陶永康,陳昌山,段彩紅

(1.四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究院,成都 610046)

邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)在20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā),對(duì)各類(lèi)斜坡坡面崩塌落石、風(fēng)化剝落和雪崩等自然災(zāi)害起到了良好的防護(hù)效果,在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[1-5]。目前國(guó)內(nèi)已建成有3座落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)落石沖擊試驗(yàn)檢測(cè)與研究[6]。如圖1所示,為一種垂直落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)。本文討論的問(wèn)題均為該種平臺(tái)的相關(guān)問(wèn)題。TB/T 3449-2016《鐵路邊坡柔性被動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品落石沖擊試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)》作為邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)最重要的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一,實(shí)施6年來(lái)為中國(guó)邊坡防護(hù)行業(yè)的發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn),使邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)落石沖擊試驗(yàn)成為驗(yàn)證防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)性能的最直觀的檢測(cè)試驗(yàn),也越來(lái)越受到相關(guān)工程方和生產(chǎn)企業(yè)所接受。但在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用于實(shí)際試驗(yàn)的過(guò)程中,也出現(xiàn)了一些爭(zhēng)議。由于本試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)費(fèi)用較高,試驗(yàn)周期較長(zhǎng),所以單次試驗(yàn)費(fèi)用高,一旦出現(xiàn)爭(zhēng)議可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不可接受,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。筆者結(jié)合多次落石沖擊試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)研究[7-11],以及自身的一些實(shí)踐和認(rèn)識(shí),提出幾點(diǎn)建議,以供下次本標(biāo)準(zhǔn)換版修訂時(shí)參考。

圖1 垂直沖擊試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

1 落石速度測(cè)量問(wèn)題

1.1 標(biāo)準(zhǔn)中存在的速度測(cè)量問(wèn)題

TB/T 3449-2016中第5.4.1條規(guī)定“被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)試驗(yàn)時(shí),在距離沖擊點(diǎn)最后1m范圍內(nèi)試塊的平均速度不應(yīng)小于25 m/s;柔性格柵網(wǎng)試驗(yàn)時(shí),在距離沖擊點(diǎn)最后1m范圍內(nèi)試塊的平均速度不應(yīng)小于15 m/s”。第5.6.2條規(guī)定“試塊速度可采用激光測(cè)速儀或雷達(dá)測(cè)速儀測(cè)量,也可采用影像記錄分析法測(cè)量,精度不低于0.1 m/s”。由于符合測(cè)量精度的激光測(cè)速儀和雷達(dá)測(cè)速儀價(jià)格高昂,且落石沖擊的落點(diǎn)不可控,落點(diǎn)偏離網(wǎng)面中心的隨機(jī)性較高,導(dǎo)致使用該兩種儀器測(cè)速的操作性不強(qiáng)。實(shí)際試驗(yàn)中大多采用高速攝像機(jī)記錄影像,然后通過(guò)影像分析法測(cè)量速度。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高速攝像機(jī)的參數(shù)要求為像素不低于500萬(wàn),幀率不低于100幀/s。為滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)試驗(yàn)時(shí),在距離沖擊點(diǎn)最后1m范圍內(nèi)試塊的平均速度不應(yīng)小于25 m/s的要求,可知落石運(yùn)動(dòng)時(shí)間不應(yīng)低于0.04 s,若使用100幀/s的攝像機(jī),在最后1 m范圍內(nèi)的影像幀數(shù)不應(yīng)少于4幀。若最后1 m范圍內(nèi)的影像幀數(shù)為3幀,則平均速度約為33.3 m/s;若幀數(shù)為5幀,則平均速度為20 m/s。由此可以看出,使用100幀/s的攝像機(jī)測(cè)速精度根本無(wú)法滿足本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度精度(0.1 m/s)要求。經(jīng)計(jì)算,要滿足0.1 m/s的測(cè)速精度,至少應(yīng)使用5000幀/s的高速攝像機(jī)。同時(shí)滿足本標(biāo)準(zhǔn)像素不低于500萬(wàn),幀率不低于5000幀/s的高速攝像機(jī)價(jià)格高昂,動(dòng)輒四五十萬(wàn)以上,顯然不經(jīng)濟(jì)。而且若使用5000幀/s的高速攝像機(jī)測(cè)速,在最后1m范圍內(nèi)的影像幀數(shù)約有200幀,極大的增加了影像分析的難度。另外,由于落石沖擊試驗(yàn)時(shí),鋼柱與水平面有一個(gè)夾角θ,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定θ≤30°,如圖2所示,試驗(yàn)安裝時(shí)θ一般多在10°～20°之間。這導(dǎo)致了網(wǎng)面中心高度的不確定性,增加了在影像分析時(shí)識(shí)別落錘接觸網(wǎng)面前最后1m范圍的難度。故通過(guò)影像分析法測(cè)量落石距離沖擊點(diǎn)最后1m的平均速度也存在諸多困難。

說(shuō)明:1——拉錨繩;2——鋼柱;3——金屬柔性網(wǎng)圖2 垂直沖擊試驗(yàn)平臺(tái)防護(hù)網(wǎng)安裝示意圖

1.2 速度測(cè)量解決方法

綜合以上問(wèn)題,筆者提出一種考慮空氣阻力的通過(guò)牛頓第二定律和能量守恒方法計(jì)算在距離落石沖擊點(diǎn)最后1 m范圍內(nèi)試塊的平均速度和確定沖擊高度的方法。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)試驗(yàn)時(shí),在距離沖擊點(diǎn)最后1 m范圍內(nèi)試塊的平均速度不應(yīng)小于25 m/s。通常情況下空氣阻力f與物體和空氣相對(duì)速度的平方成正比[12],則空氣阻力可表示成

f=-kv2

(1.1)

f方向與速度方向相反,k是由空氣的密度、物體的形狀及體積決定一個(gè)常數(shù)。根據(jù)周雨青[13]等人對(duì)球類(lèi)運(yùn)動(dòng)空氣阻力的計(jì)算和分析得出空氣阻力經(jīng)驗(yàn)公式為

(1.2)

(1.3)

其中ρ是空氣密度,A是物體的迎風(fēng)面積,k是比例系數(shù),C是空氣阻力系數(shù),球狀物體一般取C=0.5[14],本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的落石試塊為一個(gè)正26面體,可近似為球狀物體。試塊下落所受的外力為

F合=mg-kv2

(1.4)

根據(jù)牛頓第二定律有

mg-kv2=ma

(1.5)

其中a為加速度,可以得到考慮空氣阻力的重力加速度為

(1.6)

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定落石在距離沖擊點(diǎn)最后1 m范圍內(nèi)試塊的平均速度不應(yīng)小于25 m/s,本文取平均速度為25 m/s研究。設(shè)落石接觸網(wǎng)面時(shí)的速度為v,落石在接觸網(wǎng)面前1 m的的速度為v1,落石在接觸網(wǎng)面前最后1 m范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t=1/25=0.04 s,運(yùn)動(dòng)距離為h=1 m,沖擊高度為H,落石接觸網(wǎng)面時(shí)的沖擊動(dòng)能為Ek,可以得到

(1.7)

(1.8)

將(1.7)帶入(1.8)可得到一個(gè)關(guān)于v的一元二次方程

(1.9)

解此方程可得

(1.10)

再根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)能量守恒定律可得

(1.11)

將(1.6)帶入(1.11)得

(1.12)

由于(1.10)和(1.12)中所有參數(shù)都已知,故可以很容易算出落石接觸網(wǎng)面時(shí)的速度v和沖擊高度H,進(jìn)一步算出落石接觸網(wǎng)面時(shí)的沖擊動(dòng)能Ek。

在現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中,一般通過(guò)忽略空氣阻力的自由落體運(yùn)動(dòng)能量守恒方程確定在保證沖擊速度為25 m/s時(shí)的沖擊高度。然后再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不同沖擊能級(jí),確定落石試塊的重量。再結(jié)合公式(1.10)-(1.12),筆者提供了一組落石沖擊試驗(yàn)的沖擊試塊重量、沖擊高度、沖擊速度、沖擊勢(shì)能和沖擊動(dòng)能數(shù)據(jù),見(jiàn)表1。

表1 落石沖擊試驗(yàn)參數(shù)

經(jīng)實(shí)踐,該組參數(shù)能很好的指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中落石沖擊試驗(yàn)。解決了使用現(xiàn)有測(cè)速設(shè)備測(cè)量難、測(cè)不準(zhǔn)的難題。建議在下次標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)加入此類(lèi)表格參數(shù)指導(dǎo)試驗(yàn)開(kāi)展。

2 沖擊能量問(wèn)題

TB/T 3449-2016中第5.5條規(guī)定了試驗(yàn)步驟,并給出了不同被動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品的SEL(正常工作能級(jí))和MEL(最大試驗(yàn)?zāi)芗?jí))試驗(yàn)的能級(jí)。在現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中,落石沖擊能級(jí)計(jì)算,一般是通過(guò)沖擊動(dòng)能(即落石試塊接觸網(wǎng)面時(shí)的動(dòng)能)確定。但是防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)所吸收的能量還包括從落石接觸網(wǎng)面到落石被截停這段緩沖距離l3的勢(shì)能,緩沖距離如圖3所示。所以防護(hù)網(wǎng)所吸收的能量還應(yīng)包括這段勢(shì)能Ep′,若緩沖距離按3 m計(jì)算,該段勢(shì)能約等于沖擊動(dòng)能的10 %,所以防護(hù)網(wǎng)所吸收的總能量約等于Ek×110 %。

圖3 垂直沖擊試驗(yàn)平臺(tái)緩沖距離

同時(shí)由于標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確試驗(yàn)中沖擊能量的偏差范圍,這給實(shí)際試驗(yàn)工作帶來(lái)了疑問(wèn)。實(shí)際試驗(yàn)中,一般是選擇略微高于規(guī)定能級(jí)但不超過(guò)規(guī)定能級(jí)的5 %的能量。再結(jié)合落石試塊接觸網(wǎng)面后防護(hù)網(wǎng)額外吸收的勢(shì)能,建議在下次標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)加入試驗(yàn)?zāi)芗?jí)偏差±5 %。

3 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式問(wèn)題

TB/T 3449-2016標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)建造材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式并沒(méi)有明確要求。根據(jù)筆者調(diào)查了解國(guó)內(nèi)三座落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái),其中兩座是混凝土擋墻形式,一座是鋼結(jié)構(gòu)形式?；炷翐鯄υ囼?yàn)平臺(tái)如圖4所示,在落石沖擊網(wǎng)面時(shí),擋墻會(huì)承受較大的力矩,長(zhǎng)期受到較大的力矩作用,容易使混凝土產(chǎn)生微裂紋,進(jìn)而擴(kuò)展成裂縫或開(kāi)裂,極端情況下可能在進(jìn)行落石沖擊試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)致混凝土擋墻倒塌。經(jīng)筆者調(diào)查,現(xiàn)在已在服役的兩座混凝土擋墻落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)中,已經(jīng)有一座出現(xiàn)了裂縫和開(kāi)裂情況,如圖5所示。一旦出現(xiàn)這種裂縫或開(kāi)裂情況,極難修復(fù),存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

圖4 某混凝土擋墻落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)

圖5 某混凝土擋墻落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)上的裂紋

另一種鋼結(jié)構(gòu)形式的落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái),其主體結(jié)構(gòu)為規(guī)格H700×300×13×24 mm、材質(zhì)Q355B的H型鋼,先通過(guò)高強(qiáng)緊固件連接副固定再經(jīng)過(guò)焊接建造而成,結(jié)構(gòu)剛度足夠大(筆者的另一篇文章對(duì)此有詳細(xì)分析),完全滿足落石沖擊試驗(yàn)要求,其三維構(gòu)型類(lèi)似一個(gè)拉長(zhǎng)形的金字塔結(jié)構(gòu),如圖6所示。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),落石沖擊落點(diǎn)幾乎都在沖擊試驗(yàn)平臺(tái)立面投影里,故其所受的力矩較小,整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不易傾翻。另外鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)還具有不易損壞,維修方便、改裝容易、建造成本低、建造材料環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 某鋼結(jié)構(gòu)落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)

綜上,鋼結(jié)構(gòu)落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)是一種更優(yōu)秀的平臺(tái),建議在下次標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)增加對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的要求。

4 結(jié)論

(1)本文提出的一種考慮空氣阻力的通過(guò)牛頓第二定律和能量守恒方法計(jì)算在保證距離落石沖擊點(diǎn)最后1 m范圍內(nèi)試塊的平均速度≥25 m/s時(shí)的落石觸網(wǎng)速度和確定沖擊高度的方法,能很好的解決標(biāo)準(zhǔn)中落石速度測(cè)量難和測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題。

(2)本文指出了沖擊能量計(jì)算時(shí)長(zhǎng)期被忽略的緩沖距離段能量,并提出可通過(guò)設(shè)定試驗(yàn)?zāi)芗?jí)偏差±5 %解決該問(wèn)題。

(3)通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)調(diào)查研究和分析,提出鋼結(jié)構(gòu)落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)是一種更優(yōu)的平臺(tái),建議在下次標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)增加對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的要求。