拋石磨圓度對沙枕破壞影響的離心模型試驗研究

倪國俊

(桓仁滿族自治縣水務移民服務中心，遼寧 本溪 117200)

在河道整治工程中，采用沙枕和拋石相結合的施工方案具有良好的防沖促淤效果，因此被廣泛應用于各類河道整治工程[1]。其中，沙枕一般采用單層聚丙烯編織布制作而成，在其內部充填砂漿，因此具有良好的柔韌性，施工操作也十分方便[2]。但是，拋石一般需要采用船舶水上拋投的方式進行，在施工過程中必然會對沙枕造成明顯的沖擊[3]。由于缺乏必要的理論支撐，其沖擊作用主要依靠經驗判斷，一旦沖擊作用力過大，就容易造成沙枕的破壞，進而對施工效果造成負面影響[4]。土工離心模型試驗可以通過高速旋轉的方式創造出與實際工況類似的應力場，從而通過實驗室試驗的方式進行應力應變以及破壞機理研究[5]。因此，為了研究沙枕和拋石施工方法的可靠性，本次研究利用離心機試驗的方法，研究拋石的磨圓度對沙枕的破壞性影響，試圖為相關工程設計提供必要的支撐。

1 拋石離心模型試驗方案

1.1 試驗目的和路線

考慮到拋石施工過程中影響因素的復雜性，難以進行拋石對沙枕沖擊能量地準確模擬。因此，本次研究利用CKY200型離心機進行模型試驗，展開不同沖擊能量條件下不同磨圓度的塊石對沙枕破壞影響的研究，進而為相關的工程施工提供必要的技術性支撐。

考慮到單個塊石的拋投試驗對沙枕的影響不夠明顯，難以實現損傷程度的有效評價，因此，研究選取多個質量和粒徑相似的塊石進行試驗[6]。根據相關研究成果，粒徑1.0m的塊石入水瞬時速度為4.38m/s，也就是拋投高度為0.98m時，塊石的入水瞬間加速度為0。如果超過這一高度，則入水后的加速度與塊石的運動方向相反。因此入水瞬間的沖擊能量最大，之后逐漸減小直至演化為勻速運動，因此研究中試驗工況均為水深為0m時的極端情況[7]。根據理性模型的試驗相似比關系，結合拋石工程的實際經驗進行模擬試驗，設定塊石質量為8g，離心機的加速度分別為25g、30g、35g、40g和45g5種情況，其能量等效對應關系見表1。

表1 離心試驗等效對應關系

1.2 試驗材料與裝置

為了研究不同磨圓度塊石對沙枕的沖擊影響，研究中選用磨圓度差別較大的卵石和碎石進行試驗研究，塊石的質量為8.0g左右，直徑為1～2cm[8]。研究中使用的模型箱尺寸為1.0m×0.4m×0.8m，其內部的試驗箱尺寸為38cm×36cm×78cm。在試驗箱內部高度為38cm的高度分別設置尺寸為12cm×35cm與35cm×27cm，厚度為1cm的固定板和抽板，傳動箱的尺寸為38cm×36cm×78cm。一塊規格為37cm×35cm、厚度1cm、中間鏤空的鋼板，其中間的長方形空洞尺寸為20cm×10cm。剪取尺寸為37cm×35cm的工程用沙枕編織袋若干備用。

1.3 試驗步驟

按照表1中設置的5種不同的離心機加速度，卵石和碎石2種不同的拋石種類，設置10組試驗。具體的試驗步驟為：將剪取的沙枕袋放在試驗箱的底部，然后將試驗箱和傳動箱安裝到模型箱內的預定部位。在試驗箱內距離底部38cm的部位安放好抽板，并將鏤空鋼板放在抽板上方，以保證試驗過程中的塊石能夠準確擊中沙枕袋的中間部位。在鏤空鋼板的中空部位放上試驗用塊石，然后將其與傳動箱內的傳動裝置相連。試驗中將離心機加速，當達到預定的試驗速度時，傳動裝置迅速抽掉抽板，塊石便以預定的速度沖擊下方的沙枕袋。在停機之后，取出塊石并更換沙枕袋，按順序進行下一組試驗。對取出的受損沙枕袋進行拉伸試驗，以評估受損狀況。

2 試驗結果與分析

2.1 縱向拉伸強度試驗結果與分析

根據不同工況下的離心試驗結果，計算獲取沙枕袋材料縱向拉伸強度變化特性(見表2)以及如圖1—2所示的縱向拉伸強度和縱向拉伸強度折減率的變化曲線。由結果可知，卵石和碎石2種不同磨圓度的拋石對沙枕袋的損傷存在差距，但是這種差距呈現出先增大后減小的特征。當離心機提供的加速度為30g時，卵石和碎石2種不同磨圓度試驗塊石造成沙枕袋材料的縱向拉伸強度分別為21.55和17.99N/mm，縱向拉伸強度折減率分別為63.4%和57.4%。二者相比，拋投碎石相對于拋投卵石造成的沙枕袋材料縱向拉伸度多降低了7.0%，塊石的磨圓度影響最為明顯。當離心機提供的加速度為35g時，拋投碎石相對于拋投卵石造成的沙枕袋材料縱向拉伸度多降低了5.8%，塊石的磨圓度影響也十分明顯。當離心機提供的加速度為45g時，拋投碎石相對于拋投卵石造成的沙枕袋材料縱向拉伸度多降低了0.7%，塊石的磨圓度影響并不明顯。

總之，當離心機提供的加速度小于35g情況下，拋投碎石會造成更為明顯的縱向拉伸強度折減量，塊石磨圓度的影響較為明顯；當離心機提供的加速度大于35g情況下，隨著加速度值的進一步增加，2種不同磨圓度塊石對沙枕袋材料縱向拉伸強度的影響差別逐漸減小。

表2 不同磨圓度塊石對沙枕袋材料縱向拉伸強度影響

圖1 沙枕袋材料縱向拉伸強度變化曲線

圖2 沙枕袋材料縱向拉伸強度折減率變化曲線

2.2 縱向最大伸長率試驗結果與分析

根據不同工況下的離心試驗結果，計算獲取沙枕袋材料縱向最大伸長率變化特性(見表3)以及如圖3—4所示的縱向最大伸長率和縱向最大伸長率折減率的變化曲線。由結果可知，卵石和碎石2種不同磨圓度的拋石對沙枕袋的損傷存在差距，但是這種差距呈現出先增大后減小的特征。當離心機提供的加速度為30g時，卵石和碎石2種不同磨圓度試驗塊石造成沙枕袋材料的縱向最大伸長率分別為7.41%和6.72%，縱向最大伸長率折減率分別為62.0%和65.3%。二者相比，拋投碎石相對于拋投卵石造成的沙枕袋材料縱向縱向最大伸長率多降低了3.3%，塊石的磨圓度影響最為明顯。當離心機提供的加速度為35g時，拋投碎石相對于拋投卵石造成的沙枕袋材料縱向最大伸長率多降低了3.1%，塊石的磨圓度影響也十分明顯。，當離心機提供的加速度為45g時，拋投碎石和拋投卵石造成的沙枕袋材料縱向最大伸長率基本一致，說明塊石的磨圓度的影響并不明顯。

總之，當離心機提供的加速度小于35g情況下，拋投碎石會造成更為明顯的縱向最大伸長率折減量，塊石磨圓度的影響較為明顯；當離心機提供的加速度大于35g情況下，隨著加速度值的進一步增加，2種不同磨圓度塊石對沙枕袋材料縱向最大伸長率的影響逐漸減小。

表3 不同磨圓度塊石對沙枕袋材料縱向最大伸長率的影響

圖3 沙枕袋材料縱向最大伸長率變化曲線

圖4 沙枕袋材料縱向最大伸長率折減率變化曲線

2.3 沖擊能量-強度折減關系擬合

為了進一步研究沖擊能量和沙枕袋材料強度折減率之間關系，研究中利用試驗數據，對卵石和碎石條件下沖擊能量和沙枕袋材料強度折減率關系進行擬合，結果如圖5—6所示。由圖5中的擬合函數解析式可知，如果拋石材料為卵石，當離心機提供的沖擊能量小于131kJ時，隨著沖擊能量的增加沙枕袋材料的拉伸強度折減率逐漸增大，當離心機提供的沖擊能量大于131kJ時，隨著沖擊能量的增加沙枕袋材料的拉伸強度折減率逐漸減小。由圖6中的擬合函數解析式可知，如果拋石材料為碎石，當離心機提供的沖擊能量小于96kJ情況下，隨著沖擊能量的增加沙枕袋材料的拉伸強度折減率逐漸增大，當離心機提供的沖擊能量大于96kJ情況下，隨著沖擊能量的增加沙枕袋材料的拉伸強度折減率逐漸減小。

圖5 拋投卵石擬合曲線

圖6 拋投碎石擬合曲線

3 結論

本文利用離心模型試驗的方法研究了拋石磨圓度對沙枕破壞的影響，并獲得如下結論。

(1)當離心加速度小于35g情況下，塊石磨圓度對沙枕袋材料的縱向拉伸強度和縱向最大伸長率的影響較為明顯；當離心加速度大于35g情況下，隨著加速度值的增加，2種不同磨圓度塊石對沙枕袋材料的縱向拉伸強度和縱向最大伸長率的影響差別逐漸減小。

(2)研究中利用試驗數據，對卵石和碎石條件下沖擊能量和沙枕袋材料強度折減率關系進行擬合，可以為相關研究提供一定的理論支持。