徐 濤 李俊敏 裴志勇 趙慶亮 吳衛(wèi)國
(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學高性能艦船技術(shù)教育部重點實驗室2) 武漢 430063) (山東省濟南船舶檢驗局3) 濟南 250014)
近年來,隨著交通運輸需求量的不斷增加,一些懸索橋、承壓舟浮橋等交通工程在國內(nèi)外發(fā)展迅猛[1],這些需要長期固定的工程裝備,常常采用混凝土錨碇作為固定和系泊設(shè)備,主要有重力式混凝土錨碇和嵌入式混凝土錨碇兩種主要形式[2].對于重力式錨碇,纜繩垂直方向的分力由自身的重力和地基的垂向支反力平衡;水平方向的分力是由錨碇與地面間的摩擦阻力平衡[3],所以其錨碇力計算清楚明了,但重力式錨碇往往需要巨大的體積和質(zhì)量,經(jīng)濟性能較差.嵌入式錨碇是將錨碇嵌入地基下數(shù)倍埋深處,質(zhì)量較小但能夠提供數(shù)倍于自身質(zhì)量的拉力,在交通工程中有著廣泛的應(yīng)用.江陰10萬噸級衡山號浮船塢將12只混凝土錨碇埋于黏質(zhì)砂土中進行系泊[4];南京原油中轉(zhuǎn)港將鋼筋混凝土錨碇埋深8~10 m用于系泊甲級浮筒;我國海軍艦船防風系泊的水鼓也常采用嵌入式錨碇[5].由于嵌入式錨碇能夠提供遠超過自身質(zhì)量的錨碇力,具有良好的經(jīng)濟性能,在系泊裝置中的使用日益廣泛.由于嵌入式錨體錨碇力的影響因素較多,雖然一些國內(nèi)外論文和規(guī)范中給出了計算公式,但都存在一定的簡化和局限性,很難對嵌入式錨體錨碇力進行準確的計算[6-9].
黃河砂土屬于粉細砂,主要由單礦物顆粒(石英、長石、云母等)組成,呈現(xiàn)出黃褐色,顆粒直徑尺寸比較分散,與一般砂土有極大的不同.黃河砂土在干砂情況下極為分散,有少量的粘結(jié)輕碰即散;在潮濕狀態(tài)時,用手拍擊其表面會有明顯的泛漿現(xiàn)象,有明顯的黏著感;將物塊埋置于水下濕砂中,拔起時物塊會受到極大的砂土黏性力[10].
嵌入式混凝土錨體錨碇力產(chǎn)生的機理十分復雜,錨碇力主要成分包括砂土壓力、砂土粘性力、砂土摩擦力等.錨碇在砂土中受牽引作用時,會受到主動土壓力與被動土壓力的壓差阻力;在錨碇與砂土接觸表面會受到砂土粘性力;并且當錨碇表面與砂土相對靜止或者運動時,會分別受到砂土的靜摩擦力、動摩擦力.當錨碇自身參數(shù)發(fā)生變化或者處于不同的作業(yè)工況時,錨碇力產(chǎn)生的主要成分占比會發(fā)生變化,影響錨碇所能提供的錨碇力.錨碇埋深(錨碇下表面距砂土表面距離與錨碇高度的比值)、形狀、拉力角度、砂土水飽,以及度都會影響錨碇所受的砂土壓力、砂土黏性力、砂土摩擦力,進而影響錨碇力.
目前針對黃河砂土嵌入式混凝土錨體錨碇力的研究幾乎是一片空白,極大的制約了嵌入式混凝土錨碇在黃河流域工程項目中的應(yīng)用.季節(jié)性干旱、岸邊裝備固定等情況下砂土水飽和度會不斷變化,影響錨碇力.本研究設(shè)計系列試驗方案,探究錨碇縮尺比、埋深、形狀、拉力角度,以及水飽和度等因素對黃河砂土嵌入式混凝土錨體錨碇力的影響,并歸納總結(jié)出不同工況下錨碇力系數(shù)(錨碇提供的最大錨碇力與自身質(zhì)量的比值)的變化規(guī)律.
在進行模型錨碇試驗前,首先需要確定錨碇的實形尺寸及形狀,一方面是為了確定合適的模型錨碇尺寸、形狀,另一方面是確定模型錨碇相對實形錨碇的縮尺比.本文參考承壓舟浮橋中實際使用的混凝土錨碇的尺寸形式,最終確定實形錨碇形式為邊長1 m的立方體錨碇.
模型錨碇尺寸和形狀的制定,必須滿足試驗條件且能夠達到試驗目的.其中,縮尺比對錨碇力系數(shù)的影響通過不同邊長,同一形狀的立方體錨碇進行探究,如下代號M30,M40,M50;形狀對錨碇力系數(shù)的影響通過四種不同形狀,外部尺寸基本相同的錨碇進行探究,如下代號M40,M40D,M40L,M40W;最終的模型錨碇見表1,錨碇形狀尺寸以及實物圖見圖1.
表1 模型錨碇參數(shù)
圖1 錨碇尺寸形狀參數(shù)
為了試驗能夠安全高效的進行,一套合理的試驗系統(tǒng)尤為重要,圖2為試驗設(shè)備與裝置布置示意圖.試驗系統(tǒng)主要包括動力裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置,以及數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng).動力裝置由牽引定滑輪、鋼絲繩、動滑輪、卷揚機、遙控裝置組成,鋼絲繩的牽引速度為8 m/min.
圖2 設(shè)備與裝置布置示意圖
通過拉力傳感器測量錨碇力(見圖3a),并將拉力信號轉(zhuǎn)化為壓差信號傳輸至壓差信號采集器.試驗中錨碇位移的直接測量存在較大困難,并且水上工程裝備更加關(guān)注在系泊點處的位移情況,所以本試驗將拉力測量裝置固定于定滑輪上,并在鋼絲繩上安裝拉線傳感器的拉線固定裝置,確保拉線與鋼絲繩始終處于平行狀態(tài),位移傳感器的量程為0~2 000 mm,見圖3b).拉力和位移的壓差信號通過信號線傳導至壓差采集器,由壓差采集器采集并保存.
“十年樹木,百年樹人”,培養(yǎng)人是一個長期的工程。教育影響相對于教育行為,具有明顯的滯后性,家庭教育也不例外。因家庭教育不當產(chǎn)生的問題,會在孩子進入青春期與大學階段呈集中爆發(fā)狀態(tài),有的會延后到下一代擇偶、組建新家庭時才會有所表現(xiàn)。這使得眾多家長往往不能對孩子的成長問題做家庭教育方面的歸因,不能回溯家庭教育問題,而將此歸因于外部條件的變化。比如,他們認為“孩子進入青春期,產(chǎn)生叛逆”,“孩子進入大學,生活環(huán)境條件變化,不能適應(yīng)”,“年輕人進入婚戀期,一時不知道如何相處”等等。實際上,其中很多的問題都源自家庭教育失當,造成孩子不能很好地適應(yīng)變化的環(huán)境,因而產(chǎn)生各種各樣的適應(yīng)問題。
圖3 兩種傳感器
模型錨碇試驗的主要目的是得到系列錨碇在不同工況下的錨碇力,并換算得到錨碇力系數(shù),每一種工況至少進行3次試驗以消除試驗誤差,處理試驗數(shù)據(jù)得到錨碇力系數(shù).
合理的試驗流程應(yīng)當能夠安全、準確、高效的完成錨碇試驗,具體試驗流程如下.
步驟1構(gòu)架試驗系統(tǒng) 布置砂土、拉力裝置、測量裝置等試驗設(shè)備,確保系統(tǒng)正常工作.
步驟2根據(jù)試驗方案,將錨碇定位埋置在砂土中.
步驟3預拉緊牽引鋼絲繩,測量牽引鋼絲繩與水平面夾角.
步驟4拉力、位移數(shù)據(jù)試采集并處理分析 判斷數(shù)據(jù)是否正常,若正常,進行后續(xù)試驗步驟;若異常,排查系統(tǒng)故障后返回步驟3.
步驟5進行錨碇力試驗 完成試驗數(shù)據(jù)的采集與分析,判斷數(shù)據(jù)是否正常,若正常,則結(jié)束本工況的一次試驗;若異常,排查系統(tǒng)故障后返回步驟2.
模型錨碇和實形錨碇的力學特性通過縮尺比進行轉(zhuǎn)化,引入了縮尺比這一影響因素,模型錨碇縮尺比采用0.3,0.4,0.5,得到模型錨碇M30,M40,M50.干砂試驗和100%水飽和度濕砂試驗中四種錨碇的試驗數(shù)據(jù)分別見表2和表4,錨碇力系數(shù)隨縮尺比變化規(guī)律見圖4.
表2 干砂試驗結(jié)果
表3 M40錨碇不同水飽和度砂土中試驗結(jié)果
表4 100%水飽和度濕砂試驗結(jié)果
系數(shù)變化范圍為1.43~1.56;1倍埋深的錨碇力系數(shù)變化范圍為2.48~3.78;2倍埋深的錨碇力系數(shù)變化范圍為6.01~6.63.0倍埋深時,錨碇力
圖4 錨碇力系數(shù)隨縮尺比變化規(guī)律
由圖4可知,干砂試驗中,0倍埋深的錨碇力主要為其表面摩擦力,與錨碇質(zhì)量成正比,故錨碇力系數(shù)基本不變;1倍、2倍埋深時,錨碇力系數(shù)隨縮尺比的增加而減小,變化規(guī)律接近線性.
100%水飽和度試驗中0倍埋深的錨碇力系數(shù)隨縮尺比變化范圍為1.24~1.40;0.5倍埋深的錨碇力系數(shù)與錨碇自身質(zhì)量變化范圍為4.20~5.46;1倍埋深的錨碇力系數(shù)與錨碇自身質(zhì)量變化范圍為12.84~13.89.0倍埋深時,錨碇力系數(shù)基本不變;0.5倍、1倍埋深時,錨碇力系數(shù)隨縮尺比的增加而減小,變化規(guī)律接近線性.
研究表明埋深是錨碇力極為重要的影響因素,本文通過分析各錨碇在不同埋深下的錨碇力系數(shù),確定錨碇埋深對錨碇力系數(shù)的影響,見圖5.
圖5 錨碇力系數(shù)隨錨碇埋深變化規(guī)律
由圖5可知,干砂試驗中,0倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為0.93~1.55;1倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為2.57~3.32;2倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為5.77~7.61.0~1倍埋深時錨碇力系數(shù)的增加較為緩慢,1~2倍埋深時錨碇力系數(shù)增加較快.
100%水飽和度濕砂試驗中,0倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為0.88~1.41;0.5倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為3.95~5.46;1倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為12.84~15.02.0~0.5倍埋深時錨碇力系數(shù)的增加較為緩慢,0.5~1倍埋深時錨碇力系數(shù)增加較快.
相同水飽和度砂土中,同一埋深下錨碇力系數(shù)的波動較小,表明錨碇埋深的影響程度遠超過錨碇縮尺比、錨碇形狀、錨碇拉力角度,是影響錨碇力系數(shù)最主要的因素之一.
錨碇形狀的不同,會改變錨碇與砂土的接觸面,影響摩擦阻力;會影響錨碇重心位置,進而影響錨碇合力方向與運動軌跡;相同埋深下錨碇表面壓力會有所不同.錨碇形狀的不同,會產(chǎn)生多方面影響,很難用理論進行準確的計算,本試驗主要是通過對比M40,M40D,M40L,M40W四種錨碇在不同埋深下的錨碇力系數(shù)來探究錨碇形狀的影響,見圖6.
圖6 錨碇力系數(shù)隨形狀變化規(guī)律
由圖6可知,干砂試驗中,0倍埋深時錨碇力主要為錨碇與砂土的摩擦力和錨碇前的堆砂阻力,1倍、2倍埋深時,錨碇力由壓差和錨碇表面的摩擦力提供.0倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為0.93~1.55;1倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為2.67~3.13;2倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為6.51~7.2.有底洞的錨碇M40D因底部空洞導致重心前移,會增加錨碇前端入砂的深度,進而增大前端的堆砂阻力,所以M40D的錨碇力系數(shù)最大;M40L錨碇前端是棱臺形,錨碇前端不容易形成堆砂,所以M40L的錨碇力系數(shù)最小.在1倍、2倍埋深時,M40L錨碇前端棱臺有一定的破土性,所以棱臺形的錨碇力系數(shù)最小.由于M40W,M40D,M40這三種錨碇的外形基本相同,所以提供的拉力是相近的,但由于40W,40D,40這三種錨碇的質(zhì)量逐漸增加,所以錨碇力系數(shù)逐漸減小.
100%水飽和度濕砂試驗中,0倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為0.88~1.31;1倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為3.95~4.85;2倍埋深時,錨碇力系數(shù)變化范圍為12.46~15.02.0倍埋深時,錨碇力系數(shù)與錨碇自身質(zhì)量規(guī)律相似,由大到小依次為M40,M40D,M40W,M40L,方體錨碇較優(yōu),M40L錨碇被牽引時,下部方體區(qū)域會上翹,導致棱臺面與砂土表面接觸,不易形成堆砂,所以M40L的錨碇力系數(shù)最小.0.5倍埋深時,錨碇力系數(shù)由大到小分別為M40,M40D,M40W,M40L,M40,M40W,M40L錨碇與砂土接觸面積基本相同,此時錨碇力系數(shù)與錨碇自身質(zhì)量有關(guān),質(zhì)量較大的錨碇,錨碇力系數(shù)也較大;M40D由于底部有挖孔,故其與砂土接觸面積較大,并且自身質(zhì)量大于M40W錨碇,所以其錨碇力系數(shù)位于M40與M40W錨碇之間.
1倍埋深時,錨碇力系數(shù)由大到小依次為M40L,M40D,M40,M40W,表明棱臺形錨碇相對其他形式的錨碇較優(yōu).M40D,M40,M40W錨碇力系數(shù)依次減小,表明錨碇與砂土的接觸面積增加會導致其錨碇力系數(shù)增加;M40W錨碇力系數(shù)最小表明中部挖孔這種形式并不能增加錨碇的錨碇力系數(shù).
砂土水飽和度是通過往砂箱中注水過程中不斷測定土壤密度確定的,見表5,在三種不同水飽和度砂土中,M40錨碇的試驗結(jié)果見表3.
表5 砂土水飽和度
圖7為錨碇力系數(shù)隨砂土水飽和度變化規(guī)律,由圖7可知, 0倍埋深時,錨碇力系數(shù)先增加后減小,由于0倍埋深時錨碇力系數(shù)主要受到錨碇前端的堆砂質(zhì)量的影響,干砂質(zhì)量較小,100%水飽和度濕砂底部較硬,不容易形成堆砂,50%水飽和度濕砂較容易形成堆砂,同時堆砂重量也較大,所以50%濕砂試驗時,錨碇力系數(shù)最大.1倍埋深和2倍埋深時,錨碇力系數(shù)隨著砂土水飽和度的增大而增加,50%~100%水飽和度時錨碇力系數(shù)的增速明顯大于0%~50%水飽和度時的增度,由于砂土水飽和度的增加會增大錨碇所受砂土黏性力,并且錨碇力中砂土粘性力占比遠超過砂土摩擦力以及砂土壓力所占,所以錨碇力增速明顯.2倍埋深時錨碇力系數(shù)的增加速度超過1倍埋深時的增加速度,因為1倍埋深時錨碇上表面未受到砂土壓力,而2倍埋深時,錨碇外表面均與砂土接觸,且錨碇表面壓力明顯增大,會使錨碇表面粘性力迅速增加,故2倍埋深時錨碇力系數(shù)增加明顯.
圖7 錨碇力系數(shù)隨砂土水飽和度變化規(guī)律
錨碇拉力角度的影響在干砂試驗中進行了探究,錨碇力系數(shù)隨拉力角度的變化規(guī)律見圖8.
圖8 拉力角度對錨碇力系數(shù)的影響
由圖8可知,試驗數(shù)據(jù)見表2.0倍埋深的錨碇力系數(shù)隨拉力角度變化范圍為0.9~1.23;1倍埋深的錨碇力系數(shù)隨拉力角度變化范圍為3.32~3.78;2倍埋深的錨碇力系數(shù)隨拉力角度變化范圍為7.12~7.73.在相同埋深下,錨碇力系數(shù)的波動較小,表明拉力角度對錨碇力系數(shù)的影響程度較小,由圖可見錨碇力系數(shù)隨錨碇拉力角度增加呈現(xiàn)出接近線性的變化規(guī)律.
1) 錨碇力系數(shù)影響因素中,錨碇埋深和砂土水飽和度的增加會明顯增大錨碇力系數(shù),是試驗探究的因素中影響最顯著的兩個因素,錨碇縮尺比、錨碇形狀、錨碇拉力角度對錨碇力的影響相對較??;其中錨碇力系數(shù)隨錨碇縮尺比以及拉力角度的變化規(guī)律接近線性;錨碇完全嵌入100%水飽和度砂土中是最為常見的工況,該工況上半部棱臺下半部方體形錨碇提供錨碇力最大.
2) 本試驗探究的試驗工況與錨碇參數(shù)較多,在工程應(yīng)用中,可在充分考慮各因素影響程度的基礎(chǔ)上,根據(jù)實際工況選取主要的影響因素,擬合經(jīng)驗公式.3) 黃河砂土嵌入式混凝土錨體錨碇力試驗過程中存在不可避免的系統(tǒng)誤差,并且試驗結(jié)果存在一定的離散性,在工程應(yīng)用中需充分考慮.