趙振平，王 偉

(同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

近幾年來，海運鐵礦粉沉船事故越來越引起人們的重視，目前在這方面的研究比較少.在實際的海運過程中也主要是靠當前海事組織引入的流動水分點(flow moisture point，F(xiàn)MP)的90%來作為散裝貨物運輸?shù)倪m運水分限(transportable moisture limit，TML).本文主要針對當前海運鐵礦粉研究較少的情況，對鐵礦粉進行室內(nèi)模型試驗.探討不同含水量的鐵礦粉在海運過程中發(fā)生流態(tài)化的機理，為鐵礦粉海運提供參考依據(jù).

1 實驗儀器與實驗方法

本試驗的主要設備是自行設計的小型振動臺與可視化模型箱以及動態(tài)采集儀、孔隙水壓力計、攝像機.該振動臺可提供水平周期性荷載，試驗進程較易控制，具有很好的實際價值.利用小型振動臺和可視化模型箱，對礦粉進行擬正弦荷載振動試驗.利用高像素數(shù)碼相機實時拍攝試驗過程中礦粉的變形規(guī)律;在礦粉層內(nèi)不同深度埋設孔壓計，通過YE6230T01高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和YEC～DASP數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和分析，獲取在振動荷載作用下不同深度的孔壓上升和消散的宏觀物理機制.

1.1 振動臺設計原理與制作

振動臺是水平單向振動的，并且根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)運動的頻率和振幅.

圖1中:R為曲柄長度;L為連桿長度;X為曲柄軸中心到滑動軸中心的距離;α為R與水平方向的逆時針夾角;β為R與水平方向的逆時針夾角;ω為轉(zhuǎn)動的角速度;由幾何關(guān)系可得到滑塊端的速度與加速度表達式為:

圖1 曲柄滑塊機構(gòu)示意圖

改變R值的大小便可改變振動臺的振幅和輸出的最大振動速度、加速度值;R值越大、對應的上述量值就越大.

振動臺采用曲柄滑塊裝置來實現(xiàn)振動臺面的水平單向往復振動，設計的振動頻率為1Hz，2Hz和3Hz三種頻率.振動臺及模型箱實物圖如圖2所示.

圖2 振動臺及模型箱實物圖

由于實際波浪荷載的頻率一般小于10Hz，且考慮到較大的頻率振動時會產(chǎn)生很大的噪音，根據(jù)模型試驗的相似定律，本試驗中采用最小的振動頻率1Hz作為激振頻率

1.2 可視化模型箱

模型箱的內(nèi)部尺寸為660mm×640mm ×680mm，前后兩面均選用厚度為20mm的透明有機玻璃，其余兩側(cè)和底面選用20mm厚硬質(zhì)塑料板.

為減小邊界條件對縱向剪切變形的不利影響，試驗在與振動方向垂直的兩側(cè)面各加一塊海綿(厚25mm)，因為柔性介質(zhì)對礦粉的剪切變形約束很小，這樣就大大減少了邊界對礦粉拍擊的影響，同時也減少了邊界對波的反射，避免了反射波造成的信號干擾.

1.3 傳感器和動態(tài)采集儀

試驗中所用孔壓傳感器是英國德魯克(Druck)公司生產(chǎn)的PDCR81孔隙水壓力傳感器，輸入電壓為5V，用來測量礦粉內(nèi)部孔壓的變化，如圖3所示.孔隙水壓力探頭在埋入礦粉中之前，提前24h在水中浸泡，并不時的搖動，使氣體完全排除.

圖3 動態(tài)應變采集儀

1.4 試樣制備和試驗方法

試驗中所用散裝鐵礦粉取自上海羅涇堆場碼頭處，試驗前將多量的精鐵礦粉分批放置在110℃的烘箱里一晝夜，待充分烘干后稱干重，并記錄干重質(zhì)量，烘干后的鐵礦粉如圖4所示.烘干后加入試驗所配水量充分攪拌，攪拌完后立刻用不透氣的透明膠帶密封，擱置兩天，使其試樣與水充分均勻.

考慮不同含水率對礦粉的動力特性的影響，結(jié)合動三軸的試驗，試驗中需對 6%，8%，10%，12%，14% 等5組含水率展開研究.

圖4 經(jīng)烘干后的鐵礦粉試樣

圖5 模型試驗示意圖

圖6 含水6% 圖7 含水12%

根據(jù)弗勞德模型定律，長度比尺采用1:25，時間比尺采用1:5.孔壓計埋深為10cm和20cm，則相應于原型埋深2.5m和5m.模型中模擬波浪周期為1s，相應于原型波浪有效周期為5s.模型試驗中采用的動應力大小是固定的，即不考慮動應力對礦粉振動的影響.

鐵礦粉的總高度為55cm.鐵礦粉空壓計埋設在距箱底10cm和35cm處.兩礦粉的孔壓計埋設示意圖如圖3.11所示.同一深度埋設兩個孔壓計P1，P2以示對比.

圖8

圖9

圖10

2 鐵礦粉試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

鐵礦粉的宏觀試驗現(xiàn)象，圖6，7所示為含水率6%和12%的試樣振后的宏觀體現(xiàn).6% 時的試樣在振后表面析出的水不是很明顯，主要呈泥漿狀，說明有一定的水量泌出;而12% 的試樣振后表層有大量的水析出.究其原因，鐵礦粉的粒徑屬于細砂的范疇，內(nèi)部的黏粒含量少，表面不會有一定厚度的羽狀沉積物的出現(xiàn)，在含水率高時試樣里易形成排水通道，同時沒有羽狀沉積物的封堵和顆粒之間的水膜作用，水較易排出.

另外，振動過程中不同含水率的鐵礦粉試樣也出現(xiàn)了不同程度的密實現(xiàn)象.振前鐵礦粉試樣同樣處于結(jié)構(gòu)松散的狀態(tài)，孔隙率大，施加振動荷載后，試樣愈趨密實，顆粒接觸緊湊，顆粒進行重排直至達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu).同時水受到擠壓，沿著排水通道向上涌出，細小的顆粒隨著波浪荷載的不斷作用，不斷向上遷移，懸浮在液面上，在表面形成一定厚度的可流動層.

圖11

圖12

2.2 孔隙水壓力變化

試驗共監(jiān)測了6%，8%，10%，12%，14% 等5組鐵礦粉不同含水率下的孔隙水壓力的變化.圖8～12為試驗過程中各含水率下埋深20cm和45cm處孔隙水壓力幅值隨振次的變化曲線(圖a為20cm處，圖b為45厘米處).

含水率6%的試樣隨著振次增加，孔壓先是緩慢上升，約320次時，孔壓有一急劇上升的過程，至540次左右，孔壓積聚到最大值，如圖8所示.在振動停止后，觀察表面，有幾條深淺不一的裂縫出現(xiàn)，表面的析水現(xiàn)象不是很明顯.

含水率8%的試樣振動過程中，底部鐵礦粉越來越密實，孔壓上升比較緩慢，約250次時，孔壓開始積聚上升，至420次左右，孔壓達到最大值，之后孔壓開始消散，如圖9所示.表層出現(xiàn)細微的水膜，沒有明顯混濁物積聚.通過20cm和45cm深度處孔壓幅值變化曲線的對比，可以看出45cm深度處孔隙水壓力一直大于20cm處，這是由于試樣底部為不排水面，孔隙水壓力只能向土層表面排出，因此擬波浪的動應力使試樣內(nèi)部孔隙水壓力沿深度逐漸增大.

將不同含水率45cm深度處的孔壓幅值曲線匯總在一起，如圖13所示.

含水率10%的試樣振動190次時，孔壓開始積聚上升，約至310次時，達到最大值，之后孔壓開始消散.宏觀上的表現(xiàn)是表層有適量的水析出.較之8%時更為明顯，且局部區(qū)域的水泌出的多.

含水率12%的試樣振動120次左右時，孔壓開始積聚上升，緩和區(qū)不是很明顯，至250次左右時，達到最大值，之后孔壓較之10%消散的更快.見圖7宏觀上觀察到有大量的水從表面析出，且底部的鐵礦粉處于振密狀態(tài)

含水率14%的試樣在振動時，孔壓一直處于漸進上升的變化過程，沒有緩沖階段.約至200次，孔壓達到最大，之后孔壓消散的也較快，試驗觀察到大量的水隨擬波浪來回振蕩.由孔隙水壓力數(shù)據(jù)分析可知，孔壓上升的峰值隨著含水率的增加而增加，達到峰值的振次隨著含水率的增加而減小.

圖13 不同含水率45cm深度處的孔壓變化

當含水率為6%、8% 時，孔壓上升有一段緩和區(qū)，施加振動荷載后，孔隙率逐漸減小，試樣的密實度增加，水會隨著排水通道把更細微的顆粒帶至表層，但由于鐵礦粉內(nèi)部黏粒含量很少，在表面沒有形成一定厚度的羽狀沉積物，通過拍攝觀察，表層有微裂縫出現(xiàn).

當含水率為12%、14% 時，孔壓曲線沒有明顯的緩和區(qū)段，振動一開始，孔壓便迅速上升，很快達到峰值，說明含水率大時，試樣內(nèi)部較易排水通道;同時，試驗過程發(fā)現(xiàn)試樣表面會瞬間析出大量的水.這是由于顆粒粒徑大導致顆粒之間的水膜力減弱以及鐵礦粉內(nèi)部黏粒含量少導致羽狀沉積物的積聚較少從而無法封堵孔壓的上升的緣故，故孔壓消散較快，水會短時間的排出.

當含水率為10% 時，孔壓曲線介于8% 和12% 之間，孔壓曲線緩和過渡區(qū)段不是很明顯，孔壓消散的速率也是介于8% 和12% 之間，需要有一定的時間段，故析出的水是緩慢呈現(xiàn)出來的，最終鐵礦粉試樣表面有適量水出現(xiàn).

另外，從孔壓幅值曲線上可知，對于埋深為20cm處，含水率為14% 的孔壓響應值接近1.28 kPa，其幅值遠小于上覆層試樣的自重應力，按照有效應力原理，試驗中鐵礦粉遠沒有發(fā)生液化現(xiàn)象，只是在振動過程，鐵礦粉由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài).由于鐵礦粉表層黏粒產(chǎn)生的羽狀沉積物量少以及顆粒之間水膜力的減弱，導致其孔壓上升的幅值較少，而排水通道較為明顯，水排出的及時，故瞬間表層會析出大量的水，但這在實際的海運中足以引起重視，因為大量的水帶動著淺層的鐵礦粉隨波浪來回振蕩，產(chǎn)生搖擺，易使整個船舶失穩(wěn)沉船.這需要海上的工作人員及時的采取相應的排水措施，便可避免海上沉船事故的發(fā)生.

3 結(jié)論

通過對鐵礦粉的動力特性進行室內(nèi)模型試驗，根據(jù)試驗中觀察到的現(xiàn)象和采集到的孔隙水壓力的變化規(guī)律并結(jié)合海運中的現(xiàn)實情況，得出如下結(jié)論:

(1)鐵礦粉屬于細砂的范疇，在振動過程中，鐵礦粉的表層沒有明顯出現(xiàn)一定厚度的羽狀沉積物，這是由于鐵礦粉內(nèi)部黏粒含量較少的緣故.下層的鐵礦粉出現(xiàn)密實現(xiàn)象.

(2)由孔壓變化曲線分析知:隨著含水率的增加，孔壓上升的幅值呈增長趨勢;而達到峰值的振次呈遞減趨勢.當含水率6%和8%時，孔壓是緩慢上升過程;含水率為10%時，振次為190次，孔壓開始積聚上升;含水率為12%時，約在120次才迅速上升;含水率為14%時，孔壓則表現(xiàn)為沒有明顯的緩和期，一旦振動孔壓立即積聚上升，直至最大值.即含水率越高，其孔壓響應越厲害.故高含水率的鐵礦粉析水現(xiàn)象具有突發(fā)性，無漸變性，會帶來潛在的海上安全事故，因此需嚴格控制運輸中的含水率限量.

(3)隨著含水率的不同，鐵礦粉的宏觀響應是不同的，當含水率為12%時，試驗可觀察到析出較多水量;而含水率為8%時，則試驗中水分的析出不是很明顯;當含水率為10%時，則試樣已析出適量的水.通過曲線發(fā)現(xiàn)，10%時孔壓消散的速率較緩慢，介于12%和8%之間，存有一定的時間段.一旦海運中礦粉的含水率達到10%，孔壓的消散會導致水的排出，從而海上人員及時的發(fā)現(xiàn)提供時間段.故建議鐵礦粉的運輸含水率控制在10%以下，同時采取必要的排水措施.

(4)通過孔壓幅值曲線可知，孔壓上升的幅值雖然隨著含水率增加呈增長趨勢，但最大的孔壓上升值即含水率為14%對應的幅值，為1.28 kPa，遠遠小于上覆土層的自重應力，此時認定鐵礦粉試樣沒有達到液化的狀態(tài).另外，通過曲線還發(fā)現(xiàn)，含水率大時，鐵礦粉孔壓上升和消散的都較快，即排水通道易形成，水也易排出.在實際海運中，相關(guān)人員可以及時采取相應的排水措施，只要把多余的水量排出，便可確保運輸?shù)陌踩?，這是因為鐵礦粉很難發(fā)生液化的行為、失去抗剪應力從而導致試樣的失穩(wěn).

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