海運(yùn)散裝氟石粉的動三軸試驗(yàn)研究①

王 偉， 賈敏才， 李 寧

(1，2，同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092;3．上海出入境檢驗(yàn)檢疫局，上海200135)

0 引言

近幾年，在我國管轄海域發(fā)生了多起散裝氟石粉沉船事故，給海上人員生命財產(chǎn)造成了不可挽回的重大損失，因而引起了國內(nèi)外的注意．當(dāng)前國際海事組織引入“FMP”(稱為流動水分點(diǎn)，F(xiàn)low Moisture Point)的90%來限定各類散裝貨物安全運(yùn)輸?shù)倪m運(yùn)水分限(Transportable Moisture Limit，TML)．即規(guī)定貨物實(shí)際水分含量大于測得的TML值，將不允許運(yùn)輸．

海運(yùn)中由于受波浪荷載的沖擊，含水分率高的氟石粉表面會大量的析水，從而形成自由液面，即發(fā)生了氟石粉流態(tài)化現(xiàn)象．當(dāng)前國際上對氟石粉的研究主要集中在測其FMP的方法上，如海上安全委員會制定的《固體散貨安全操作規(guī)則》中敘述了測氟石粉 FMP的三種方法[1]．文獻(xiàn)[2]討論了測FMP兩種試驗(yàn)方法的差別以及時間因素對FMP的影響，也介紹了一些影響因素如粒子均勻度、粒徑、相對密度．關(guān)于氟石粉的動力特性試驗(yàn)，國內(nèi)外則研究的甚少，幾乎為空白．但對于一些特殊土和非飽和土的動力特性試驗(yàn)，如室內(nèi)動三軸試驗(yàn)，國內(nèi)外學(xué)者已做過大量研究．大都基于靜力狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，文獻(xiàn)[3]等對非飽和土的應(yīng)力－含水率－應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了強(qiáng)度隨含水率的變化，以及含水率對非飽和土變形的影響．文獻(xiàn)[4]從非飽和土的微觀結(jié)構(gòu)入手，探討了低飽和度非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論，分析了土顆粒半徑差異、土體平均粒徑大小對非飽和土強(qiáng)度的影響．文獻(xiàn)[5]研究了飽和度對非飽和土力學(xué)性質(zhì)的影響，表明不同飽和度試樣的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度是不同的，飽和度對強(qiáng)度的影響起著重要的作用．在非飽和土的動力特性方面，文獻(xiàn)[6]等則針對武廣客運(yùn)專線的非飽和紅粘土進(jìn)行了動三軸試驗(yàn)研究，并對成果進(jìn)行了分析．本文則借鑒前人研究的思想，針對海運(yùn)中常見的氟石粉，采用動三軸試驗(yàn)設(shè)備對不同飽和度下氟石試樣的動力特性進(jìn)行了一系列研究，從而探討了在海運(yùn)過程中含水率以及動應(yīng)力的變化對氟石粉失穩(wěn)的影響．

1 實(shí)驗(yàn)儀器、試樣制備與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的設(shè)備主要是同濟(jì)大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的GDS(global digital systems)動三軸儀，它可以實(shí)時監(jiān)測整個實(shí)驗(yàn)過程，高速采集并儲存數(shù)據(jù)，如圖1所示．

圖1 試驗(yàn)用動三軸儀

試驗(yàn)用氟石粉取自上海出入境精礦粉堆場，氟石粉的顆粒級配曲線見圖2．采用重塑樣，即烘干后，配置成不同含水率，然后對試樣進(jìn)行擊實(shí)．

圖2 試驗(yàn)用氟石的顆粒級配曲線

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際堆載5m處的氟石粉采樣進(jìn)行干密度測試試驗(yàn)，得到平均干密度為1．77 kN/m3，以此來控制試驗(yàn)中氟石樣的干密度，試樣直徑為39．1mm，高為80mm．根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]用擊實(shí)法配制，共分5層擊實(shí)，根據(jù)平均干密度及設(shè)計的含水率確定每層土樣的重量，每層擊實(shí)至要求高度后，將表面刨毛，然后再加第二層的試樣，如此進(jìn)行直至擊至最后一層．試驗(yàn)完成后取出部分試樣復(fù)測其含水率，測定的含水率與要求的含水率的差值小于±1%，否則需調(diào)整含水率至符合要求為止．

本文結(jié)合上海檢驗(yàn)檢疫局礦粉出入控制的指標(biāo)，主要從含水率和動應(yīng)力兩方面對氟石粉的動力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度特性展開研究．由于檢疫局測得氟石粉“FMP”的范圍為9% －10%，所以本次試驗(yàn)配制氟石粉的含水率分別為 6%(Sr=24．3%)、8%(Sr=32．5%)、10%(Sr=40．6%)、12%(Sr=48．7%)、14%(Sr=56．8%)．考慮到稍大波浪荷載的作用，故施加頻率為1Hz的正弦波，按等幅正弦波形式施加．試驗(yàn)中取實(shí)際氟石粉堆載5m處的圍壓約100 kPa，軸壓約為150 kPa，整個固結(jié)過程是排水的，而振動過程，則關(guān)閉排水閥門．

本次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)采用是中華人民共和國水利部發(fā)布的《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237－1999)，固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):等向固結(jié)時，關(guān)閉排水閥后5min孔隙水壓力不上升;不等向固結(jié)時，5min內(nèi)軸向變形不大于0．005mm．破壞標(biāo)準(zhǔn):均等固結(jié)壓力(KC=1)時，采用全幅值應(yīng)變5%;非均等固結(jié)壓力(KC＞1)時采用累積應(yīng)變5%．

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 循環(huán)荷載作用下氟石粉的變形特征分析

圖3為氟石在含水率10%時，不同動應(yīng)力下動應(yīng)變εd隨著振動次數(shù)N的變化曲線．其中η為動應(yīng)力比，即η=σd/2σ3，σd為動應(yīng)力，σ3為圍壓．可以看出，氟石的動應(yīng)變隨振動次數(shù)的增長而累積增長，不論動應(yīng)力的大小如何，動應(yīng)變主要發(fā)生在最初的幾次振動中，隨著振動次數(shù)的增加，變形速度逐漸緩慢，應(yīng)變曲線愈趨平緩．不同動應(yīng)力時，試樣達(dá)到累積應(yīng)變5%時所需的振次不同;隨著動應(yīng)力的增加，振動次數(shù)越小，說明試樣在動應(yīng)力大時愈易破壞，動應(yīng)力愈小時，愈不容易發(fā)生破壞．從圖中還可以看出，同一含水率、相同振次下，動應(yīng)變隨著動應(yīng)力的增大而增大．

圖3 10%時不同動應(yīng)力εd～N曲線圖

2．2 動孔壓分析

考慮到非飽和土中影響其抗剪強(qiáng)度的重要因素－基質(zhì)吸力，在循環(huán)荷載的作用下試樣很難達(dá)到氣液平衡，難以測出．因而引入動孔壓來近似反映氟石粉在振動過程中其孔壓的變化情況．由于振動時排水閥門緊閉，氣體消散不出，所以傳感器采集的是水和氣共同作用的壓力．隨著振動時間的積累，水和氣慢慢的積聚，由于水不可壓縮，所以氣體承擔(dān)了相當(dāng)部分壓力，且會有部分氣體溶于水中，所以采集的動孔隙水壓上升的值較?。杉瘎涌紫端χ饕w現(xiàn)在不同的含水率下氟石粉內(nèi)部的宏觀響應(yīng)．動孔壓曲線如圖4、圖5所示．

下面以動應(yīng)力比η為0．3為例說明在同一動應(yīng)力比下，不同含水率的動孔壓的響應(yīng)情況．

圖4 η=0．3不同含水率下動孔壓與振次曲線

從圖中可以看出，在同一應(yīng)力比的條件下，氟石試樣在循環(huán)振動中動孔壓隨著含水率的增加而增加，說明含水率的變化對氟石粉的流態(tài)化行為有著重要影響．當(dāng)含水率越高時，其飽和度也就越高，其動孔壓上升的速率越快，幅值也越大，即其孔壓響應(yīng)也就越厲害;而含水率低時，動孔壓上升的值則較小．單從含水率上對氟石粉破壞上說明，含水率大的試樣其振動的響應(yīng)越為厲害．

另外在同一固結(jié)狀態(tài)(即σ3和KC均相同)下，動應(yīng)力的大小對氟石粉的破壞也有著重要的影響．下面以含水率為10%為例，闡述動孔隙水氣壓與循環(huán)振次之間隨動應(yīng)力比的不同而不同．

圖5 10%時不同動應(yīng)力動孔壓與振次曲線

可以看出:同一含水率下，不同動應(yīng)力下的氟石試樣其動孔壓均隨著振動次數(shù)的增加而增加．在動荷載施加后，前期其動孔壓的增長較快，后期，則增長緩慢．動孔壓發(fā)展速率隨著動應(yīng)力比的增大而提高．由于前述動孔壓是有氣壓力，時程曲線上動孔壓上升幅值是很小的，因而不能用孔壓上升來判別試樣的流態(tài)化行為標(biāo)準(zhǔn)．試驗(yàn)中通過試樣的軸向累積應(yīng)變達(dá)到5%，認(rèn)定試樣已經(jīng)發(fā)生破壞，判別其失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)．當(dāng)氟石樣軸向累積應(yīng)變始終達(dá)不到5%，隨著循環(huán)荷載的振動，氟石樣只會越來越密實(shí)，不會發(fā)生破壞，這對于實(shí)際運(yùn)輸是偏安全的，而一旦累積應(yīng)變達(dá)到5%時，則氟石粉已經(jīng)破壞，此時氟石粉失去抗剪強(qiáng)度，從而會引起失穩(wěn)，從而形成流態(tài)化，這對于工程實(shí)際是不利的．

2．3 動強(qiáng)度曲線分析

動剪應(yīng)力:τd=1/2 σd，η=τd/σ3式中的σd為應(yīng)變達(dá)到5%時對應(yīng)的軸向動應(yīng)力值，η為動應(yīng)力比．不同含水率下氟石試樣的動剪應(yīng)力曲線見圖6所示．

圖6 不同含水率下氟石粉τd～N曲線

從圖中可以看出，氟石試樣的動強(qiáng)度在非等壓固結(jié)條件下與含水率的變化有著非常密切的聯(lián)系．含水率的改變會使得應(yīng)力條件相同的氟石試樣表現(xiàn)出不同的承受動荷載的能力．在同一振動頻率作用下，動強(qiáng)度的變化規(guī)律:氟石的動強(qiáng)度隨著振動次數(shù)的增大而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定值，該穩(wěn)定值隨著含水率的增大而減?。?jīng)查文獻(xiàn)[8]，黃河三角洲埕北海域中散裝礦粉受50年一遇的最大波浪壓力在水深4，5，6米處產(chǎn)生的動應(yīng)力(包括波浪荷載的拍擊與船體的擺動)為20－30kPa范圍內(nèi)．從上圖看出，當(dāng)動應(yīng)力在20－30kPa時:含水率為6% ～8%時，隨著振次的增加，氟石樣的軸向累積應(yīng)變始終達(dá)不到5%的破壞應(yīng)變，此時氟石只會越振越密實(shí)，因而是屬于偏安全的范圍．含水率在12%～14%時，隨著振次的增加，氟石樣會在短時間內(nèi)迅速達(dá)到累積應(yīng)變5%，達(dá)到破壞，試驗(yàn)后通過觀察破壞的氟石樣表面析出一層水，說明在振動過程中高飽和度的氟石試樣越易泌出水，而這對實(shí)際的船運(yùn)是非常不利的，因此控制氟石粉的含水率至關(guān)重要．而含水率在10%左右，按照曲線的趨勢圖，振次約至在5000次以后時，會逐漸接近破壞的可能．因而從實(shí)際海運(yùn)上考慮，氟石粉的含水率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)控制為10%以下，此時當(dāng)波浪荷載在20－30kPa的動應(yīng)力范圍內(nèi)，氟石粉是偏安全的．

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)動三軸試驗(yàn)，研究了海運(yùn)氟石粉的動力特性．根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析，結(jié)合船運(yùn)過程中的現(xiàn)實(shí)情況，探討了含水率以及動應(yīng)力對船運(yùn)氟石粉的重要影響，從而結(jié)合實(shí)際，提出了控制氟石粉海運(yùn)的含水率限值，同時也為更好的研究氟石粉的流態(tài)化機(jī)理提供了可靠性的研究基礎(chǔ)．試驗(yàn)中得出結(jié)論如下:

(1)從εd～N曲線中得出，不論動應(yīng)力的大小如何，動應(yīng)變主要發(fā)生在最初的幾次振動，隨著振動次數(shù)的增加，變形速度逐漸緩慢，應(yīng)變曲線愈也趨平緩．

(2)在同一應(yīng)力比的條件下，氟石試樣在循環(huán)振動中動孔壓隨著含水率的增加而增加．含水率越高時，動孔壓上升的速率越快，幅值也越大，孔壓響應(yīng)也就越厲害．另外在同一含水率下，動孔壓發(fā)展速率隨著動應(yīng)力比的增大而提高．本試驗(yàn)的氟石破壞標(biāo)準(zhǔn)采用應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)．

(3)從τd～Nf曲線得出氟石的動強(qiáng)度隨著振動次數(shù)的增大而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定．氟石試樣在一定的動應(yīng)力的荷載作用下，不同含水率的響應(yīng)是不同的，含水率在12% ～14%，在短時間內(nèi)，會達(dá)到5%的應(yīng)變破壞，在6% ～8%時，是屬于偏安全的范圍，而10%含水率的試樣則在振動次數(shù)為5000次以后，也可能會發(fā)生破壞．當(dāng)波浪荷載在20－30kPa的范圍內(nèi)時，氟石粉的含水率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)控制在10%以下，氟石粉是偏安全的．

(4)由于對海運(yùn)中散裝礦粉流態(tài)化的研究處于摸索和探究探究階段，因而本文沒有考慮波浪荷載的頻率和氟石試樣的干密度影響，也沒有考慮圍壓和固結(jié)比的影響，因此對于氟石的液化機(jī)理仍需進(jìn)一步的研究，本文也為進(jìn)一步的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)．

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