疏浚黏土法向附著力特性

徐繼濤，張更生，尹崧宇

（中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457）

土壤附著的研究最早起源于19世紀(jì)30年代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中黏附土壤對(duì)生產(chǎn)機(jī)具的阻礙現(xiàn)象，上世紀(jì)70年代引入我國后研究領(lǐng)域主要集中在農(nóng)耕等方面[1-2]。20世紀(jì)90年代后，疏浚土附著力作為輔助參考判別指標(biāo)成為疏浚巖土工程特性與分級(jí)的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一[3-5]，隨后汪峰等[6]研究不同類型土附著力隨黏粒變化關(guān)系，并獲知同類型土與含水率和塑性指數(shù)之間定性的變化趨勢；張先偉[7]等通過7種土試驗(yàn)，建立土質(zhì)各種物理指標(biāo)與附著力之間關(guān)系，并使用水膜理論解釋疏浚土隨含水量變化特點(diǎn)；張更生[8]等使用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理獲得天津港區(qū)天然含水率和塑性指數(shù)與附著力之間定量關(guān)系，并預(yù)測船舶在天津南港施工中會(huì)遇到糊機(jī)具頭的難題。本文重點(diǎn)分析重塑硬塑～流塑狀黏土混砂[9]土質(zhì)的法向附著力與含水率、壓板材質(zhì)、接觸時(shí)間和含砂率變化關(guān)系。

1 土源土質(zhì)特點(diǎn)

本文試驗(yàn)土質(zhì)來源于營口港鲅魚圈港區(qū)72～75號(hào)多用途泊位港池疏浚工程的黏性土。絞吸式挖泥船在此項(xiàng)目施工過程中遇到黏土起球和糊絞刀頭等困難，因此需對(duì)此區(qū)域內(nèi)黏土進(jìn)行附著力方面的特性分析。原狀黏土呈灰黃色，硬塑狀，含銹斑，混少量粉土和砂粒，土質(zhì)不均，其物理參數(shù)見表1；原狀黏土平均含水率為24%，標(biāo)貫擊數(shù)為11擊；根據(jù)水運(yùn)工程規(guī)范可將其定名為黏土混砂[9]；根據(jù)疏浚與吹填設(shè)計(jì)規(guī)范[5]視其為4級(jí)土。

表1 鲅魚圈黏土混砂土質(zhì)物理參數(shù)Table1 Physical parameters of clay mixed sand in Bayuquan Area

2 疏浚土質(zhì)附著力吸附機(jī)理

疏浚土吸附體系由疏浚土、接觸面（界面）和固相組成。本文綜合土和固相界面的物理和化學(xué)吸附特點(diǎn)，基于吸附體系動(dòng)態(tài)平衡觀點(diǎn)，提出疏浚土和固相表面黏附力公式：

式中：fa為疏浚土顆粒與金屬表面的化學(xué)和物理吸附力；fb為疏浚土顆粒中的水由于毛細(xì)作用集聚在接觸面形成的范德華等結(jié)合水力；fc為疏浚土的黏滯阻力（影響較?。?；c為不同含水率條件下疏浚土的內(nèi)聚力。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)原理

使用附著力測量儀[10]確定的單位面積上土質(zhì)黏附能力大小稱為土的附著力F[3-5]。

式中：F為附著力，g/cm2；N為壓板脫離杯口時(shí)拉力，g；A為固相與土體基礎(chǔ)面積，cm2。

3.2 試驗(yàn)方案

疏浚過程中，機(jī)具材質(zhì)、切削速度（絞刀橫移速度和絞刀轉(zhuǎn)動(dòng)速度的綜合指標(biāo)）和被切削對(duì)象對(duì)附于絞刀表面的顆粒組成產(chǎn)生很大影響，這些因素在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中分別反映為壓板材質(zhì)、加壓時(shí)間和土質(zhì)類型對(duì)附著力的影響。因此本實(shí)驗(yàn)選擇4種壓板材質(zhì)、2種加壓時(shí)間和2類不同黏土進(jìn)行室內(nèi)附著力研究。附著力測量儀壓板通常為銅板，鋁也是一種常用金屬，而絞刀一般采用低合金鋼，差別在于合金含量和種類不同，因此選擇銅、鋁、低合金鋼和絞刀低合金鋼（以下簡稱專用鋼）4種材質(zhì)。規(guī)范[3-5]規(guī)定壓板時(shí)間為30 s，為反映加壓時(shí)間對(duì)附著力影響，另外選擇2 min加壓時(shí)間為主要研究因素。現(xiàn)場原有土質(zhì)為黏土混砂（以下簡稱擾動(dòng)土），為反映含砂量對(duì)附著力影響，不改變黏粒和粉粒含量的情況下，將原有黏土中含砂量減少部分后成為新土質(zhì)，作為一種研究變量（其中黏土含砂量從13.5%降為4%（以下簡稱低砂土））；現(xiàn)場疏浚時(shí)土質(zhì)天然含水率隨時(shí)空分布不均，因此也將含水率作為研究疏浚土附著力的研究變量。

綜上，使用現(xiàn)行的疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范[7]推薦的實(shí)驗(yàn)方法，研究材質(zhì)、加壓時(shí)間和土質(zhì)類別隨含水率變化對(duì)黏土法向附著力的影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果及吸附機(jī)理分析

試驗(yàn)過程中，部分試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值偏大。這是由于土體表層顆粒外部受壓后再分布會(huì)導(dǎo)致顆粒間孔隙減小或緊閉，在界面上形成的水膜構(gòu)成土體黏附力，疏浚土吸附系統(tǒng)達(dá)到初次平衡。當(dāng)外部受拉時(shí)，初次平衡被再次打破，表面顆?？紫恫糠謴堥_；由于土體本身的彈性，若拉力較快，接觸面上水膜的水來不及流回土顆?？紫吨性斐删植控?fù)壓，形成“真空吸附”[11]，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏高。因此，試驗(yàn)過程中應(yīng)剔除結(jié)果明顯偏大的數(shù)值。

4.1 含水率對(duì)附著力影響

將擾動(dòng)土和低砂土配成不同含水率的試驗(yàn)土，對(duì)每種含水率土質(zhì)進(jìn)行附著力試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，附著力隨著含水率先增加到峰值后減小（圖1和圖2）。

圖1 擾動(dòng)土30 s加壓時(shí)間附著力與含水率關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curves between adhesion and water content of 30 s pressurization timefor disturbing clay

圖2 低砂土30 s加壓時(shí)間附著力與含水率關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between adhesion and water content of 30 spressurization time for low sand clay

由圖1和圖2可看出，其曲線的變化規(guī)律一般符合三階拋物線形式，符合任露泉[2]提出的拋物線變化規(guī)律，但區(qū)別于叢茜[12]等提出的二階拋物線形式。在土質(zhì)塑限以下，含水率對(duì)附著力影響不明顯，附著力變化很小；達(dá)到峰值后，附著力隨含水率增加而逐漸減??；因此，以比塑限小25%塑性指數(shù)為下臨界點(diǎn)的三階拋物線更能體現(xiàn)實(shí)際情況。

低含水率向高含水率轉(zhuǎn)變時(shí)，兩相固體接觸面破裂形式和位置會(huì)發(fā)生變化。低含水率時(shí)，破裂面斷開位置為兩相固體接觸面（圖3（a））；而高含水率時(shí)，破裂面位于土體內(nèi)部（圖3（c））。

圖3 不同含水率時(shí)界面破裂形態(tài)Fig.3 The interface rupture morphology at different water contents

附著力隨含水率變化特點(diǎn)可用化學(xué)吸附機(jī)理（式（1））解釋。塑限以下疏浚土內(nèi)部的水主要以土顆粒表面強(qiáng)結(jié)合水的形式存在，土顆粒的吸附力和毛細(xì)管力很難發(fā)揮作用，因此塑限以下土的附著力變化小。塑限到液限之間疏浚土隨著含水量增加，土壤顆粒表面包裹著強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，甚至還有部分自由水。在受到外部壓力后，當(dāng)土體內(nèi)孔隙較多、含水量相對(duì)較少時(shí)，處于硬塑狀態(tài)的土體表層顆粒受壓變形小、重分布困難，土壤顆粒與金屬表面接觸面積少，土體內(nèi)部弱結(jié)合水和自由水在毛細(xì)管力作用下上升到接觸面，形成部分水膜，此時(shí)在土相和固相接觸面的水分張力成為土體附著力的主要影響因素（圖3（a）），此時(shí)若外部受拉，界面抗拉力較小，法向附著力較小。隨著含水率進(jìn)一步增加，外部受壓后土體表層顆粒再分布導(dǎo)致孔隙率減少，含水率增加，其與金屬表面接觸面積也增加，此時(shí)土顆粒與金屬表面靜電力和基質(zhì)吸力成為決定附著力大小的關(guān)鍵因素（圖3（b））。超過液限后，流動(dòng)狀態(tài)的土對(duì)金屬表面吸附能力更強(qiáng)，但受限于土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，在外部受到的法向拉力時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部破裂現(xiàn)象（圖3（c）），此時(shí)疏浚土附著力取決于土體內(nèi)聚力影響。如圖4（圖4來源于前期室內(nèi)重塑黏土混砂土質(zhì)的剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）所示，當(dāng)附著力達(dá)到峰值后，附著力下降曲線與內(nèi)聚力隨含水率增加下降曲線幾乎一致；說明峰值后疏浚土附著力由土體內(nèi)部內(nèi)聚力決定。綜上，特定含水率下土和金屬附著力取決于fa、fb、fc之和與土內(nèi)聚力c的最小值（式 1）。

圖4 擾動(dòng)土內(nèi)聚力和附著力隨含水率變化曲線Fig.4 The curves of cohesion/adhesion vsmoisture content for disturbing clay

通過統(tǒng)計(jì)大量不同疏浚土類附著力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，張先偉[7]發(fā)現(xiàn)在天然含水率狀態(tài)下疏浚土附著力約為塑性指數(shù)的5倍；但張更生[8]統(tǒng)計(jì)得到天津港區(qū)附著力是塑性指數(shù)的3倍左右。而本文，通過對(duì)擾動(dòng)土室內(nèi)附著力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此種土質(zhì)擬合曲線和試驗(yàn)點(diǎn)的附著力峰值強(qiáng)度分別為疏浚土塑性指數(shù)的2.90和2.95倍，約為3倍（表2）。

根據(jù)表2知，疏浚土附著力峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率在44.8%～50.3%（擬合曲線）或43.9%～49.5%（試驗(yàn)峰值），均大于土的液限值。這說明土的含水率超過液限部分?jǐn)?shù)值時(shí)才能達(dá)到最大的吸附能力。這與叢茜[12]、任露泉[2]等提出含水率處于塑限和液限之間時(shí)，附著力最強(qiáng)的觀點(diǎn)不一致，也區(qū)別于張先偉[7]等提出的附著力峰值對(duì)應(yīng)土的液限值附近觀點(diǎn)?？梢允褂没瘜W(xué)吸附機(jī)理結(jié)合界面破裂形態(tài)解釋峰值附著力時(shí)含水率超過液限的特性。土從塑性到液性轉(zhuǎn)變時(shí)，土與固相界面之間吸附力（fa、fb和 fc）也開始向內(nèi)聚力（c）發(fā)展；隨著含水率超過液限部分?jǐn)?shù)值后，吸附力與內(nèi)聚力達(dá)到平衡，此時(shí)即為法向附著力的峰值強(qiáng)度。

表2 疏浚黏土法向附著力試驗(yàn)結(jié)果Table2 Test resultsof normal adhesion test of dredged clay

4.2 材質(zhì)對(duì)附著力影響

擾動(dòng)土?xí)r，4種材質(zhì)壓板的峰值附著力F：鋁＞銅＞低合金鋼＞專用鋼；低砂土?xí)r，4種材質(zhì)壓板的峰值附著力：低合金鋼＞鋁＞專用鋼＞銅（見表2和圖1、圖2）。加入小于5%合金含量的鋼材稱為低合金鋼，絞刀專用鋼與低合金鋼材質(zhì)區(qū)別在于加入的錳、鉻、鉬和鎳等元素含量不同[13]。銅和鋁具有片狀晶體結(jié)構(gòu)；低合金鋼由于淬火加工工藝和參入合金元素不同，顯微結(jié)構(gòu)差別較大，主要有：奧氏體、珠光體、貝氏體和馬氏體等；加入錳等元素的絞刀專用鋼經(jīng)過淬火等工藝，它的顯微結(jié)構(gòu)是呈針狀分布的馬氏體。兩相接觸時(shí)，固相表面的馬氏體與界面上水膜之間的黏滯阻力和物理吸附力相對(duì)較小，因此在宏觀上表現(xiàn)為具有馬氏體的專用鋼黏附能力較低相。

與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類似，疏浚行業(yè)中為達(dá)到減黏降阻的目的，絞刀材質(zhì)應(yīng)選用具有馬氏體顯微組織結(jié)構(gòu)、能夠承受較高硬度和拉伸強(qiáng)度的低合金鋼。它既能滿足生產(chǎn)時(shí)切削土體的要求，又能減少疏浚土的附著。

4.3 加壓時(shí)間對(duì)附著力影響

附著力測試過程中，不受外部影響時(shí)土體自動(dòng)穩(wěn)定；受到外部荷載后土顆粒受壓再平衡。外部受拉后，表層土顆粒和界面水膜發(fā)生變化抵抗外部拉力，直到破壞形成最終穩(wěn)態(tài)，這都是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過程。因此，時(shí)間是重要的影響附著力大小的因素。

本文考慮規(guī)范[5]推薦的30 s和非規(guī)定值2 min，其結(jié)果見圖5。塑限到液限之間，相同含水率條件下外部荷載時(shí)間越長，疏浚土附著力越高；超過液限后，增加外部荷載時(shí)間沒有增加附著力，反而降低了土體附著力。不論是擾動(dòng)土還是低砂土，加壓時(shí)間對(duì)附著力與含水率關(guān)系曲線的影響類似（圖 5）。

增加外部荷載時(shí)間，硬塑黏土表層土顆粒受壓時(shí)間變長，顆粒重分布結(jié)果更穩(wěn)定，土體孔隙度減少，毛細(xì)管內(nèi)含水量增加，在界面上形成的水膜面積比短時(shí)間受壓所形成面積增大，增加了fb值；同時(shí)，接觸時(shí)間長，土顆粒和金屬表面之間產(chǎn)生電子吸附面積增加，所發(fā)生的化學(xué)吸附力增加，即增加了fa值，化學(xué)吸附和水膜張力的增加同時(shí)加大了土與固相之間的黏附能力，宏觀表現(xiàn)為疏浚土附著力增加。軟塑黏土受到外部壓力后，變形大；土體處于飽和狀態(tài)，此時(shí)疏浚土附著力取決于接觸面化學(xué)吸附和水膜張力或土體自身內(nèi)聚力。受壓后的表層土，顆粒擠密，多余的自由水流入土和金屬接觸面，界面過多的水膜厚度超過弱結(jié)合水的厚度，導(dǎo)致界面水分張力減少，宏觀上表現(xiàn)為附著力降低；若附著力大小由土內(nèi)聚力決定，那么過長的加載時(shí)間對(duì)土體附著力無明顯影響，例如圖5含水率增加到約55%以后，30 s和2 min兩種加載時(shí)間附著力與含水率曲線有合并為一條曲線的趨勢。

圖5 不同加壓時(shí)間擾動(dòng)土和低砂土銅壓板下附著力與含水率關(guān)系曲線Fig.5 Curvesof adhesion and water content under copper plate for disturbing clay and low sand clay with different pressurization times

4.4 含砂量對(duì)附著力影響

為確定土質(zhì)特性對(duì)附著力影響，在保證疏浚土黏粒和粉粒成分組成不變的情況下，降低砂粒含量，反映材質(zhì)對(duì)土質(zhì)的敏感程度，見表2和圖5。4種材質(zhì)，在不同的加壓時(shí)間下，在特定含水率時(shí)，低砂土附著力值都要小于擾動(dòng)土附著力對(duì)應(yīng)值（圖5）。僅考慮峰值強(qiáng)度，在不同加壓時(shí)間和壓板材質(zhì)條件下，低砂土的峰值強(qiáng)度相比于擾動(dòng)土平均減少16%；銅對(duì)土質(zhì)的敏感程度最高，鋁次之，專用鋼最少（表2）。

這是由于擾動(dòng)土含砂率相對(duì)較高，砂土比表面積小，外表含有結(jié)合水較少；加壓后，表層土孔隙減少，但砂顆粒受壓后變形小，較容易在表層土中形成毛細(xì)管作為自由水的上升通道，在界面形成水膜，增加水的張力，宏觀表現(xiàn)為增加了界面的抗拉強(qiáng)度，即附著力相對(duì)較大。

綜上試驗(yàn)結(jié)果，在含水率、含砂量、加壓時(shí)間和材質(zhì)等方面降低疏浚土質(zhì)對(duì)絞刀的附著力。對(duì)于軟塑和流塑黏土，選用馬氏體顯微結(jié)構(gòu)的絞刀；再增設(shè)一個(gè)高壓沖水裝置，瞬時(shí)增加與絞刀接觸部分疏浚土的含水率，間接減少單位體積內(nèi)土質(zhì)的含砂量；在滿足輸送泵送能力、低于輸送堵泵濃度臨界值的情況下，采用增加橫移速度減少絞刀轉(zhuǎn)速施工工藝，能夠降低疏浚土質(zhì)附著力。硬塑狀混砂黏土，切削阻力較大，確保船舶輸送能力時(shí)，除安設(shè)高壓沖水裝置外，還應(yīng)減少橫移速度和切厚、增大絞刀功率和絞刀轉(zhuǎn)速，減少土質(zhì)與絞刀接觸時(shí)間，降低土質(zhì)附著力和疏浚土糊絞刀的概率。

5 結(jié)語

1）基于動(dòng)態(tài)平衡觀點(diǎn)，使用物理和化學(xué)吸附理論，結(jié)合黏土內(nèi)聚力隨含水率變化特點(diǎn)，提出疏浚土吸附機(jī)理，能夠很好解釋附著率隨含水率變化關(guān)系以及外部因素對(duì)附著力的影響特性。

2）擾動(dòng)土和低砂土擬合附著力與含水率關(guān)系曲線呈三次拋物線型；附著力峰值約為塑性指數(shù)的3倍，峰值時(shí)含水率超過液限值。

3）機(jī)具材質(zhì)、黏土含砂量和加壓時(shí)間對(duì)附著力影響明顯；采用具有馬氏體顯微結(jié)構(gòu)絞刀專用鋼材切削低砂土能夠明顯降低土質(zhì)附著力。