電滲法降低黏性土黏附力室內(nèi)試驗(yàn)

肖宇豪，劉成，黃琳，劉磊

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037)

盾構(gòu)隧道開挖過程中，時(shí)常會(huì)遇到黏土黏附或堵塞刀盤等問題[1-3]，造成工期延誤和機(jī)械損傷。目前，諸多學(xué)者提出了相應(yīng)的解決辦法，電滲法便是其中之一。然而，電滲受電場、含水率、電導(dǎo)率和電極面積等多因素影響，將電滲法應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中，還需要開展不同條件下的電滲減黏試驗(yàn)并進(jìn)行減黏機(jī)理分析，為電滲減黏方案制定提供依據(jù)。

前人將電滲法運(yùn)用于土體減黏的研究，主要集中在農(nóng)業(yè)機(jī)械脫土方面。任露泉等[4]通過試驗(yàn)證明，非光滑表面電滲鏟斗具有良好的脫土性能，可提高30%以上的生產(chǎn)效率；叢茜等[5]研究了影響電滲減黏效率的諸多因素，并建立了電滲能耗與土體黏附力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；侯磊[6]進(jìn)行了仿生微電滲的研究，在多作業(yè)周期下減黏效果顯著。

將電滲法應(yīng)用于盾構(gòu)隧道開挖過程，預(yù)期可以有效降低刀盤結(jié)泥餅的危害，具有較高的研究價(jià)值。van Baalen等[7]設(shè)計(jì)了兩種不同裝置研究電滲后土體抗剪強(qiáng)度的變化，嘗試將電滲原理運(yùn)用在盾構(gòu)掘進(jìn)中；Heuser等[8]結(jié)合Zeta電位與孔隙流體介質(zhì)來分析電滲減黏，進(jìn)一步驗(yàn)證將電滲運(yùn)用于盾構(gòu)中的可行性；陸嘉[9]通過模型試驗(yàn)來測定刀盤電滲減黏后的扭矩變化，抗剪扭力值大幅降低；Spagnoli等[10]以圓錐拉拔試驗(yàn)來模擬TBM掘進(jìn)時(shí)刀盤結(jié)泥餅，通過施加恒定電壓使金屬表面黏附量大大減少。但已有文獻(xiàn)尚缺少對電滲減黏效率的試驗(yàn)手段和量化判斷方法，制約了電滲減黏方案的制定。

為了研究電滲減黏脫附的規(guī)律，有效量化特定減黏效果下的電滲效率，筆者設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)電滲裝置，以錐體在受恒定拉拔力、不同含水率條件下進(jìn)行電滲減黏試驗(yàn)，分析電滲歷程中電滲時(shí)間對黏附力的影響，根據(jù)錐體黏附現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)理論來解釋界面電滲減黏原理。

1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

本試驗(yàn)土樣為重塑軟黏土，原狀土取自南京某擬建盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場。土樣物理參數(shù)見表1，級配曲線見圖1。

表1 土樣物理性狀參數(shù)Table 1 Physical parameters of used clay soil sample

圖1 試驗(yàn)土樣粒徑分布曲線Fig. 1 Grain size distribution curve of used clay soil sample

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)研制了一套牽引傳動(dòng)電滲裝置，如圖2所示。整套儀器由5個(gè)部分組成：電滲裝置、土箱、牽引裝置、配重砝碼及緩沖海綿。

圖2 牽引傳動(dòng)電滲裝置Fig. 2 Traction driving electro-osmosis device

土箱尺寸為200 mm×150 mm×60 mm，采用有機(jī)絕緣材料制作。沿軸線布置鋼制板狀電極和銅制錐形電極，二者間距為120 mm，且電極與土箱邊壁仍有一段距離，以減小土箱邊壁對電場的影響。鋼板尺寸50 mm×50 mm×0.5 mm，入土深度15 mm；銅錐入土深度23.4 mm，頂角52.5°，分別連接電源正極和負(fù)極。取鋼板單側(cè)入土面積與圓錐錐面入土面積作為計(jì)算面積，正負(fù)電極的面積比為1.252 4。試驗(yàn)電源為MS-6060型穩(wěn)壓直流電源，輸出電壓范圍為0～30 V。

牽引裝置主體為鋼制支架，對稱布置4個(gè)傳動(dòng)滑輪，牽引線連接砝碼與試驗(yàn)錐體，試驗(yàn)砝碼質(zhì)量依據(jù)黏附力最大值的不同比例確定。砝碼質(zhì)量是衡量黏附力大小的指標(biāo)，砝碼質(zhì)量越大，拉脫時(shí)的黏附力值越大，減黏量相應(yīng)減小，公式(1)用減黏比例系數(shù)K來量化控制減黏量。

M砝碼=K·M黏+M錐+Mf

(1)

式中：M黏為無電滲減黏作用影響的黏附力值，通過速率為0.1 mm/s的拉拔試驗(yàn)測定，N；K為減黏比例系數(shù)，根據(jù)所需平衡黏附力大小確定；M錐為錐體重量，取0.51 N；Mf為平衡系統(tǒng)摩擦阻力，經(jīng)測定取值0.03 N。

本試驗(yàn)中減黏比例系數(shù)K分別取0，0.2，0.4，0.6，0.8和1.0，減黏量隨著K值增大而降低。當(dāng)K為0時(shí)，實(shí)際為0.001，此時(shí)錐體脫開時(shí)界面黏附力近似為0，為表述方便，用0代替0.001；當(dāng)K為1.0時(shí)，即為無電滲減黏時(shí)錐體黏附力最大值。

1.3 試樣制備

將原狀土烘干擊碎成粉末，過篩保留粒徑在0.5 mm以下的土，取多組含水率條件制備土樣。盒中分層壓密填實(shí)至50 mm厚度，用刮刀將土樣表面整平，控制干密度在1.12 g/cm3，覆膜靜置24 h后，取樣測其含水率值。當(dāng)測定含水率與設(shè)計(jì)含水率誤差小于0.5%時(shí)，確定為有效配置土樣，開展后續(xù)試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)電滲試驗(yàn)所施加的電場強(qiáng)度為1 V/cm。試驗(yàn)前將板狀電極與錐形電極插至指定位置并連接牽引裝置、電源和砝碼，靜置2 min后打開電源。記錄錐體脫開時(shí)間，改變砝碼質(zhì)量以對應(yīng)不同減黏比例系數(shù)，重復(fù)試驗(yàn)。

2)無電滲拉拔試驗(yàn)中不施加電壓，將圖2中的砝碼端替換成能提供拉拔速率為0.01 mm/s的拉拔裝置，試驗(yàn)前將錐體插至指定位置并靜置2 min。啟動(dòng)拉拔裝置，記錄拉拔時(shí)間與拉拔力值，改變含水率后重復(fù)試驗(yàn)。

選取錐體作為拉拔試件，一方面減小側(cè)摩阻力的影響，另一方面增加負(fù)極面積，使錐體與土體接觸均勻[11]。同時(shí)選擇錐板組合，使錐周電場分布均勻。

2 結(jié)果與分析

2.1 黏附力隨含水率變化

為獲取無電滲時(shí)黏附力變化情況，從而進(jìn)行相關(guān)電滲試驗(yàn)，故進(jìn)行不同含水率條件下的勻速拉拔試驗(yàn)?？紤]到錐體與土的黏附存在法向和切向兩種力，主要作用于圓錐與土體接觸面上，參照已有學(xué)者的研究[12]，本研究將以實(shí)際繩端牽引力作為測定的黏附力進(jìn)行分析。

試驗(yàn)土樣在不同含水率條件下拉拔力隨拉拔時(shí)間的變化情況見圖3。從圖中可以看出，黏附力在塑限ωp之前隨含水率的增加而增大，并在塑限值附近出現(xiàn)最大值，之后隨著含水率的進(jìn)一步增加而逐漸減??；當(dāng)含水率大于液限ωL后，黏附力值逐漸趨于平穩(wěn)。由圖中拉拔力的變化趨勢可知，在含水率較高或較低時(shí)，黏附力隨含水率變化不大，而液、塑限之間含水率的變化對黏附力具有較大影響，因此，選取含水率處于液、塑限之間的土體更具研究意義。

圖3 拉拔力與含水率變化關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship curve between pulling force and water content

2.2 無電滲條件下黏附力測定

為進(jìn)一步研究黏附力在勻速拉拔狀態(tài)下，拉拔力隨拉拔時(shí)間的變化情況，選取處于液、塑限之間的4組含水率(23%，27%，31%和35%)作為測試對象，結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，拉拔力的最大值隨著含水率的增加而減小。對比4組黏附力最大值，發(fā)現(xiàn)拉拔時(shí)間也隨之增加，在35%含水率時(shí)拉脫時(shí)間最短。

圖4 拉拔力隨拉拔時(shí)間變化Fig. 4 Relationship between pulling force and drawing time

勻速拉拔下拉拔力增長趨勢與邱長林等[12]所得到的黏附力增長趨勢大致相同，拉拔力都隨拉拔時(shí)間近乎直線遞增。圖4中在35%含水率條件下拉拔力最大值為3.65 N，遠(yuǎn)大于銅錐自身重量0.51 N，故本試驗(yàn)所得到的拉拔時(shí)間必為拉拔力與黏附力相互作用結(jié)果，且拉拔力變化趨勢與前人所得試驗(yàn)結(jié)果大致相同[13]。

2.3 電滲條件下黏附力變化

通過無電滲條件下所測得的黏附力最大值，并結(jié)合式(1)調(diào)整砝碼質(zhì)量，獲得在電滲與恒定拉力作用下，黏附力隨電滲時(shí)間的變化關(guān)系曲線。4組含水率下，黏附力與通電時(shí)間之間的關(guān)系見圖5。根據(jù)式(1)可知，不同減黏比例K實(shí)際表現(xiàn)為試件當(dāng)前所受黏附力值，故將用減黏比例K表現(xiàn)減黏歷程中的黏附力變化。由圖可知，減黏時(shí)間隨黏附力變化是一個(gè)時(shí)間緩慢增加到急劇上升的過程，且存在拐點(diǎn)A和A′，使減黏所需時(shí)間發(fā)生較大變化：A點(diǎn)前，減黏時(shí)間隨黏附力的不斷減小呈直線增加；A點(diǎn)后，減黏所需時(shí)間大幅增加。其中，在23%含水率條件時(shí)，由于土體中含水量較少，土中水分在電滲作用下聚集速度較慢，且黏附力初始值遠(yuǎn)大于其他含水率，故導(dǎo)致整體減黏時(shí)間較長，并使A和A′點(diǎn)所處階段略有不同。反之，在較高含水率時(shí)，土體中較高的含水量以及初始黏附力相對較小，是導(dǎo)致電滲減黏時(shí)間整體偏短且較為接近的主要原因。

圖5 不同減黏比例下電滲時(shí)間變化Fig. 5 Relationship between adhesion reduction ratio and electro-osmotic time

對比叢茜等[5]發(fā)現(xiàn)黏附力隨電滲時(shí)間直線遞減，與圖5中黏附力在A點(diǎn)前趨勢大致相同，但A點(diǎn)后時(shí)間大幅增加。對比分析試驗(yàn)步驟，本試驗(yàn)優(yōu)化了脫開時(shí)黏附力測定方法，減少了更換拉拔力測定裝置對錐體的擾動(dòng)，同時(shí)縮短試驗(yàn)流程，避免了因停止電滲后孔隙水快速回流，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。

在研究黏附力因電滲作用而不斷減小的過程中，錐形電極始終受到恒定的拉拔力作用，可以較好地模擬機(jī)械與黏土分離時(shí)持續(xù)受力的情況，給具體的工程問題提供一個(gè)可靠的模型參考。

2.4 電滲歷程中減黏速率變化

為研究電滲歷程中減黏速率的變化，將圖4和圖5中黏附力最大值與通電時(shí)間相結(jié)合，得到減黏歷程中各減黏比例K時(shí)的減黏速率vK(圖6)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ΔN為圖5中黏附力減小差值，對應(yīng)式(1)中減黏比例K的變化；t為圖5中各點(diǎn)的時(shí)間增量；減黏比例K=1時(shí)不進(jìn)行電滲減黏，故速率均為0。

由圖6可知，減黏速率最大值出現(xiàn)在27%含水率下，減黏比例為0.4附近。平均減黏速率隨選取的4組土樣的含水率值先增加后減小。當(dāng)反應(yīng)開始時(shí)，減黏速率緩慢上升，減黏比例在0.4時(shí)快速增加。根據(jù)電滲原理可知，在電動(dòng)力作用下，土箱內(nèi)土體中的孔隙水不斷從陽極向陰極匯聚，造成錐形電極周圍含水率增加，板狀電極周圍含水率減小。隨著錐形電極周圍土體含水率不斷增加，在引起錐周土體電導(dǎo)率增大[14]的同時(shí)，錐體表面的導(dǎo)電橫截面積也在增大，使得電滲流速不斷提高，加快了電滲減黏。

隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，由圖6可知，在減黏比例小于0.4時(shí)，減黏速率卻發(fā)生了不同程度的衰減。根據(jù)Helmholtz-Smoluchowski提出的電滲流微觀模型，隨著錐體周圍土體內(nèi)的水向錐體匯聚，位于雙電層中的離子可以驅(qū)動(dòng)的水分大大減少，從而使得電滲流速降低，減黏速率發(fā)生衰減。同時(shí)，水膜厚度增速放緩，同樣導(dǎo)致減黏速率進(jìn)一步降低。另外，土中含水率降低及電解效應(yīng)可能導(dǎo)致土體與金屬界面間產(chǎn)生氣體層，同樣會(huì)導(dǎo)致黏附力減小[15]。

因此，電滲減黏在27%含水率時(shí)，由于其土中可供電滲驅(qū)使水分較為充足，有利于水膜的快速形成。同時(shí)，相對較大的初始黏附力值也是導(dǎo)致減黏速率與其他含水率時(shí)產(chǎn)生較大差異的主要原因。

圖6 減黏速率變化Fig. 6 Changes of adhesion reduction rate

2.5 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

現(xiàn)有水膜理論[16]認(rèn)為，水膜存在于金屬與土體接觸界面，土體與金屬間的黏結(jié)破壞發(fā)生在界面水膜中。在無電滲條件下，錐體脫開后表面黏余量較小，或是有塊狀黏結(jié)，如圖7所示。而在加入電滲條件后，錐體脫開后表面均勻附著大量的細(xì)小土顆粒，并隨著電滲反應(yīng)進(jìn)行，黏余量也在不斷變化，如圖8所示。對比圖7和圖8中有無電滲條件下金屬表面黏附狀態(tài)可知，電滲作用不僅影響?zhàn)じ搅Γ€對黏結(jié)破壞在土體中的位置造成影響。

圖7 無電滲下錐體表面黏附情況Fig. 7 Adhesion of cone surface without electro-osmosis

圖8 不同減黏程度下錐體表面黏附情況Fig. 8 Cone surface adhesion under different degrees of adhesion reduction

為解釋這種現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)有理論，可以認(rèn)為黏結(jié)破壞位置的改變是水分張力與內(nèi)聚力相互作用的結(jié)果。假設(shè)有無電滲條件時(shí)，界面水分張力均存在。

1)無電流時(shí)，土體內(nèi)聚力較大，靠水膜引起的水分張力相對較小。隨著拉拔力不斷增加，錐體最終脫出，斷裂面出現(xiàn)在水分張力相對較小的水膜中(圖7a)；土體內(nèi)聚力較小，靠水膜引起的水分張力相對較大。隨著拉拔力不斷增加，斷裂面出現(xiàn)在土體內(nèi)部(圖7b)。

2)有電流時(shí)，土箱中的孔隙水在電動(dòng)力作用下向錐形電極匯聚，使得電極周邊土體含水率快速增加，水膜厚度不斷增加。此時(shí)水分張力與土體內(nèi)聚力都在不斷減小，對比圖7a與圖8a可知，電滲后錐體表面仍附有較多黏土，說明黏結(jié)破壞仍發(fā)生在土體中。此時(shí)，水分張力與土體內(nèi)聚力均發(fā)生作用，水分張力的減小速率小于土體內(nèi)聚力的減小速率，故土體內(nèi)部先于水膜破壞。因此，斷裂面并沒有發(fā)生在水膜中，而是發(fā)生在水膜附近的土體中(圖9)，并在水分張力的作用下，將金屬界面與斷裂面間的土顆粒帶出。

隨著電滲減黏不斷進(jìn)行，錐體周圍含水率不斷增加，當(dāng)黏附力較大時(shí)，含水率較小，附著在錐形電極表面的土顆粒較多；當(dāng)黏附力較小時(shí)，含水率較高，附著在錐形電極表面的土顆粒大大減小。此時(shí)，可以認(rèn)為脫開時(shí)的水分張力相對較小，使得能夠帶離的土顆粒數(shù)目減少。如圖8所示，錐體表面黏余量隨黏附力的減小而明顯減少。

圖9 電滲減黏對界面水膜和破壞面的影響Fig. 9 Effects of electro-osmosis and adhesion reduction on interface water film and failure surface

3 結(jié) 論

1)錐體所受黏附力值，隨含水率的增加，呈現(xiàn)先增大后減小并逐漸趨于平穩(wěn)，且黏附力最大值出現(xiàn)在塑限值含水率附近。

2)在無電滲的勻速拉拔狀態(tài)下，黏附力隨拉拔時(shí)間呈線性正相關(guān)變化，在選取的4組含水率(23%，27%，31%和35%)中，黏附力最大值隨含水率的增加而減小。

3)電滲減黏時(shí)間隨著黏附力的不斷減小，先直線緩慢增加，經(jīng)過拐點(diǎn)后急劇上升。并隨著初始黏附力的降低以及含水率的增加，整體減黏時(shí)間不斷降低。

4)電滲減黏速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，錐周含水率的增加以及土中可驅(qū)動(dòng)水分的減小是導(dǎo)致此種現(xiàn)象的主要原因。本研究中，減黏速率的最大值隨4組含水率的增加而減小。

5)對比電滲作用下黏附特征的變化，根據(jù)錐體表面土體顆粒黏附情況，可以認(rèn)為黏結(jié)破壞是水分張力與土體內(nèi)聚力共同作用的結(jié)果，并隨電滲程度的加深黏附情況減弱。