散裝鐵礦粉室內(nèi)模型試驗(yàn)研究①

趙振平，王 偉

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

近幾年來，海運(yùn)鐵礦粉沉船事故越來越引起人們的重視，目前在這方面的研究比較少.在實(shí)際的海運(yùn)過程中也主要是靠當(dāng)前海事組織引入的流動(dòng)水分點(diǎn)(flow moisture point，F(xiàn)MP)的90%來作為散裝貨物運(yùn)輸?shù)倪m運(yùn)水分限(transportable moisture limit，TML).本文主要針對(duì)當(dāng)前海運(yùn)鐵礦粉研究較少的情況，對(duì)鐵礦粉進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn).探討不同含水量的鐵礦粉在海運(yùn)過程中發(fā)生流態(tài)化的機(jī)理，為鐵礦粉海運(yùn)提供參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的主要設(shè)備是自行設(shè)計(jì)的小型振動(dòng)臺(tái)與可視化模型箱以及動(dòng)態(tài)采集儀、孔隙水壓力計(jì)、攝像機(jī).該振動(dòng)臺(tái)可提供水平周期性荷載，試驗(yàn)進(jìn)程較易控制，具有很好的實(shí)際價(jià)值.利用小型振動(dòng)臺(tái)和可視化模型箱，對(duì)礦粉進(jìn)行擬正弦荷載振動(dòng)試驗(yàn).利用高像素?cái)?shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝試驗(yàn)過程中礦粉的變形規(guī)律;在礦粉層內(nèi)不同深度埋設(shè)孔壓計(jì)，通過YE6230T01高速動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和YEC～DASP數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，獲取在振動(dòng)荷載作用下不同深度的孔壓上升和消散的宏觀物理機(jī)制.

1.1 振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)原理與制作

振動(dòng)臺(tái)是水平單向振動(dòng)的，并且根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的頻率和振幅.

圖1中:R為曲柄長度;L為連桿長度;X為曲柄軸中心到滑動(dòng)軸中心的距離;α為R與水平方向的逆時(shí)針夾角;β為R與水平方向的逆時(shí)針夾角;ω為轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度;由幾何關(guān)系可得到滑塊端的速度與加速度表達(dá)式為:

圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖

改變R值的大小便可改變振動(dòng)臺(tái)的振幅和輸出的最大振動(dòng)速度、加速度值;R值越大、對(duì)應(yīng)的上述量值就越大.

振動(dòng)臺(tái)采用曲柄滑塊裝置來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)面的水平單向往復(fù)振動(dòng)，設(shè)計(jì)的振動(dòng)頻率為1Hz，2Hz和3Hz三種頻率.振動(dòng)臺(tái)及模型箱實(shí)物圖如圖2所示.

圖2 振動(dòng)臺(tái)及模型箱實(shí)物圖

由于實(shí)際波浪荷載的頻率一般小于10Hz，且考慮到較大的頻率振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，根據(jù)模型試驗(yàn)的相似定律，本試驗(yàn)中采用最小的振動(dòng)頻率1Hz作為激振頻率

1.2 可視化模型箱

模型箱的內(nèi)部尺寸為660mm×640mm ×680mm，前后兩面均選用厚度為20mm的透明有機(jī)玻璃，其余兩側(cè)和底面選用20mm厚硬質(zhì)塑料板.

為減小邊界條件對(duì)縱向剪切變形的不利影響，試驗(yàn)在與振動(dòng)方向垂直的兩側(cè)面各加一塊海綿(厚25mm)，因?yàn)槿嵝越橘|(zhì)對(duì)礦粉的剪切變形約束很小，這樣就大大減少了邊界對(duì)礦粉拍擊的影響，同時(shí)也減少了邊界對(duì)波的反射，避免了反射波造成的信號(hào)干擾.

1.3 傳感器和動(dòng)態(tài)采集儀

試驗(yàn)中所用孔壓傳感器是英國德魯克(Druck)公司生產(chǎn)的PDCR81孔隙水壓力傳感器，輸入電壓為5V，用來測(cè)量礦粉內(nèi)部孔壓的變化，如圖3所示.孔隙水壓力探頭在埋入礦粉中之前，提前24h在水中浸泡，并不時(shí)的搖動(dòng)，使氣體完全排除.

圖3 動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀

1.4 試樣制備和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中所用散裝鐵礦粉取自上海羅涇堆場(chǎng)碼頭處，試驗(yàn)前將多量的精鐵礦粉分批放置在110℃的烘箱里一晝夜，待充分烘干后稱干重，并記錄干重質(zhì)量，烘干后的鐵礦粉如圖4所示.烘干后加入試驗(yàn)所配水量充分?jǐn)嚢?，攪拌完后立刻用不透氣的透明膠帶密封，擱置兩天，使其試樣與水充分均勻.

考慮不同含水率對(duì)礦粉的動(dòng)力特性的影響，結(jié)合動(dòng)三軸的試驗(yàn)，試驗(yàn)中需對(duì) 6%，8%，10%，12%，14% 等5組含水率展開研究.

圖4 經(jīng)烘干后的鐵礦粉試樣

圖5 模型試驗(yàn)示意圖

圖6 含水6% 圖7 含水12%

根據(jù)弗勞德模型定律，長度比尺采用1:25，時(shí)間比尺采用1:5.孔壓計(jì)埋深為10cm和20cm，則相應(yīng)于原型埋深2.5m和5m.模型中模擬波浪周期為1s，相應(yīng)于原型波浪有效周期為5s.模型試驗(yàn)中采用的動(dòng)應(yīng)力大小是固定的，即不考慮動(dòng)應(yīng)力對(duì)礦粉振動(dòng)的影響.

鐵礦粉的總高度為55cm.鐵礦粉空壓計(jì)埋設(shè)在距箱底10cm和35cm處.兩礦粉的孔壓計(jì)埋設(shè)示意圖如圖3.11所示.同一深度埋設(shè)兩個(gè)孔壓計(jì)P1，P2以示對(duì)比.

圖8

圖9

圖10

2 鐵礦粉試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

鐵礦粉的宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象，圖6，7所示為含水率6%和12%的試樣振后的宏觀體現(xiàn).6% 時(shí)的試樣在振后表面析出的水不是很明顯，主要呈泥漿狀，說明有一定的水量泌出;而12% 的試樣振后表層有大量的水析出.究其原因，鐵礦粉的粒徑屬于細(xì)砂的范疇，內(nèi)部的黏粒含量少，表面不會(huì)有一定厚度的羽狀沉積物的出現(xiàn)，在含水率高時(shí)試樣里易形成排水通道，同時(shí)沒有羽狀沉積物的封堵和顆粒之間的水膜作用，水較易排出.

另外，振動(dòng)過程中不同含水率的鐵礦粉試樣也出現(xiàn)了不同程度的密實(shí)現(xiàn)象.振前鐵礦粉試樣同樣處于結(jié)構(gòu)松散的狀態(tài)，孔隙率大，施加振動(dòng)荷載后，試樣愈趨密實(shí)，顆粒接觸緊湊，顆粒進(jìn)行重排直至達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu).同時(shí)水受到擠壓，沿著排水通道向上涌出，細(xì)小的顆粒隨著波浪荷載的不斷作用，不斷向上遷移，懸浮在液面上，在表面形成一定厚度的可流動(dòng)層.

圖11

圖12

2.2 孔隙水壓力變化

試驗(yàn)共監(jiān)測(cè)了6%，8%，10%，12%，14% 等5組鐵礦粉不同含水率下的孔隙水壓力的變化.圖8～12為試驗(yàn)過程中各含水率下埋深20cm和45cm處孔隙水壓力幅值隨振次的變化曲線(圖a為20cm處，圖b為45厘米處).

含水率6%的試樣隨著振次增加，孔壓先是緩慢上升，約320次時(shí)，孔壓有一急劇上升的過程，至540次左右，孔壓積聚到最大值，如圖8所示.在振動(dòng)停止后，觀察表面，有幾條深淺不一的裂縫出現(xiàn)，表面的析水現(xiàn)象不是很明顯.

含水率8%的試樣振動(dòng)過程中，底部鐵礦粉越來越密實(shí)，孔壓上升比較緩慢，約250次時(shí)，孔壓開始積聚上升，至420次左右，孔壓達(dá)到最大值，之后孔壓開始消散，如圖9所示.表層出現(xiàn)細(xì)微的水膜，沒有明顯混濁物積聚.通過20cm和45cm深度處孔壓幅值變化曲線的對(duì)比，可以看出45cm深度處孔隙水壓力一直大于20cm處，這是由于試樣底部為不排水面，孔隙水壓力只能向土層表面排出，因此擬波浪的動(dòng)應(yīng)力使試樣內(nèi)部孔隙水壓力沿深度逐漸增大.

將不同含水率45cm深度處的孔壓幅值曲線匯總在一起，如圖13所示.

含水率10%的試樣振動(dòng)190次時(shí)，孔壓開始積聚上升，約至310次時(shí)，達(dá)到最大值，之后孔壓開始消散.宏觀上的表現(xiàn)是表層有適量的水析出.較之8%時(shí)更為明顯，且局部區(qū)域的水泌出的多.

含水率12%的試樣振動(dòng)120次左右時(shí)，孔壓開始積聚上升，緩和區(qū)不是很明顯，至250次左右時(shí)，達(dá)到最大值，之后孔壓較之10%消散的更快.見圖7宏觀上觀察到有大量的水從表面析出，且底部的鐵礦粉處于振密狀態(tài)

含水率14%的試樣在振動(dòng)時(shí)，孔壓一直處于漸進(jìn)上升的變化過程，沒有緩沖階段.約至200次，孔壓達(dá)到最大，之后孔壓消散的也較快，試驗(yàn)觀察到大量的水隨擬波浪來回振蕩.由孔隙水壓力數(shù)據(jù)分析可知，孔壓上升的峰值隨著含水率的增加而增加，達(dá)到峰值的振次隨著含水率的增加而減小.

圖13 不同含水率45cm深度處的孔壓變化

當(dāng)含水率為6%、8% 時(shí)，孔壓上升有一段緩和區(qū)，施加振動(dòng)荷載后，孔隙率逐漸減小，試樣的密實(shí)度增加，水會(huì)隨著排水通道把更細(xì)微的顆粒帶至表層，但由于鐵礦粉內(nèi)部黏粒含量很少，在表面沒有形成一定厚度的羽狀沉積物，通過拍攝觀察，表層有微裂縫出現(xiàn).

當(dāng)含水率為12%、14% 時(shí)，孔壓曲線沒有明顯的緩和區(qū)段，振動(dòng)一開始，孔壓便迅速上升，很快達(dá)到峰值，說明含水率大時(shí)，試樣內(nèi)部較易排水通道;同時(shí)，試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)試樣表面會(huì)瞬間析出大量的水.這是由于顆粒粒徑大導(dǎo)致顆粒之間的水膜力減弱以及鐵礦粉內(nèi)部黏粒含量少導(dǎo)致羽狀沉積物的積聚較少從而無法封堵孔壓的上升的緣故，故孔壓消散較快，水會(huì)短時(shí)間的排出.

當(dāng)含水率為10% 時(shí)，孔壓曲線介于8% 和12% 之間，孔壓曲線緩和過渡區(qū)段不是很明顯，孔壓消散的速率也是介于8% 和12% 之間，需要有一定的時(shí)間段，故析出的水是緩慢呈現(xiàn)出來的，最終鐵礦粉試樣表面有適量水出現(xiàn).

另外，從孔壓幅值曲線上可知，對(duì)于埋深為20cm處，含水率為14% 的孔壓響應(yīng)值接近1.28 kPa，其幅值遠(yuǎn)小于上覆層試樣的自重應(yīng)力，按照有效應(yīng)力原理，試驗(yàn)中鐵礦粉遠(yuǎn)沒有發(fā)生液化現(xiàn)象，只是在振動(dòng)過程，鐵礦粉由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài).由于鐵礦粉表層黏粒產(chǎn)生的羽狀沉積物量少以及顆粒之間水膜力的減弱，導(dǎo)致其孔壓上升的幅值較少，而排水通道較為明顯，水排出的及時(shí)，故瞬間表層會(huì)析出大量的水，但這在實(shí)際的海運(yùn)中足以引起重視，因?yàn)榇罅康乃畮?dòng)著淺層的鐵礦粉隨波浪來回振蕩，產(chǎn)生搖擺，易使整個(gè)船舶失穩(wěn)沉船.這需要海上的工作人員及時(shí)的采取相應(yīng)的排水措施，便可避免海上沉船事故的發(fā)生.

3 結(jié)論

通過對(duì)鐵礦粉的動(dòng)力特性進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象和采集到的孔隙水壓力的變化規(guī)律并結(jié)合海運(yùn)中的現(xiàn)實(shí)情況，得出如下結(jié)論:

(1)鐵礦粉屬于細(xì)砂的范疇，在振動(dòng)過程中，鐵礦粉的表層沒有明顯出現(xiàn)一定厚度的羽狀沉積物，這是由于鐵礦粉內(nèi)部黏粒含量較少的緣故.下層的鐵礦粉出現(xiàn)密實(shí)現(xiàn)象.

(2)由孔壓變化曲線分析知:隨著含水率的增加，孔壓上升的幅值呈增長趨勢(shì);而達(dá)到峰值的振次呈遞減趨勢(shì).當(dāng)含水率6%和8%時(shí)，孔壓是緩慢上升過程;含水率為10%時(shí)，振次為190次，孔壓開始積聚上升;含水率為12%時(shí)，約在120次才迅速上升;含水率為14%時(shí)，孔壓則表現(xiàn)為沒有明顯的緩和期，一旦振動(dòng)孔壓立即積聚上升，直至最大值.即含水率越高，其孔壓響應(yīng)越厲害.故高含水率的鐵礦粉析水現(xiàn)象具有突發(fā)性，無漸變性，會(huì)帶來潛在的海上安全事故，因此需嚴(yán)格控制運(yùn)輸中的含水率限量.

(3)隨著含水率的不同，鐵礦粉的宏觀響應(yīng)是不同的，當(dāng)含水率為12%時(shí)，試驗(yàn)可觀察到析出較多水量;而含水率為8%時(shí)，則試驗(yàn)中水分的析出不是很明顯;當(dāng)含水率為10%時(shí)，則試樣已析出適量的水.通過曲線發(fā)現(xiàn)，10%時(shí)孔壓消散的速率較緩慢，介于12%和8%之間，存有一定的時(shí)間段.一旦海運(yùn)中礦粉的含水率達(dá)到10%，孔壓的消散會(huì)導(dǎo)致水的排出，從而海上人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)提供時(shí)間段.故建議鐵礦粉的運(yùn)輸含水率控制在10%以下，同時(shí)采取必要的排水措施.

(4)通過孔壓幅值曲線可知，孔壓上升的幅值雖然隨著含水率增加呈增長趨勢(shì)，但最大的孔壓上升值即含水率為14%對(duì)應(yīng)的幅值，為1.28 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上覆土層的自重應(yīng)力，此時(shí)認(rèn)定鐵礦粉試樣沒有達(dá)到液化的狀態(tài).另外，通過曲線還發(fā)現(xiàn)，含水率大時(shí)，鐵礦粉孔壓上升和消散的都較快，即排水通道易形成，水也易排出.在實(shí)際海運(yùn)中，相關(guān)人員可以及時(shí)采取相應(yīng)的排水措施，只要把多余的水量排出，便可確保運(yùn)輸?shù)陌踩?，這是因?yàn)殍F礦粉很難發(fā)生液化的行為、失去抗剪應(yīng)力從而導(dǎo)致試樣的失穩(wěn).

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