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企業(yè)重點實驗室，天津 300457）

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

1 土源土質特點

本文試驗土質來源于營口港鲅魚圈港區(qū)72～75號多用途泊位港池疏浚工程的黏性土。絞吸式挖泥船在此項目施工過程中遇到黏土起球和糊絞刀頭等困難，因此需對此區(qū)域內黏土進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，土質不均，其物理參數見表1；原狀黏土平均含水率為24%，標貫擊數為11擊；根據水運工程規(guī)范可將其定名為黏土混砂[9]；根據疏浚與吹填設計規(guī)范[5]視其為4級土。

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

2 疏浚土質附著力吸附機理

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吸附特點，基于吸附體系動態(tài)平衡觀點，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和物理吸附力；fb為疏浚土顆粒中的水由于毛細作用集聚在接觸面形成的范德華等結合水力；fc為疏浚土的黏滯阻力（影響較?。籧為不同含水率條件下疏浚土的內聚力。

3 試驗方案

3.1 試驗原理

使用附著力測量儀[10]確定的單位面積上土質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為壓板脫離杯口時拉力，g；A為固相與土體基礎面積，cm2。

3.2 試驗方案

疏浚過程中，機具材質、切削速度（絞刀橫移速度和絞刀轉動速度的綜合指標）和被切削對象對附于絞刀表面的顆粒組成產生很大影響，這些因素在室內實驗中分別反映為壓板材質、加壓時間和土質類型對附著力的影響。因此本實驗選擇4種壓板材質、2種加壓時間和2類不同黏土進行室內附著力研究。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。規(guī)范[3-5]規(guī)定壓板時間為30 s，為反映加壓時間對附著力影響，另外選擇2 min加壓時間為主要研究因素?，F場原有土質為黏土混砂（以下簡稱擾動土），為反映含砂量對附著力影響，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，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））；現場疏浚時土質天然含水率隨時空分布不均，因此也將含水率作為研究疏浚土附著力的研究變量。

綜上，使用現行的疏浚與吹填工程設計規(guī)范[7]推薦的實驗方法，研究材質、加壓時間和土質類別隨含水率變化對黏土法向附著力的影響。

4 試驗結果及吸附機理分析

試驗過程中，部分試驗結果數值偏大。這是由于土體表層顆粒外部受壓后再分布會導致顆粒間孔隙減小或緊閉，在界面上形成的水膜構成土體黏附力，疏浚土吸附系統(tǒng)達到初次平衡。當外部受拉時，初次平衡被再次打破，表面顆粒孔隙部分張開；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?？紫吨性斐删植控搲?，形成“真空吸附”[11]，導致試驗結果偏高。因此，試驗過程中應剔除結果明顯偏大的數值。

4.1 含水率對附著力影響

將擾動土和低砂土配成不同含水率的試驗土，對每種含水率土質進行附著力試驗后發(fā)現，附著力隨著含水率先增加到峰值后減?。▓D1和圖2）。

圖1 擾動土30 s加壓時間附著力與含水率關系曲線Fig.1 Relationship curves between adhesion and water content of 30 s pressurization timefor disturbing clay

圖2 低砂土30 s加壓時間附著力與含水率關系曲線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。在土質塑限以下，含水率對附著力影響不明顯，附著力變化很??；達到峰值后，附著力隨含水率增加而逐漸減小；因此，以比塑限小25%塑性指數為下臨界點的三階拋物線更能體現實際情況。

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

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

附著力隨含水率變化特點可用化學吸附機理（式（1））解釋。塑限以下疏浚土內部的水主要以土顆粒表面強結合水的形式存在，土顆粒的吸附力和毛細管力很難發(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結合水和弱結合水，甚至還有部分自由水。在受到外部壓力后，當土體內孔隙較多、含水量相對較少時，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，土體內部弱結合水和自由水在毛細管力作用下上升到接觸面，形成部分水膜，此時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。隨著含水率進一步增加，外部受壓后土體表層顆粒再分布導致孔隙率減少，含水率增加，其與金屬表面接觸面積也增加，此時土顆粒與金屬表面靜電力和基質吸力成為決定附著力大小的關鍵因素（圖3（b））。超過液限后，流動狀態(tài)的土對金屬表面吸附能力更強，但受限于土體內部結構影響，在外部受到的法向拉力時出現內部破裂現象（圖3（c）），此時疏浚土附著力取決于土體內聚力影響。如圖4（圖4來源于前期室內重塑黏土混砂土質的剪切實驗數據）所示，當附著力達到峰值后，附著力下降曲線與內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部內聚力決定。綜上，特定含水率下土和金屬附著力取決于fa、fb、fc之和與土內聚力c的最小值（式 1）。

圖4 擾動土內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)計大量不同疏浚土類附著力試驗數據，張先偉[7]發(fā)現在天然含水率狀態(tài)下疏浚土附著力約為塑性指數的5倍；但張更生[8]統(tǒng)計得到天津港區(qū)附著力是塑性指數的3倍左右。而本文，通過對擾動土室內附著力試驗發(fā)現，此種土質擬合曲線和試驗點的附著力峰值強度分別為疏浚土塑性指數的2.90和2.95倍，約為3倍（表2）。

根據表2知，疏浚土附著力峰值點對應的含水率在44.8%～50.3%（擬合曲線）或43.9%～49.5%（試驗峰值），均大于土的液限值。這說明土的含水率超過液限部分數值時才能達到最大的吸附能力。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，附著力最強的觀點不一致，也區(qū)別于張先偉[7]等提出的附著力峰值對應土的液限值附近觀點?？梢允褂没瘜W吸附機理結合界面破裂形態(tài)解釋峰值附著力時含水率超過液限的特性。土從塑性到液性轉變時，土與固相界面之間吸附力（fa、fb和 fc）也開始向內聚力（c）發(fā)展；隨著含水率超過液限部分數值后，吸附力與內聚力達到平衡，此時即為法向附著力的峰值強度。

表2 疏浚黏土法向附著力試驗結果Table2 Test resultsof normal adhesion test of dredged clay

4.2 材質對附著力影響

擾動土時，4種材質壓板的峰值附著力F：鋁＞銅＞低合金鋼＞專用鋼；低砂土時，4種材質壓板的峰值附著力：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構；低合金鋼由于淬火加工工藝和參入合金元素不同，顯微結構差別較大，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過淬火等工藝，它的顯微結構是呈針狀分布的馬氏體。兩相接觸時，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較小，因此在宏觀上表現為具有馬氏體的專用鋼黏附能力較低相。

與農業(yè)生產類似，疏浚行業(yè)中為達到減黏降阻的目的，絞刀材質應選用具有馬氏體顯微組織結構、能夠承受較高硬度和拉伸強度的低合金鋼。它既能滿足生產時切削土體的要求，又能減少疏浚土的附著。

4.3 加壓時間對附著力影響

附著力測試過程中，不受外部影響時土體自動穩(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)，這都是動態(tài)穩(wěn)定過程。因此，時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，其結果見圖5。塑限到液限之間，相同含水率條件下外部荷載時間越長，疏浚土附著力越高；超過液限后，增加外部荷載時間沒有增加附著力，反而降低了土體附著力。不論是擾動土還是低砂土，加壓時間對附著力與含水率關系曲線的影響類似（圖 5）。

增加外部荷載時間，硬塑黏土表層土顆粒受壓時間變長，顆粒重分布結果更穩(wěn)定，土體孔隙度減少，毛細管內含水量增加，在界面上形成的水膜面積比短時間受壓所形成面積增大，增加了fb值；同時，接觸時間長，土顆粒和金屬表面之間產生電子吸附面積增加，所發(fā)生的化學吸附力增加，即增加了fa值，化學吸附和水膜張力的增加同時加大了土與固相之間的黏附能力，宏觀表現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)，此時疏浚土附著力取決于接觸面化學吸附和水膜張力或土體自身內聚力。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合水的厚度，導致界面水分張力減少，宏觀上表現為附著力降低；若附著力大小由土內聚力決定，那么過長的加載時間對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 不同加壓時間擾動土和低砂土銅壓板下附著力與含水率關系曲線Fig.5 Curvesof adhesion and water content under copper plate for disturbing clay and low sand clay with different pressurization times

4.4 含砂量對附著力影響

為確定土質特性對附著力影響，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，反映材質對土質的敏感程度，見表2和圖5。4種材質，在不同的加壓時間下，在特定含水率時，低砂土附著力值都要小于擾動土附著力對應值（圖5）。僅考慮峰值強度，在不同加壓時間和壓板材質條件下，低砂土的峰值強度相比于擾動土平均減少16%；銅對土質的敏感程度最高，鋁次之，專用鋼最少（表2）。

這是由于擾動土含砂率相對較高，砂土比表面積小，外表含有結合水較少；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，宏觀表現為增加了界面的抗拉強度，即附著力相對較大。

綜上試驗結果，在含水率、含砂量、加壓時間和材質等方面降低疏浚土質對絞刀的附著力。對于軟塑和流塑黏土，選用馬氏體顯微結構的絞刀；再增設一個高壓沖水裝置，瞬時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土質的含砂量；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速施工工藝，能夠降低疏浚土質附著力。硬塑狀混砂黏土，切削阻力較大，確保船舶輸送能力時，除安設高壓沖水裝置外，還應減少橫移速度和切厚、增大絞刀功率和絞刀轉速，減少土質與絞刀接觸時間，降低土質附著力和疏浚土糊絞刀的概率。

5 結語

1）基于動態(tài)平衡觀點，使用物理和化學吸附理論，結合黏土內聚力隨含水率變化特點，提出疏浚土吸附機理，能夠很好解釋附著率隨含水率變化關系以及外部因素對附著力的影響特性。

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

3）機具材質、黏土含砂量和加壓時間對附著力影響明顯；采用具有馬氏體顯微結構絞刀專用鋼材切削低砂土能夠明顯降低土質附著力。