土附著力試驗(yàn)影響因素研究

陳琪林，于 偉，凌柏平，楊愷民

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

引言

土的附著力是指土在一定的含水率的條件下，具有粘附在其他固體材料表面上的能力。土附著力是疏浚工程中一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，也是疏浚巖土工程特性與分級(jí)的輔助指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)行港航疏浚系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范[1]，按疏浚土附著力的大小，可將疏浚土分為無附著力土（＜50 g/cm2）、弱附著力土（50～150 g/cm2）、中等附著力土（150～250 g/cm2）和強(qiáng)附著力土（＞250 g/cm2）。附著力數(shù)值越大，表明疏浚土越難開挖。工程實(shí)踐中，附著力可為抓挖機(jī)械選取及其操作技術(shù)提供合理建議，為航道、港池等開挖及吹填工程提供設(shè)計(jì)和施工依據(jù)。

在港航疏浚工程中，土的附著力主要通過附著力試驗(yàn)確定。目前我國(guó)的土附著力試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要有《疏浚與吹填設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 181-5-2012）和《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTS 237-2017）。前一種方法對(duì)試驗(yàn)步驟及儀器的具體要求不甚明確，導(dǎo)致不同公司試驗(yàn)結(jié)果無可比性。后一本規(guī)范在前一本規(guī)范基礎(chǔ)上對(duì)土附著力試驗(yàn)方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的規(guī)定[2]，但仍存在試驗(yàn)步驟及儀器設(shè)備要求不明確的現(xiàn)象。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)土附著力的研究，大多停留在了土壤黏附機(jī)理及其類別和性質(zhì)對(duì)附著力大小的影響因素上[3-6]，很少有人關(guān)注到土附著力試驗(yàn)條件和步驟對(duì)附著力大小的影響。徐繼濤等[7]通過對(duì)粘土混砂附著力的研究，得出試驗(yàn)用壓板夾具材質(zhì)和加壓時(shí)間對(duì)土附著力有影響，筆者在工作中也發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)拉拔速率、加壓時(shí)間、加壓質(zhì)量均會(huì)對(duì)土附著力產(chǎn)生影響。

本文通過改變各種試驗(yàn)條件參數(shù)，研究各參數(shù)對(duì)粘性土附著力數(shù)值的影響，以期得到各試驗(yàn)條件參數(shù)的合理設(shè)定值，從而確定一種較為詳細(xì)的土附著力試驗(yàn)方法。為港航疏浚工程設(shè)計(jì)工作及后續(xù)附著力試驗(yàn)方法的修訂提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原理

使用附著力測(cè)試裝置測(cè)定黏性土對(duì)單位面積金屬壓板的吸附力，附著力P（kPa）按下式計(jì)算：

式中：

P—附著力（kPa，1 kPa=10 g/cm2）；

F—壓板脫離土吸附過程中最大拉力（N）；

A—壓板與土的接觸面積（mm2）。

1.2 試驗(yàn)用土性質(zhì)

本試驗(yàn)采用兩種不同性質(zhì)的土壤A（粘土）和土壤B（淤泥），分別測(cè)定其含水率、孔隙比、液限、塑限、塑限指數(shù)。兩種土的各分類指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用土物理性質(zhì)表

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法參考規(guī)范《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTS 237-2017），通過改變?cè)囼?yàn)過程中的各試驗(yàn)條件參數(shù)，得出各試驗(yàn)條件參數(shù)條件下兩種土樣的附著力大小，方法如下：

1）取代表性土樣，充分調(diào)勻，密實(shí)地裝入試樣杯中，使土面與墊圈平齊。除去墊圈，土面高處杯口0.5 mm；

2）將土樣杯放在儀器底座上，用粗糙度為3.2 m面積為10 cm2的銅制壓板對(duì)準(zhǔn)土樣杯口，使壓板平面完全接觸土面，在壓板上施加垂直荷重，使壓板壓力為20 kPa，持續(xù)時(shí)間為30 s；

3）啟動(dòng)拉力設(shè)備，以5 mm/min 的拉拔速率平穩(wěn)地拉動(dòng)壓板，直至土樣被拉斷，記錄最大拉力值；

4）擦凈壓板，重復(fù)上述步驟9 次，刪除10 次測(cè)定值中的兩個(gè)最大值和兩個(gè)最小值，取余下的6個(gè)數(shù)值的平均值作為該土體附著力值；

5）以上述方法為基準(zhǔn)，通過控制單一變量的方法，分別改變壓板粗糙度、壓板面積、壓板壓力、加壓時(shí)間、拉拔速率和壓板材質(zhì)等試驗(yàn)條件參數(shù)，分別測(cè)定兩種土體在各給定試驗(yàn)條件參數(shù)下的附著力，各試驗(yàn)條件參數(shù)的取值如表2 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)通過控制單一變量的方法，得出土附著力試驗(yàn)中各參數(shù)變化后兩種試驗(yàn)用土的附著力數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

由表2 可知，除個(gè)別試驗(yàn)條件外，本試驗(yàn)用黏土附著力超過5 kPa（附著力單位換算關(guān)系為1 kPa等于10 g/cm2），為弱附著力土，淤泥附著力超過15 kPa，為中等附著力土。兩種土附著力大小受試驗(yàn)條件影響很大，某些極端條件下，甚至?xí)绊懲恋母街︻愋偷呐袆e。

2.2 壓板粗糙度對(duì)土附著力的影響

用不同粗糙度的銅板測(cè)兩種土的附著力，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 附著力與壓板粗糙度關(guān)系圖

由圖1 可知，試驗(yàn)用黏土附著力隨壓板粗糙度增加而增加，但壓板粗糙度增加到6.3 μm 后，附著力增加效果不明顯，黏土附著力基本不受壓板粗糙度的影響。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，本試驗(yàn)用兩種土體與壓板間破壞面位置和形式不盡相同，黏土破壞面為兩種固體接觸面（如圖2），淤泥破壞面位土體內(nèi)部（如圖3）。

圖2 黏土接觸面破壞

圖3 淤泥內(nèi)聚破壞

在附著力試驗(yàn)過程中，土的破壞位置和形式取決于土的內(nèi)聚力和土與壓板的黏附力，當(dāng)土的內(nèi)聚力大于土與壓板的黏附力時(shí)，土破壞于兩種固體接觸面；當(dāng)內(nèi)聚力小于黏附力時(shí)，土破壞于土壤內(nèi)部；當(dāng)內(nèi)聚力與黏附力相差不大時(shí)，則土同時(shí)發(fā)生內(nèi)部破壞和接觸面破壞。本試驗(yàn)用黏土破壞位置位于接觸面，其內(nèi)聚力小于與壓板的黏附力，附著力主要取決于黏附力的大小。隨著壓板粗糙度的增加，黏土對(duì)壓板的黏附性也增加，破壞時(shí)土附在壓板上的面積也相應(yīng)增多，表現(xiàn)為附著力隨壓板粗糙度的增加而增加。淤泥破壞面位于土體內(nèi)部，附著力取決于土在試驗(yàn)條件下的內(nèi)聚力，與壓板粗糙度無關(guān)，表現(xiàn)為附著力不隨壓板粗糙度的變化而變化。由圖1 可知，黏土的附著力并不隨壓板粗糙度增加而無限增大，當(dāng)粗糙度增加到6.3 μm 后，粗糙度的影響已不明顯?？紤]到附著力試驗(yàn)對(duì)各類土的適應(yīng)性和壓板加工的難易性，附著力試驗(yàn)使用粗糙度為6.3 μm 比較合理。

2.3 壓板壓力對(duì)土附著力的影響

壓板和土體接觸后，通過在壓板上施加重物，對(duì)土進(jìn)行預(yù)壓，使土在一定的壓力達(dá)到平衡。不同壓板壓力下兩種土的附著力試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 附著力與壓板壓力關(guān)系圖

由圖4 可知，兩種土的附著力隨著壓板壓力的增加而增加，當(dāng)壓板壓力小于20 kPa 時(shí)，附著力受壓板壓力的影響很大，當(dāng)壓板壓力大于20 kPa后，附著力變化已不明顯。

土受擾動(dòng)后，不受外部影響時(shí)自動(dòng)穩(wěn)定，受外部壓力時(shí)，在壓力作用下達(dá)到再平衡。增加外部荷載，土顆粒重分布程度增加，重分布狀態(tài)更穩(wěn)定。在壓力作用下，土體孔隙率減少，毛細(xì)管內(nèi)含水率增加，土體更加密實(shí)，表現(xiàn)為土內(nèi)聚力的增加；同時(shí)，由于毛細(xì)管含水率增加，土體與壓板界面形成的水膜面積變大，水膜張力變大，又由于土體更加密實(shí)，與壓板接觸也更加緊密，使土顆粒與壓板表面之間產(chǎn)生的物理化學(xué)吸附增加，水膜張力和物理化學(xué)吸附的增加，在宏觀上則增大了土與壓板的黏附力。土內(nèi)聚力和與壓板黏附力的增加，則表現(xiàn)為土的附著力變大。當(dāng)壓力增加到一定程度后，土體再平衡趨于穩(wěn)定，土體附著力受壓力的影響逐漸變小?？紤]到試驗(yàn)的可操作性及壓板壓力的影響，附著力試驗(yàn)使用20kPa 的壓板壓力比較合適。

2.4 加壓時(shí)間對(duì)土附著力的影響

在附著力試驗(yàn)過程中，改變加壓時(shí)間，兩種土體的附著力試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 附著力與加壓時(shí)間關(guān)系圖

由圖5 可知，淤泥的附著力隨加壓時(shí)間的增加而增加，但當(dāng)加壓時(shí)間大于60 s后，其附著力增加幅度已不明顯。黏土的附著力幾乎不受加壓時(shí)間的影響。

與壓板壓力類似，加壓時(shí)間對(duì)土附著力的影響也可用土體重分布后的穩(wěn)定程度來解釋。隨著加壓時(shí)間的增加，土體中的孔隙逐漸減少，毛細(xì)孔含水率逐漸增加，土體逐漸變得密實(shí)，土與壓板的物理化學(xué)吸附也逐漸變大，表現(xiàn)為附著力隨加壓時(shí)間的增加而增大。但是，在一定的壓板壓力下，不同的土的重分布達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間是不一樣的，土含水率越高、黏粒含量越多，所需時(shí)間越長(zhǎng)。本試驗(yàn)用黏土含水率較低，黏粒含量相對(duì)較少，在壓板壓力下，土體很快達(dá)到穩(wěn)定，表現(xiàn)為附著力幾乎不受加壓時(shí)間的影響。根據(jù)兩種土的試驗(yàn)結(jié)果，考慮到附著力試驗(yàn)效率問題，推薦附著力試驗(yàn)用加壓時(shí)間為60 s，但當(dāng)土樣為低黏性土?xí)r，加壓時(shí)間可縮短至30 s。

2.5 壓板面積對(duì)土附著力的影響

用不同面積的銅制壓板測(cè)兩種土的附著力，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 附著力與壓板面積關(guān)系圖

由圖6 可知，壓板面積對(duì)土附著力影響很小，兩種土的附著力大小均壓板面積的關(guān)系均不明顯。由2.3 和2.4 節(jié)的分析可知，土的附著力主要受土體內(nèi)部的內(nèi)聚力和土體與壓板之間的黏附力影響，而這兩種力的大小只取決于土體本身的性質(zhì)和狀態(tài)以及壓板的性質(zhì)，與壓板的面積無關(guān)，故土的附著力幾乎不受壓板面積的影響?？紤]到附著力試驗(yàn)的可操作性，推薦使用面積為10 cm2的壓板。

2.6 拉拔速率對(duì)土附著力的影響

試驗(yàn)選擇4 種拉拔速率，各試驗(yàn)速率對(duì)兩種土附著力的影響如圖7 所示。

圖7 附著力與拉拔速率關(guān)系圖

由圖7 可知，兩種土的附著力隨著拉拔速率的增加而增大，但當(dāng)拉拔速率增大到10 mm/min后，附著力增加幅度已不明顯，附著力趨于穩(wěn)定。

材料學(xué)認(rèn)為固體材料存在不同程度的流變現(xiàn)象，即具有粘彈性，使得材料不但具有彈性材料的一般特征，也同時(shí)具有粘性流體的一些特征。理想彈性材料服從胡克定律，即應(yīng)力正比于應(yīng)變，理想粘性流體服從牛頓定律，即應(yīng)力正比于應(yīng)變速率。這是兩種極端情況，而現(xiàn)實(shí)中的固體材料往往是兩種情況的結(jié)合。土體是固液氣三種狀態(tài)物質(zhì)的結(jié)合體，由于其顆粒細(xì)小以及水的作用，其表現(xiàn)出的粘性流體的特征尤為明顯，表現(xiàn)為附著力隨著拉拔速率的增加而增加。但是，土體作為一種固體，其更多地則會(huì)表現(xiàn)出彈性材料的特征，故拉拔速率增加到一定幅度后，附著力不再隨拉拔速率的增加而變化。在實(shí)際的疏浚工程中，鉸刀切割土體往往是很快的，考慮到工程實(shí)際以及土體附著力與拉拔速率的關(guān)系，推薦附著力試驗(yàn)拉拔速率采用10 mm/min。

2.7 壓板材質(zhì)對(duì)土附著力的影響

在實(shí)際檢測(cè)工作中，附著力試驗(yàn)通常采用銅制壓板，鋁板也時(shí)有采用，而疏浚用鉸刀一般用低合金鋼。本試驗(yàn)采用銅、鋁、低合金鋼三種材質(zhì)的壓板，其對(duì)土附著力影響如圖8 所示。

圖8 附著力與壓板材質(zhì)關(guān)系圖

由圖8 可以看出，對(duì)于試驗(yàn)用黏土，低合金壓板附著力大于銅和鋁制壓板，而對(duì)于試驗(yàn)用淤泥，其附著力大小幾乎不受壓板材質(zhì)的影響。

試驗(yàn)過程中，兩種土質(zhì)的破壞面是不相同的，黏土破壞面位于土體與壓板兩相接觸面，而淤泥破壞面則位于土體內(nèi)部。破壞面位于內(nèi)部的土體，由于其內(nèi)聚力小于土體與壓板的黏附力，其附著力主要由內(nèi)聚力決定，壓板材質(zhì)對(duì)其附著力不產(chǎn)生影響，而破壞面位于兩相接觸面的黏土，其附著力則受壓板材質(zhì)的影響。壓板材質(zhì)對(duì)土附著力的影響主要是其顯微結(jié)構(gòu)造成，銅和鋁具有片狀晶體結(jié)構(gòu)，而低合金鋼由于淬火加工工藝和參入合金元素不同，其顯微結(jié)構(gòu)差別較大，主要有奧氏體、珠光體和馬氏體等[8]，使得不同材質(zhì)的壓板測(cè)得的附著力產(chǎn)生一定的差異。銅作為一種單質(zhì)金屬，其顯微結(jié)構(gòu)及性能相對(duì)比較穩(wěn)定，且銅質(zhì)壓板也相對(duì)容易制取，故推薦附著力試驗(yàn)采用銅質(zhì)壓板。

3 結(jié)語

1）在附著力試驗(yàn)過程中，土的破壞形式主要有內(nèi)聚破壞和接觸面破壞，其破壞的形式取決于土的內(nèi)聚力與黏附力的相對(duì)大小。土破壞的位置和形式影響附著力的大小及其隨試驗(yàn)條件參數(shù)變化而變化的規(guī)律。

2）在一定范圍內(nèi)，土附著力大小隨壓板粗糙度、壓板壓力、加壓時(shí)間以及拉拔速率的增加而增大，超過這一范圍后，附著力則趨于穩(wěn)定。

3）壓板面積對(duì)土附著力大小幾乎沒有影響；不同材質(zhì)的壓板由于其顯微結(jié)構(gòu)不同，相應(yīng)的附著力大小存在一定差異。

4）考慮到附著力試驗(yàn)的可比性和可操作性，推薦附著力試驗(yàn)采用面積為10 cm2、粗糙度為6.3 μm 的銅質(zhì)壓板，壓板壓力為20 kPa，加壓時(shí)間為60 s，拉拔速率為10 mm/min。