水下多種摩擦界面摩擦系數實驗研究

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實驗研究

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、重力式碼頭等水運工程建設中涉及摩擦界面及摩擦系數的選擇時，采用統一定值的摩擦系數往往不能滿足設計施工要求。針對此問題，選取代表性摩擦界面進行試驗研究，在不同受力工況下分析碎石基床存在浮泥的影響。試驗結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和影響摩擦系數取值的敏感性因素，可為水運工程中相關受力計算提供依據。

摩擦系數；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的摩擦界面及摩擦系數，對保證結構體的抗滑穩定性、施工工法的選擇極為重要。例如，在重力式碼頭沉箱抗滑穩定驗算時，涉及到混凝土與碎石基床頂面之間的摩擦系數，多數港工專著、規范都采用兩者之間的靜摩擦系數0.6，主要依據為日本和前蘇聯進行的試驗資料和工程經驗。通過以往施工經驗表明，在不同受力工況時，選取統一定值的摩擦系數并不可靠，特別是在碎石基床存在回淤物時的摩擦系數差別較大。因此，對不同界面之間摩擦機理、摩擦系數取值進行實驗研究具有重要意義。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行研究，分析影響摩擦系數取值的敏感性因素，確定摩擦界面選型及相應摩擦系數的取值問題，結果可為類似工況的相關工程受力計算提供參考。

1 研究進展

國內從20世紀70年代開始，為解決工程實踐中使用摩擦系數遇到的問題，開展了一系列試驗研究，對混凝土與碎石基床摩擦系數的影響因素和變化特性有了較深入的認識。主要觀點可歸納為：1）混凝土與碎石基床摩擦系數隨著基床應力的加大，特別是當基床應力大于300 kPa條件下，會低于0.6這一標準值；2）基床整平方式對摩擦系數有一定影響，多數試驗結果顯示細平基床的摩擦系數高于極細平基床，基床頂部應避免碎石成層；3）混凝土與碎石基床摩擦系數試驗結果顯示較大的隨機變化。這些結論體現于交通運輸部頒發的JTS 167-2—2009《重力式碼頭設計施工規范》[1]有關條文與說明。

2 試驗方法

2.1 試驗條件

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

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

3）加齒鋼結構與碎石基床水下環境在不回淤以及回淤基底壓力9.3 kPa、200 Pa時摩擦系數試驗。

4）混凝土與橡膠水下環境在基底壓力3.33 MPa時摩擦系數試驗。

2.2 試驗設備及材料

混凝土預制塊Ⅰ尺寸2 m×2 m×0.4 m，強度等級為C50。

加齒鋼結構尺寸1.4 m×1.4 m×0.35 m，通長等間距均布5根直徑25 mm一級螺紋鋼作為阻滑齒，見圖1。

圖1 加齒鋼結構Fig.1 The steelstructure with tine

混凝土預制塊Ⅱ尺寸15 cm×15 cm×15 cm，強度等級為C45，表面潤濕模擬水下環境。

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，表面潤濕模擬水下環境。

淤泥為膠州灣內海底淤泥，現場抽取加海水拌制泥漿，泥漿比重1.265。

碎石基床鋪設尺寸5.625 m×4.8 m×1.3 m，選用20～60 mm級配碎石。

2.3 試驗加載及數據采集

豎向荷載通過設備自重或千斤頂施加，拉壓傳感器配合動靜態電阻應變測試系統采集。水平荷載通過千斤頂施加，壓力傳感器配合動靜態電阻應變儀及靜力載荷測試系統采集。水平位移通過位移計或數顯百分表采集控制。

2.4 摩擦系數取值原則

摩擦界面相對位移見表1，觀測起始周期為加載起始至摩擦界面位移達到峰值，摩擦系數定值為首個觀測峰值。

表1 試驗成果表Table 1 Test results table

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

試驗結果見表1。

全部摩擦系數試驗曲線規律基本一致，代表曲線見圖2。摩擦系數變化規律為先達到極大值，后減小到極小值，后期緩慢增長。

圖2 典型試驗曲線Fig.2 Typicaltest curves

3.2 試驗結果分析

3.2.1 試驗結果影響因素分析

1）碎石基床摩擦強度取決于法向正應力和碎石的內摩擦角。其中內摩擦角涉及碎石顆粒間的相對移動，主要分為兩個部分[2]：滑動摩擦力即產生相對滑動時克服由于表面粗糙不平引起的滑動摩擦；咬合摩擦力即由于碎石之間存在相互鑲嵌、咬合、連鎖作用，當碎石脫離咬合狀態而產生的咬合摩擦力。

2）試驗加載起始階段，碎石部分與加載板接觸，碎石受力壓密實，參與摩擦的碎石量增加，碎石基床有別于其他連續體，不會出現傳統意義上的最大靜摩力。圖2中摩擦系數達到一極值后，后期伴有緩慢增長的趨勢，原因是板底碎石存在滾動，水平加載持續，參與滾動碎石減少。

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，回淤時摩擦系數較不回淤降低24%。

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

圖3 橡膠板對摩擦系數的影響Fig.3 Influence of rubber sheet on friction coefficient

3.2.2 試驗結果比較分析

1）本試驗中混凝土與橡膠板間基底壓力3.33 MPa、水下環境摩擦系數均值為0.56；JTG D62—2012《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》橡膠支座與混凝土間摩擦系數為0.3[3]；《機械設計手冊》在潤濕條件下混凝土和橡膠的摩擦系數為0.4～0.75[4]。

2）《長江口深水航道治理工程橡膠阻滑板摩擦系數試驗研究報告》中基底壓力40 kPa、60 kPa、80 kPa時混凝土和碎石基床摩擦系數均值為0.692[5]；《重力式碼頭設計規范》中以0.6作為混凝土與基床摩擦系數，其采用1～50 kg塊石、基床壓力200～600 kPa；本試驗基底壓力2.25 kPa、4.25 kPa、7.25 kPa時摩擦系數均值為0.55。

3）《長江口深水航道治理工程橡膠阻滑板摩擦系數試驗研究報告》選擇多種材質橡膠板，基底壓力40 kPa、60 kPa、80 kPa時全部抽樣產品橡膠阻滑板和碎石基床摩擦系數均值為0.892[5]；本試驗基底壓力139 kPa時摩擦系數均值為0.92，兩者數值相近。

4）《混凝土預制塊體與塊石基床間摩擦系數的現場實驗研究》中回淤條件、基底壓力322.09 kPa時摩擦系數為0.52[6]；本試驗回淤條件、基底壓力200 kPa時摩擦系數為0.46。

5）《重力式鋼結構底面與拋石基床頂面間摩擦系數的測定》中基底壓力400 kPa、600 kPa、800 kPa時加糙處理的鋼沉箱與碎石基床摩擦系數均值為0.535[7]；本試驗基底壓力200 kPa時加齒鋼結構與碎石基床摩擦系數為0.56。

4 結語

1）試驗研究了碎石基床與混凝土、橡膠阻滑板、帶齒鋼結構阻滑板3種材料在不同荷載作用下的摩擦系數，對影響試驗的敏感性問題進行分析，并比較了3種材質應用的可行性。

2）比對其他研究成果，分析了試驗條件相近時摩擦系數取值。

3）試驗成果可為水運工程中相關受力計算、摩擦系數取值提供參考，已在港珠澳大橋沉管隧道施工中應用。

[1]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設計與施工規范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[2]黃平.摩擦學教程[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應力混凝土橋涵設計規范[S]. JTG D62—2012,Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts[S].

[4]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010：36. WEN Bang-chun.Mechanical design handbook[M].Beijing: Machinery Industry Press,2010:36.

[5]李炎保.長江口深水航道治理工程橡膠阻滑板摩擦系數試驗研究報告[R].天津：天津大學，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]天津大學摩擦系數研究課題組.混凝土預制塊體與塊石基床間摩擦系數的現場實驗研究[J].中國港灣建設，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.重力式鋼結構底面與拋石基床頂面間摩擦系數的測定[J].中國港灣建設，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，研究方向為巖土工程數值分析。E-mail：sdzjxian@163.com