疏浚耙齒松土機(jī)制及土體孔壓響應(yīng)試驗(yàn)

謝立全 ，王喜偉，梁 鑫，劉功勛，洪國(guó)軍

（1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

1 引 言

現(xiàn)代疏浚工程的快速發(fā)展，使得挖掘深度變深、挖掘和吹填土方量變大，可施工區(qū)域日趨擴(kuò)大并逐步遠(yuǎn)離陸地，挖掘泥土的輸送距離也變得更遠(yuǎn)。這些特點(diǎn)決定挖泥船的疏浚能力和疏浚技術(shù)改進(jìn)需求越來(lái)越高。同時(shí)，我國(guó)漫長(zhǎng)海岸線上的主要港口與進(jìn)港航道的底質(zhì)復(fù)雜多變，經(jīng)常會(huì)遇到密實(shí)板結(jié)粉土、細(xì)沙和硬質(zhì)黏土的情況，難挖的土質(zhì)直接影響挖泥船的生產(chǎn)效率和施工進(jìn)度。例如，在施工黃驊港密實(shí)粉細(xì)砂和長(zhǎng)江口“鐵板砂”等難挖掘土類(lèi)時(shí)，國(guó)內(nèi)所用耙頭的施工濃度一般都很低，泥漿密度在1.10 t/m3左右[1]，如何提高挖泥船的泥沙挖掘效率是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

耙吸式挖泥船所用耙頭的性能直接影響其施工效率，耙頭是耙吸式挖泥船的重要挖泥裝備之一，安裝在耙吸管最下端。挖泥時(shí)耙頭緊貼水底泥面作業(yè)，在船的拖拽下松土挖泥，再由泥泵將泥水混合物一起吸入泥艙，達(dá)到清淤、疏浚及開(kāi)挖的目的。圖1為耙吸式挖泥船“新海鳳”的耙頭。為了提高耙頭的施工效率，尤其是在我國(guó)沿海疏浚工程中經(jīng)常遇到的硬質(zhì)土施工效率問(wèn)題，進(jìn)行耙頭模型試驗(yàn)研究是一個(gè)必不可少且行之有效的途徑。耙頭的松土效率直接與其耙齒的安裝工藝（單齒形狀、齒寬和齒間距等）、切削操作工藝參數(shù)（切削角、切削速度和切土深度等）息息相關(guān)。對(duì)土體切削阻力形成機(jī)理的研究是認(rèn)識(shí)、改進(jìn)耙吸式疏浚技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，但主要是從二維切削理論上對(duì)飽和土體切削阻力進(jìn)行計(jì)算分析[2－3]。洪國(guó)軍等[4]通過(guò)模型試驗(yàn)的方法，綜合考慮耙齒類(lèi)型、負(fù)載、航速、不同位置高壓沖水等因素的影響，研究了不同工況下的原型耙齒切削過(guò)程，并探討切削阻力、切削深度、切削寬度等因素之間的關(guān)系。

圖1 耙吸式挖泥船耙頭及耙齒Fig.1 Draghead and teeth for trailing suction hopper dredger

借助中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院疏浚技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的疏浚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本次通過(guò)專(zhuān)門(mén)試驗(yàn)，直觀再現(xiàn)疏浚耙齒松土全過(guò)程，并全程監(jiān)測(cè)耙齒-土體接觸面處的土體孔隙水壓力演變過(guò)程，分析耙齒松土機(jī)制及其飽和土體切削阻力形成機(jī)制。

2 測(cè)試裝置與試驗(yàn)原理

無(wú)論是海床土體的劈裂還是動(dòng)態(tài)切削過(guò)程中，土體自身發(fā)生的變形，其所需外力做功的功率均與土體的應(yīng)力狀態(tài)息息相關(guān)。土體主應(yīng)力越大（壓為正），則改變土體變形所需的做功就會(huì)越大。這里的主應(yīng)力指的是有效應(yīng)力σ′，而該有效應(yīng)力與孔隙水壓力u息息相關(guān)。根據(jù)有效應(yīng)力原理（見(jiàn)式2），總應(yīng)力不變時(shí)孔隙水壓力u越小則其有效應(yīng)力σ′就越大。

試驗(yàn)研究孔隙水壓力的演變過(guò)程，有助于找到耙齒運(yùn)行阻力的內(nèi)在機(jī)制。耙齒在運(yùn)行中不斷切削土體，被切削的土體會(huì)發(fā)生擠壓、剪切等變形，其應(yīng)力狀態(tài)會(huì)因孔壓的改變而改變，并直接決定了耙齒前行阻力的大小。本文試驗(yàn)直接對(duì)耙齒-土體接觸面處的孔隙水壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖 2，分析其演變規(guī)律。

圖2 試驗(yàn)原理示意圖Fig.2 Sketch of test principles

試驗(yàn)所用耙齒如圖3所示。為疏浚工程中的原型鑿型齒，齒面寬約11 cm、長(zhǎng)約16 cm。耙齒固定在臺(tái)車(chē)支架上（見(jiàn)圖3（a）），耙齒的姿態(tài)和運(yùn)行控制全部通過(guò)控制臺(tái)車(chē)進(jìn)行數(shù)字控制（見(jiàn)圖4）。根據(jù)試驗(yàn)需要，隨意設(shè)定試驗(yàn)中的耙齒傾斜角度θ、切土深度hc以及耙齒的切土速度V。

圖3 原型耙齒及孔壓傳感器安裝Fig.3 The prototype draghead tooth and pore water pressure sensor installation

圖4 耙齒運(yùn)行控制臺(tái)車(chē)Fig.4 The trolley controlling movement of the draghead tooth

控制臺(tái)車(chē)上安裝有耙齒運(yùn)行速度、切削阻力和齒面孔隙水壓力采集系統(tǒng)，測(cè)力傳感器系統(tǒng)是由安裝在臺(tái)車(chē)支架前端兩側(cè)的測(cè)力傳感器組成，每個(gè)傳感器的測(cè)量精度為±1 N，測(cè)量范圍為10～10 000 N；激光傳感器系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）是由激光發(fā)射接收器和激光反射板組成，其測(cè)量精度為±0.01 m/s，測(cè)量范圍為 0.1～10.0 m/s。整個(gè)飽和土體耙齒切削過(guò)程中耙齒控制臺(tái)車(chē)通過(guò)自帶的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)整個(gè)切削過(guò)程中耙齒的切削阻力和 切削速度以每秒5次的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。齒面孔隙水壓力采集，是通過(guò)安裝在耙齒面上的孔隙水壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集。為了減少孔壓傳感器安裝對(duì)耙齒切削性能的影響，本文試驗(yàn)僅在耙齒中軸線上鉆孔2個(gè)，安裝了距離耙齒尖分別為2、5 cm的孔壓傳感器（見(jiàn)圖3），孔壓傳感器最大量程為 200 kPa，測(cè)量精度為±0.01 kPa。安裝孔壓傳感器的孔洞直徑為 8 mm，傳感器外表面與耙齒面齊平，可忽略其對(duì)耙齒切削工作性能和試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖5 臺(tái)車(chē)運(yùn)行速度監(jiān)測(cè)激光傳感器系統(tǒng)Fig.5 Laser sensor system monitoring trolley’s movement

3 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)海床

本試驗(yàn)用土取自河北省滄州市以東90 km的渤海之濱黃驊港土體，土樣粒徑級(jí)配曲線如圖6所示。平均粒徑d50=0.078 mm，d10=0.038 mm，d30=0.053 mm，d60=0.099 mm，不均勻系數(shù)為2.61＜5，且曲率系數(shù)為0.75＞1，為級(jí)配不良的粉砂土。

試驗(yàn)中海床的鋪設(shè)，以其干密度作為控制指標(biāo)，并從所鋪設(shè)的土層底部緩慢加水，至少讓土體飽和48 h后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)海床土體干密度目標(biāo)值為1.59 g/cm3，相對(duì)密度為0.89，滲透系數(shù)為2.3×10－4cm/s。試驗(yàn)中的土槽底部鋪設(shè)有透水層，材料為1～2 cm碎石，且碎石中埋設(shè)有供水管路，確保試驗(yàn)海床的均勻飽和效果。

圖6 土的粒徑級(jí)配累積曲線Fig.6 Grading curve of bed soil

（2）試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中在耙齒切削角度θ=65°，切削深度hc=4 cm，水面深度h1=4 cm。本文中進(jìn)行了兩種耙齒前行速度條件下的試驗(yàn)：工況 1最大切削速度為0.23 m/s，工況2最大切削速度為0.54 m/s。

4 試驗(yàn)結(jié)果

耙齒底端一部分埋入土體中，當(dāng)從試驗(yàn)土槽一端行進(jìn)到另一端的時(shí)候，耙齒將土體切削、掀起。由于工程疏浚中單次土體切削層厚并不大，但是耙齒最高行進(jìn)阻力可超過(guò)1 t，遠(yuǎn)超過(guò)耙齒前方堆積的土體自重。通過(guò)試驗(yàn)可以從孔隙水壓力角度去解釋其阻力來(lái)源。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，以下主要對(duì)耙齒松土機(jī)制和齒面孔隙水壓力演變規(guī)律進(jìn)行分析。

4.1 耙齒松土機(jī)制分析

試驗(yàn)中對(duì)耙齒行進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了高清晰度的錄像，再借助視頻處理軟件，可以分析耙齒的松土機(jī)制。圖7為飽和土體在耙齒松土過(guò)程中的典型破壞現(xiàn)象。從圖中可以看出，（1）耙齒能沿程刨松前方土體，并向兩側(cè)堆放刨起來(lái)的土體；（2）耙齒切削土體的水下過(guò)程無(wú)法直接看見(jiàn)，一則水被攪渾，再則被土體掩蓋；（3）被切削的土體，逐漸露出水面的過(guò)程中可以看到其完整性，并沒(méi)有明顯的裂縫；（4）被掀起的土體，幾乎是堆積到耙齒上端才出現(xiàn)裂縫，使得土體破壞，可見(jiàn)土體切削過(guò)程中的土體破碎并不發(fā)生在切削瞬間，但堆積起來(lái)的土體一旦出現(xiàn)裂縫，裂縫擴(kuò)散速度也很快，加速土體破碎。

圖7 飽和土體的耙齒松土過(guò)程Fig.7 Dynamic loosening process of saturated bed soil

4.2 土體切削過(guò)程中的齒面孔隙水壓力響應(yīng)

圖8為試驗(yàn)工況1、2的兩個(gè)位置孔壓和耙齒行進(jìn)速度的時(shí)程曲線。工況2的耙齒行進(jìn)速度要高于工況1，工況1最大速度為0.23 m/s，工況2最大速度達(dá)0.54 m/s。從圖中可以看出，（1）齒面上的孔隙水壓力均在耙齒很小的位移條件下發(fā)生驟降，這說(shuō)明耙齒切削土體過(guò)程中出現(xiàn)孔隙水負(fù)壓力的普遍性；（2）齒面上出現(xiàn)的孔隙水負(fù)壓力維持在較大的真空度，工況1中的真空度為-0.4個(gè)大氣壓，工況2為-0.6個(gè)大氣壓；（3）離耙齒尖越近，其齒面上的孔隙水真空度則越大，a、b孔豎直方向的距離少于3 cm，兩點(diǎn)靜水壓力差異應(yīng)少于0.3 kPa，而兩種工況下測(cè)得的孔隙水壓力差異在20 kPa左右，可見(jiàn)其位置差異產(chǎn)生的靜水壓力差異可以忽略不計(jì)。另外，從圖8還可以看出，孔隙水壓力總體上是隨耙齒行進(jìn)速度增大而增加，但數(shù)值大小并不是與速度一一對(duì)應(yīng)，與土體切削破壞的復(fù)雜性有關(guān)。圖8（b）中耙齒行進(jìn)速度在6 s以后明顯降低，但其孔壓的負(fù)壓數(shù)值并沒(méi)有立即改變，而是緩慢回退，且a孔的壓力變化要快于b孔。

圖8 耙齒切削過(guò)程中的齒面孔壓演變時(shí)程曲線Fig.8 History curves of pore water pressure on tooth-soil interface during continuous moving of draghead tooth

4.3 土體切削阻力形成機(jī)制

耙齒切削飽和土的結(jié)果分析表明，土體在耙齒切削過(guò)程中產(chǎn)生了較大的孔隙水負(fù)壓力，土體內(nèi)存在較大的剪脹趨勢(shì)，土體孔隙因不能及時(shí)補(bǔ)充流體（水體流動(dòng)、內(nèi)外交換）而產(chǎn)生負(fù)孔壓，即吸水效應(yīng)[5]。密實(shí)細(xì)砂土具有剪脹特性，本次耙齒切削試驗(yàn)，土體剪切破壞速度很快，可以認(rèn)為是飽和密實(shí)細(xì)砂土的不排水剪切破壞，剪脹趨勢(shì)越強(qiáng)，其產(chǎn)生的孔隙水負(fù)壓力就越強(qiáng)，從而使得耙齒切削阻力成倍增加。耙齒切削過(guò)程中，除了理論切削線位置的土體被切削而劈開(kāi)，還可以看到在耙齒底部位置產(chǎn)生一個(gè)傾斜的剪切帶[6]，圖9為該剪切帶的形成機(jī)制。位于剪切帶的土體，其孔隙率有著明顯的增加趨勢(shì)，正是負(fù)孔壓形成的內(nèi)在原因，也是土體切削阻力的重要形成機(jī)制。土體被切削后，將沿著耙齒面往上推進(jìn)，其土中較大的孔隙水負(fù)壓力會(huì)由于土體破裂、外部水滲入、土中水流動(dòng)等原因而得以降低。因此，可推斷距離該剪切帶越近的地方，土體剪脹引起的負(fù)壓力會(huì)越大，已在上述試驗(yàn)中得到了證實(shí)（見(jiàn)圖8）。耙齒在前行過(guò)程中其背面會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似行船的船尾渦流，形成一定的負(fù)壓，將加重土中孔隙水負(fù)壓力。

圖9 耙齒切削過(guò)程中的剪切帶[6]Fig.9 Shear zone responding to soil cutting by draghead teeth [6]

5 結(jié) 論

（1）耙齒切削海床土體過(guò)程中土體因其快速剪切直至破壞，可以認(rèn)為是土體的不排水剪切變形過(guò)程。

（2）土體在耙齒切削過(guò)程中的剪脹趨勢(shì)，使得耙齒-土體界面上及受到影響范圍內(nèi)的土體內(nèi)孔隙水壓力驟降，甚至出現(xiàn)較大的真空度。

（3）離耙齒尖越近的位置，齒面上的孔隙水真空度越大，可以設(shè)想耙齒前方土體最大的孔隙水負(fù)壓力可能位于耙齒尖，目前試驗(yàn)中尚難監(jiān)測(cè)。

（4）耙齒-土體界面上存在較大的孔隙水負(fù)壓力，為耙齒松土技術(shù)的改進(jìn)提供了理論支撐，可以進(jìn)一步研發(fā)新技術(shù)諸如補(bǔ)水式的耙齒松土技術(shù)。

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