邊坡落石柔性防護系統易維修性試驗研究

康 波

(布魯克(成都)工程有限公司 成都 611731)

邊坡落石柔性防護系統是一種有效的落石防護方式，已在邊坡防護工程中廣泛應用并發揮了相應的效果[1-4]，由于柔性防護系統在使用中起攔截落石作用，承受的是落石沖擊動力，相比零部件靜力試驗方法而言，柔性防護系統整體落石沖擊試驗是最直觀、最有效地評價其防護性能的方法。

對于邊坡柔性防護系統整體落石沖擊試驗，國外從1975年開始研究，已經積累了超過350次的現場試驗經驗[5]。Duffy等設計了各種各樣的試驗方案來測試柔性防護系統在落石沖擊作用下的性能。Guido等設計了一系列柔性防護系統試驗模型，采用試塊自由落體的方式，進行了8組3跨足尺試驗模型落石沖擊試驗，沖擊能級最高達到5 000 kJ。Peila等比較分析了不同模型試驗的優缺點，對不同能級的6組落石柔性防護系統進行了足尺模型試驗研究。作為歐洲柔性防護產品認證中心的瑞士Walenstadt試驗場，完成過最高能級10 000 kJ的落石沖擊認證試驗，歐洲技術認定組織(EOTA)也頒布相應的認證標準[6]。

國內柔性防護系統的整體落石沖擊試驗研究起步較晚，在近10余年的研究過程中，建成有2座人工落石沖擊試驗平臺見圖1、圖2，可完成最高能級5 000 kJ的落石沖擊試驗，并于2016年制定了TB/T 3449-2016《鐵路邊坡柔性被動防護產品落石沖擊試驗方法與評價》行業標準[7]，試驗方法與歐洲標準基本一致，但考慮到國內山區交通沿線維修養護困難，增加了易維修性等級評價內容。

圖1 國內落石沖擊試驗場1 圖2 國內落石沖擊試驗場2

1 邊坡落石柔性防護系統沖擊試驗方法

1.1 落石沖擊試驗簡介

沖擊試驗前，先將邊坡落石柔性防護系統試驗模型安裝在垂直的混凝土反力墻上，鋼柱與反力墻法線夾角不大于30°，拉繩與反力墻法線夾角為40°，允許誤差±5°，一般采用3跨的試驗模型，共有4根鋼柱，鋼柱間距為10 m，鋼柱高度根據不同能級選定；試驗模型安裝完成后，采用起吊設備將預制的沖擊試塊提升至一定高度，對準試驗模型中跨中部進行自由落體釋放，垂直沖擊試驗模型，每組試驗要進行3次沖擊，前2次為連續正常工作能級沖擊，最后1次為最大能級沖擊；試塊沖擊完成后，采集數據，對試驗結果進行判定和評價，判斷防護系統的防護性能并評價其易維修性能。

1.2 試驗平臺與試驗試塊

試驗平臺能實現3跨足尺落石柔性防護系統試驗模型安裝，滿足沖擊受力和變形空間要求，具備試塊起吊、釋放及數據采集等必要設備。沖擊試塊呈26面體，由鋼筋混凝土制作，根據沖擊能級制成不同尺寸、不同重量，密度為2 500～3 000 kg/m3,與巖石密度接近。試驗平臺示意圖與沖擊試塊見圖3、圖4。

圖3 垂直落石沖擊試驗 圖4 沖擊試塊平臺示意圖

1.3 沖擊能量與速度確定

試驗中，由于是確定重量試塊的垂直沖擊，沖擊能量E可通過動能-勢能轉換方程確定

式中：m為沖擊試塊質量；v為沖擊試塊速度；g為重力加速度；h為沖擊試塊自由下落的高度。通過需要的沖擊能量，便能反算出試塊需要的自由下落高度[8]。

在落石沖擊試驗中，需要控制落石接觸試驗模型時的沖擊速度不小于25 m/s，但也不能無限放大速度，減小試塊重量，每種型號柔性網都有可承受的極限速度，超過極限速度會出現“子彈”效應，擊穿網片[9]，一般沖擊速度不大于35 m/s。

1.4 沖擊要求

每組落石柔性防護系統沖擊試驗需要做3次沖擊,前2次正常工作能級(SEL)試驗，最后1次最大試驗能級(MEL)試驗，SEL試驗能級不應小于MEL試驗能級的1/3；2次連續SEL沖擊之間不進行試驗模型修復，第2次SEL沖擊試驗完成后可以對試驗模型進行修復安裝，再進行最后1次MEL沖擊；沖擊位置均為試驗模型中跨網面的幾何中心位置。試驗沖擊位置見圖5。

圖5 試驗沖擊位置示意圖

1.5 結果判定及易維修性評價

根據3次落石沖擊試驗過程中采集的數據，參照判定標準中沖擊能級、容許緩沖距離、殘余攔截高度等參數進行試驗結果判定?？紤]到我國山區交通維修條件困難因素，標準中增加了產品易維修性評價指標，以供設計人員根據具體條件選用。易維修性等級評價見表1。易維修性等級主要反映試驗產品在不維修條件下抗連續沖擊能力，以及發生落石沖擊事件對系統損壞后進行必要維修的難易程度。

表1 易維修性等級評價

2 易維修性試驗方案設計

本次試驗模型的抗沖擊能力為1 000 kJ，SEL試驗采用質量0.990 kg試塊，自由落體高度35.4 m，沖擊速度26.3 m/s，換算沖擊能量343.4 kJ；MEL試驗采用質量3 100 kg試塊，自由落體高度33.2 m，沖擊速度25.5 m/s，換算沖擊能能量1 008.6 kJ。共制作安裝2組1∶1足尺試驗模型，試驗模型長度為30 m，分3跨4根立柱，高度5 m。2組試驗模型的零部件規格、數量配置基本相同，僅有減壓環布置形式與安裝連接方式不同，支撐繩上連接減壓環布置均為16個，布置示意圖見圖6、圖7。

圖6 試驗模型1布置示意圖

圖7 試驗模型2布置示意圖

減壓環是落石柔性防護系統中主要的能量吸收裝置，由于其結構簡單、耗能特性強等優點，成為應用最廣泛的耗能件之一[10-11]，其安裝布置方式對系統的沖擊性能起關鍵作用。試驗模型1減壓環分布在每跨的支撐繩上，直接用支撐繩穿過減壓環連接，這種安裝方式在實際工程上廣泛使用；試驗模型2減壓環布置在兩側支撐繩上，先用1節短鋼繩穿過減壓環后兩端壓接卡環，再用卸扣與支撐繩連接。

3 試驗結果及易維修性分析

通過落石沖擊試驗及數據采集，2組試驗模型均通過了3次沖擊試驗，試驗模型1安裝完成情況見圖8；試驗模型1經過第2次SEL試驗沖擊后狀態見圖9、圖10，線條標識分別為中跨、邊跨外側支撐繩與減壓環變形情況；經過MEL試驗后支撐繩與減壓環變形狀態見圖11。

圖8 試驗模型1安裝完成

圖9 試驗模型1第2次SEL試驗中跨

圖10 試驗模型1第2次SEL試驗邊跨外側

圖11 試驗模型1MEL試驗

試驗模型2安裝完成情況見圖12；試驗模型2經過第2次SEL試驗沖擊后中跨支撐繩變形狀態見圖13線條標識，邊跨外側支撐繩與減壓環變形情況見圖14線條標識；經過MEL試驗后支撐繩變形狀態見圖15。

圖12 試驗模型2安裝完成

圖13 試驗模型2第2次SEL試驗中跨

圖14 試驗模型2第2次SEL試驗邊跨外側

圖15 試驗模型2MEL試驗

在試驗模型1第2次SEL試驗后，MEL試驗前進行維修安裝，首先拆卸全部6張環形網網片，再拆卸上下支撐繩(含減壓環，因減壓環與支撐繩穿連)，調整立柱拉繩角度，最后重新進行支撐繩(含減壓環)安裝與網片安裝。由于減壓環變形后與支撐繩扭結在一起，不能單獨更換，只能更換所有支撐繩，整個維修安裝工作消耗16人·d。根據易維修性評價標準，評定易維修性等級為C級。

在試驗模型2第2次SEL試驗后，MEL試驗前進行維修安裝，拆卸更換中跨2片受損網片，更換試驗模型邊跨外側的4組16個減壓環，調整鋼柱拉繩角度，重新張緊支撐繩，整個維修安裝工作消耗6人·d。根據易維修性評價標準，評定易維修性等級為A級。

4 結語

通過1∶1足尺試驗模型落石沖擊試驗，介紹了邊坡落石柔性防護系統落石沖擊試驗方法，對試驗易維修性評價進行了2組模型對比試驗，分析了減壓環對系統維修安裝過程的影響，得出以下結論。

1) 國內落石沖擊試驗工作開展較晚，但吸取了歐洲試驗經驗，并提出了更符合國內柔性防護系統使用需求的易維修性評價標準。

2) 易維修性等級評價不僅反映柔性防護產品在不維修條件下抗連續沖擊能力，也反映發生落石沖擊事件對系統損壞后，對系統維修安裝恢復防護能力的難易程度。

3) 2組模型的對比試驗表明，減壓環的布置形式與連接方式對柔性防護系統受沖擊后維修安裝工作至關重要，合理布置、連接減壓環可以減少系統維修安裝材料使用及工作量，可以提升易維修性等級。