边坡落石柔性防护系统易维修性试验研究

康 波

(布鲁克(成都)工程有限公司 成都 611731)

边坡落石柔性防护系统是一种有效的落石防护方式，已在边坡防护工程中广泛应用并发挥了相应的效果[1-4]，由于柔性防护系统在使用中起拦截落石作用，承受的是落石冲击动力，相比零部件静力试验方法而言，柔性防护系统整体落石冲击试验是最直观、最有效地评价其防护性能的方法。

对于边坡柔性防护系统整体落石冲击试验，国外从1975年开始研究，已经积累了超过350次的现场试验经验[5]。Duffy等设计了各种各样的试验方案来测试柔性防护系统在落石冲击作用下的性能。Guido等设计了一系列柔性防护系统试验模型，采用试块自由落体的方式，进行了8组3跨足尺试验模型落石冲击试验，冲击能级最高达到5 000 kJ。Peila等比较分析了不同模型试验的优缺点，对不同能级的6组落石柔性防护系统进行了足尺模型试验研究。作为欧洲柔性防护产品认证中心的瑞士Walenstadt试验场，完成过最高能级10 000 kJ的落石冲击认证试验，欧洲技术认定组织(EOTA)也颁布相应的认证标准[6]。

国内柔性防护系统的整体落石冲击试验研究起步较晚，在近10余年的研究过程中，建成有2座人工落石冲击试验平台见图1、图2，可完成最高能级5 000 kJ的落石冲击试验，并于2016年制定了TB/T 3449-2016《铁路边坡柔性被动防护产品落石冲击试验方法与评价》行业标准[7]，试验方法与欧洲标准基本一致，但考虑到国内山区交通沿线维修养护困难，增加了易维修性等级评价内容。

图1 国内落石冲击试验场1 图2 国内落石冲击试验场2

1 边坡落石柔性防护系统冲击试验方法

1.1 落石冲击试验简介

冲击试验前，先将边坡落石柔性防护系统试验模型安装在垂直的混凝土反力墙上，钢柱与反力墙法线夹角不大于30°，拉绳与反力墙法线夹角为40°，允许误差±5°，一般采用3跨的试验模型，共有4根钢柱，钢柱间距为10 m，钢柱高度根据不同能级选定；试验模型安装完成后，采用起吊设备将预制的冲击试块提升至一定高度，对准试验模型中跨中部进行自由落体释放，垂直冲击试验模型，每组试验要进行3次冲击，前2次为连续正常工作能级冲击，最后1次为最大能级冲击；试块冲击完成后，采集数据，对试验结果进行判定和评价，判断防护系统的防护性能并评价其易维修性能。

1.2 试验平台与试验试块

试验平台能实现3跨足尺落石柔性防护系统试验模型安装，满足冲击受力和变形空间要求，具备试块起吊、释放及数据采集等必要设备。冲击试块呈26面体，由钢筋混凝土制作，根据冲击能级制成不同尺寸、不同重量，密度为2 500～3 000 kg/m3,与岩石密度接近。试验平台示意图与冲击试块见图3、图4。

图3 垂直落石冲击试验 图4 冲击试块平台示意图

1.3 冲击能量与速度确定

试验中，由于是确定重量试块的垂直冲击，冲击能量E可通过动能-势能转换方程确定

式中：m为冲击试块质量；v为冲击试块速度；g为重力加速度；h为冲击试块自由下落的高度。通过需要的冲击能量，便能反算出试块需要的自由下落高度[8]。

在落石冲击试验中，需要控制落石接触试验模型时的冲击速度不小于25 m/s，但也不能无限放大速度，减小试块重量，每种型号柔性网都有可承受的极限速度，超过极限速度会出现“子弹”效应，击穿网片[9]，一般冲击速度不大于35 m/s。

1.4 冲击要求

每组落石柔性防护系统冲击试验需要做3次冲击,前2次正常工作能级(SEL)试验，最后1次最大试验能级(MEL)试验，SEL试验能级不应小于MEL试验能级的1/3；2次连续SEL冲击之间不进行试验模型修复，第2次SEL冲击试验完成后可以对试验模型进行修复安装，再进行最后1次MEL冲击；冲击位置均为试验模型中跨网面的几何中心位置。试验冲击位置见图5。

图5 试验冲击位置示意图

1.5 结果判定及易维修性评价

根据3次落石冲击试验过程中采集的数据，参照判定标准中冲击能级、容许缓冲距离、残余拦截高度等参数进行试验结果判定。考虑到我国山区交通维修条件困难因素，标准中增加了产品易维修性评价指标，以供设计人员根据具体条件选用。易维修性等级评价见表1。易维修性等级主要反映试验产品在不维修条件下抗连续冲击能力，以及发生落石冲击事件对系统损坏后进行必要维修的难易程度。

表1 易维修性等级评价

2 易维修性试验方案设计

本次试验模型的抗冲击能力为1 000 kJ，SEL试验采用质量0.990 kg试块，自由落体高度35.4 m，冲击速度26.3 m/s，换算冲击能量343.4 kJ；MEL试验采用质量3 100 kg试块，自由落体高度33.2 m，冲击速度25.5 m/s，换算冲击能能量1 008.6 kJ。共制作安装2组1∶1足尺试验模型，试验模型长度为30 m，分3跨4根立柱，高度5 m。2组试验模型的零部件规格、数量配置基本相同，仅有减压环布置形式与安装连接方式不同，支撑绳上连接减压环布置均为16个，布置示意图见图6、图7。

图6 试验模型1布置示意图

图7 试验模型2布置示意图

减压环是落石柔性防护系统中主要的能量吸收装置，由于其结构简单、耗能特性强等优点，成为应用最广泛的耗能件之一[10-11]，其安装布置方式对系统的冲击性能起关键作用。试验模型1减压环分布在每跨的支撑绳上，直接用支撑绳穿过减压环连接，这种安装方式在实际工程上广泛使用；试验模型2减压环布置在两侧支撑绳上，先用1节短钢绳穿过减压环后两端压接卡环，再用卸扣与支撑绳连接。

3 试验结果及易维修性分析

通过落石冲击试验及数据采集，2组试验模型均通过了3次冲击试验，试验模型1安装完成情况见图8；试验模型1经过第2次SEL试验冲击后状态见图9、图10，线条标识分别为中跨、边跨外侧支撑绳与减压环变形情况；经过MEL试验后支撑绳与减压环变形状态见图11。

图8 试验模型1安装完成

图9 试验模型1第2次SEL试验中跨

图10 试验模型1第2次SEL试验边跨外侧

图11 试验模型1MEL试验

试验模型2安装完成情况见图12；试验模型2经过第2次SEL试验冲击后中跨支撑绳变形状态见图13线条标识，边跨外侧支撑绳与减压环变形情况见图14线条标识；经过MEL试验后支撑绳变形状态见图15。

图12 试验模型2安装完成

图13 试验模型2第2次SEL试验中跨

图14 试验模型2第2次SEL试验边跨外侧

图15 试验模型2MEL试验

在试验模型1第2次SEL试验后，MEL试验前进行维修安装，首先拆卸全部6张环形网网片，再拆卸上下支撑绳(含减压环，因减压环与支撑绳穿连)，调整立柱拉绳角度，最后重新进行支撑绳(含减压环)安装与网片安装。由于减压环变形后与支撑绳扭结在一起，不能单独更换，只能更换所有支撑绳，整个维修安装工作消耗16人·d。根据易维修性评价标准，评定易维修性等级为C级。

在试验模型2第2次SEL试验后，MEL试验前进行维修安装，拆卸更换中跨2片受损网片，更换试验模型边跨外侧的4组16个减压环，调整钢柱拉绳角度，重新张紧支撑绳，整个维修安装工作消耗6人·d。根据易维修性评价标准，评定易维修性等级为A级。

4 结语

通过1∶1足尺试验模型落石冲击试验，介绍了边坡落石柔性防护系统落石冲击试验方法，对试验易维修性评价进行了2组模型对比试验，分析了减压环对系统维修安装过程的影响，得出以下结论。

1) 国内落石冲击试验工作开展较晚，但吸取了欧洲试验经验，并提出了更符合国内柔性防护系统使用需求的易维修性评价标准。

2) 易维修性等级评价不仅反映柔性防护产品在不维修条件下抗连续冲击能力，也反映发生落石冲击事件对系统损坏后，对系统维修安装恢复防护能力的难易程度。

3) 2组模型的对比试验表明，减压环的布置形式与连接方式对柔性防护系统受冲击后维修安装工作至关重要，合理布置、连接减压环可以减少系统维修安装材料使用及工作量，可以提升易维修性等级。