于碎石之間存在相互鑲嵌、咬合、連鎖作用，當(dāng)碎石脫離咬合狀態(tài)而產(chǎn)生的咬合摩擦力。

2）試驗(yàn)加載起始階段，碎石部分與加載板接觸，碎石受力壓密實(shí)，參與摩擦的碎石量增加，碎石基床有別于其他連續(xù)體，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的最大靜摩力。圖2中摩擦系數(shù)達(dá)到一極值后，后期伴有緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，原因是板底碎石存在滾動(dòng)，水平加載持續(xù)，參與滾動(dòng)碎石減少。

3）在相同豎向荷載條件下，碎石基床與混凝土、橡膠阻滑板、加齒鋼阻滑板間的摩擦系數(shù)分別是0.5、0.64、0.55，其中橡膠阻滑板的阻滑效果最好，較混凝土阻滑效果提高28%，較加齒鋼板提高18%。

4）比較碎石基床與混凝土加載板間在不回淤及回淤兩種工況試驗(yàn)，回淤時(shí)摩擦系數(shù)較不回淤降低24%。

5）豎向荷載變化時(shí)，碎石基床采用橡膠板和不采用橡膠板摩擦系數(shù)變化對(duì)比見圖3。

圖3 橡膠板對(duì)摩擦系數(shù)的影響Fig.3 Influence of rubber sheet on friction coefficient

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果比較分析

1）本試驗(yàn)中混凝土與橡膠板間基底壓力3.33 MPa、水下環(huán)境摩擦系數(shù)均值為0.56；JTG D62—2012《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》橡膠支座與混凝土間摩擦系數(shù)為0.3[3]；《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》在潤(rùn)濕條件下混凝土和橡膠的摩擦系數(shù)為0.4～0.75[4]。

2）《長(zhǎng)江口深水航道治理工程橡膠阻滑板摩擦系數(shù)試驗(yàn)研究報(bào)告》中基底壓力40 kPa、60 kPa、80 kPa時(shí)混凝土和碎石基床摩擦系數(shù)均值為0.692[5]；《重力式碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》中以0.6作為混凝土與基床摩擦系數(shù)，其采用1～50 kg塊石、基床壓力200～600 kPa；本試驗(yàn)基底壓力2.25 kPa、4.25 kPa、7.25 kPa時(shí)摩擦系數(shù)均值為0.55。

3）《長(zhǎng)江口深水航道治理工程橡膠阻滑板摩擦系數(shù)試驗(yàn)研究報(bào)告》選擇多種材質(zhì)橡膠板，基底壓力40 kPa、60 kPa、80 kPa時(shí)全部抽樣產(chǎn)品橡膠阻滑板和碎石基床摩擦系數(shù)均值為0.892[5]；本試驗(yàn)基底壓力139 kPa時(shí)摩擦系數(shù)均值為0.92，兩者數(shù)值相近。

4）《混凝土預(yù)制塊體與塊石基床間摩擦系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究》中回淤條件、基底壓力322.09 kPa時(shí)摩擦系數(shù)為0.52[6]；本試驗(yàn)回淤條件、基底壓力200 kPa時(shí)摩擦系數(shù)為0.46。

5）《重力式鋼結(jié)構(gòu)底面與拋石基床頂面間摩擦系數(shù)的測(cè)定》中基底壓力400 kPa、600 kPa、800 kPa時(shí)加糙處理的鋼沉箱與碎石基床摩擦系數(shù)均值為0.535[7]；本試驗(yàn)基底壓力200 kPa時(shí)加齒鋼結(jié)構(gòu)與碎石基床摩擦系數(shù)為0.56。

4 結(jié)語(yǔ)

1）試驗(yàn)研究了碎石基床與混凝土、橡膠阻滑板、帶齒鋼結(jié)構(gòu)阻滑板3種材料在不同荷載作用下的摩擦系數(shù)，對(duì)影響試驗(yàn)的敏感性問題進(jìn)行分析，并比較了3種材質(zhì)應(yīng)用的可行性。

2）比對(duì)其他研究成果，分析了試驗(yàn)條件相近時(shí)摩擦系數(shù)取值。

3）試驗(yàn)成果可為水運(yùn)工程中相關(guān)受力計(jì)算、摩擦系數(shù)取值提供參考，已在港珠澳大橋沉管隧道施工中應(yīng)用。

[1]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[2]黃平.摩擦學(xué)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，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTG D62—2012,Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts[S].

[4]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：36. WEN Bang-chun.Mechanical design handbook[M].Beijing: Machinery Industry Press,2010:36.

[5]李炎保.長(zhǎng)江口深水航道治理工程橡膠阻滑板摩擦系數(shù)試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：天津大學(xué)，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]天津大學(xué)摩擦系數(shù)研究課題組.混凝土預(yù)制塊體與塊石基床間摩擦系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)港灣建設(shè)，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]舒寧，李炎保.重力式鋼結(jié)構(gòu)底面與拋石基床頂面間摩擦系數(shù)的測(cè)定[J].中國(guó)港灣建設(shè)，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

張俊賢（1984— ），男，山東臨沂人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程數(shù)值分析。E-mail：sdzjxian@163.com