散装铁矿粉室内模型试验研究①

赵振平，王 伟

(同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

0 引言

近几年来，海运铁矿粉沉船事故越来越引起人们的重视，目前在这方面的研究比较少.在实际的海运过程中也主要是靠当前海事组织引入的流动水分点(flow moisture point，FMP)的90%来作为散装货物运输的适运水分限(transportable moisture limit，TML).本文主要针对当前海运铁矿粉研究较少的情况，对铁矿粉进行室内模型试验.探讨不同含水量的铁矿粉在海运过程中发生流态化的机理，为铁矿粉海运提供参考依据.

1 实验仪器与实验方法

本试验的主要设备是自行设计的小型振动台与可视化模型箱以及动态采集仪、孔隙水压力计、摄像机.该振动台可提供水平周期性荷载，试验进程较易控制，具有很好的实际价值.利用小型振动台和可视化模型箱，对矿粉进行拟正弦荷载振动试验.利用高像素数码相机实时拍摄试验过程中矿粉的变形规律;在矿粉层内不同深度埋设孔压计，通过YE6230T01高速动态数据采集仪和YEC～DASP数据采集与分析系统进行数据采集和分析，获取在振动荷载作用下不同深度的孔压上升和消散的宏观物理机制.

1.1 振动台设计原理与制作

振动台是水平单向振动的，并且根据需要可以调节运动的频率和振幅.

图1中:R为曲柄长度;L为连杆长度;X为曲柄轴中心到滑动轴中心的距离;α为R与水平方向的逆时针夹角;β为R与水平方向的逆时针夹角;ω为转动的角速度;由几何关系可得到滑块端的速度与加速度表达式为:

图1 曲柄滑块机构示意图

改变R值的大小便可改变振动台的振幅和输出的最大振动速度、加速度值;R值越大、对应的上述量值就越大.

振动台采用曲柄滑块装置来实现振动台面的水平单向往复振动，设计的振动频率为1Hz，2Hz和3Hz三种频率.振动台及模型箱实物图如图2所示.

图2 振动台及模型箱实物图

由于实际波浪荷载的频率一般小于10Hz，且考虑到较大的频率振动时会产生很大的噪音，根据模型试验的相似定律，本试验中采用最小的振动频率1Hz作为激振频率

1.2 可视化模型箱

模型箱的内部尺寸为660mm×640mm ×680mm，前后两面均选用厚度为20mm的透明有机玻璃，其余两侧和底面选用20mm厚硬质塑料板.

为减小边界条件对纵向剪切变形的不利影响，试验在与振动方向垂直的两侧面各加一块海绵(厚25mm)，因为柔性介质对矿粉的剪切变形约束很小，这样就大大减少了边界对矿粉拍击的影响，同时也减少了边界对波的反射，避免了反射波造成的信号干扰.

1.3 传感器和动态采集仪

试验中所用孔压传感器是英国德鲁克(Druck)公司生产的PDCR81孔隙水压力传感器，输入电压为5V，用来测量矿粉内部孔压的变化，如图3所示.孔隙水压力探头在埋入矿粉中之前，提前24h在水中浸泡，并不时的摇动，使气体完全排除.

图3 动态应变采集仪

1.4 试样制备和试验方法

试验中所用散装铁矿粉取自上海罗泾堆场码头处，试验前将多量的精铁矿粉分批放置在110℃的烘箱里一昼夜，待充分烘干后称干重，并记录干重质量，烘干后的铁矿粉如图4所示.烘干后加入试验所配水量充分搅拌，搅拌完后立刻用不透气的透明胶带密封，搁置两天，使其试样与水充分均匀.

考虑不同含水率对矿粉的动力特性的影响，结合动三轴的试验，试验中需对 6%，8%，10%，12%，14% 等5组含水率展开研究.

图4 经烘干后的铁矿粉试样

图5 模型试验示意图

图6 含水6% 图7 含水12%

根据弗劳德模型定律，长度比尺采用1:25，时间比尺采用1:5.孔压计埋深为10cm和20cm，则相应于原型埋深2.5m和5m.模型中模拟波浪周期为1s，相应于原型波浪有效周期为5s.模型试验中采用的动应力大小是固定的，即不考虑动应力对矿粉振动的影响.

铁矿粉的总高度为55cm.铁矿粉空压计埋设在距箱底10cm和35cm处.两矿粉的孔压计埋设示意图如图3.11所示.同一深度埋设两个孔压计P1，P2以示对比.

图8

图9

图10

2 铁矿粉试验结果与分析

2.1 试验现象

铁矿粉的宏观试验现象，图6，7所示为含水率6%和12%的试样振后的宏观体现.6% 时的试样在振后表面析出的水不是很明显，主要呈泥浆状，说明有一定的水量泌出;而12% 的试样振后表层有大量的水析出.究其原因，铁矿粉的粒径属于细砂的范畴，内部的黏粒含量少，表面不会有一定厚度的羽状沉积物的出现，在含水率高时试样里易形成排水通道，同时没有羽状沉积物的封堵和颗粒之间的水膜作用，水较易排出.

另外，振动过程中不同含水率的铁矿粉试样也出现了不同程度的密实现象.振前铁矿粉试样同样处于结构松散的状态，孔隙率大，施加振动荷载后，试样愈趋密实，颗粒接触紧凑，颗粒进行重排直至达到稳定结构.同时水受到挤压，沿着排水通道向上涌出，细小的颗粒随着波浪荷载的不断作用，不断向上迁移，悬浮在液面上，在表面形成一定厚度的可流动层.

图11

图12

2.2 孔隙水压力变化

试验共监测了6%，8%，10%，12%，14% 等5组铁矿粉不同含水率下的孔隙水压力的变化.图8～12为试验过程中各含水率下埋深20cm和45cm处孔隙水压力幅值随振次的变化曲线(图a为20cm处，图b为45厘米处).

含水率6%的试样随着振次增加，孔压先是缓慢上升，约320次时，孔压有一急剧上升的过程，至540次左右，孔压积聚到最大值，如图8所示.在振动停止后，观察表面，有几条深浅不一的裂缝出现，表面的析水现象不是很明显.

含水率8%的试样振动过程中，底部铁矿粉越来越密实，孔压上升比较缓慢，约250次时，孔压开始积聚上升，至420次左右，孔压达到最大值，之后孔压开始消散，如图9所示.表层出现细微的水膜，没有明显混浊物积聚.通过20cm和45cm深度处孔压幅值变化曲线的对比，可以看出45cm深度处孔隙水压力一直大于20cm处，这是由于试样底部为不排水面，孔隙水压力只能向土层表面排出，因此拟波浪的动应力使试样内部孔隙水压力沿深度逐渐增大.

将不同含水率45cm深度处的孔压幅值曲线汇总在一起，如图13所示.

含水率10%的试样振动190次时，孔压开始积聚上升，约至310次时，达到最大值，之后孔压开始消散.宏观上的表现是表层有适量的水析出.较之8%时更为明显，且局部区域的水泌出的多.

含水率12%的试样振动120次左右时，孔压开始积聚上升，缓和区不是很明显，至250次左右时，达到最大值，之后孔压较之10%消散的更快.见图7宏观上观察到有大量的水从表面析出，且底部的铁矿粉处于振密状态

含水率14%的试样在振动时，孔压一直处于渐进上升的变化过程，没有缓冲阶段.约至200次，孔压达到最大，之后孔压消散的也较快，试验观察到大量的水随拟波浪来回振荡.由孔隙水压力数据分析可知，孔压上升的峰值随着含水率的增加而增加，达到峰值的振次随着含水率的增加而减小.

图13 不同含水率45cm深度处的孔压变化

当含水率为6%、8% 时，孔压上升有一段缓和区，施加振动荷载后，孔隙率逐渐减小，试样的密实度增加，水会随着排水通道把更细微的颗粒带至表层，但由于铁矿粉内部黏粒含量很少，在表面没有形成一定厚度的羽状沉积物，通过拍摄观察，表层有微裂缝出现.

当含水率为12%、14% 时，孔压曲线没有明显的缓和区段，振动一开始，孔压便迅速上升，很快达到峰值，说明含水率大时，试样内部较易排水通道;同时，试验过程发现试样表面会瞬间析出大量的水.这是由于颗粒粒径大导致颗粒之间的水膜力减弱以及铁矿粉内部黏粒含量少导致羽状沉积物的积聚较少从而无法封堵孔压的上升的缘故，故孔压消散较快，水会短时间的排出.

当含水率为10% 时，孔压曲线介于8% 和12% 之间，孔压曲线缓和过渡区段不是很明显，孔压消散的速率也是介于8% 和12% 之间，需要有一定的时间段，故析出的水是缓慢呈现出来的，最终铁矿粉试样表面有适量水出现.

另外，从孔压幅值曲线上可知，对于埋深为20cm处，含水率为14% 的孔压响应值接近1.28 kPa，其幅值远小于上覆层试样的自重应力，按照有效应力原理，试验中铁矿粉远没有发生液化现象，只是在振动过程，铁矿粉由非饱和状态转变为饱和状态.由于铁矿粉表层黏粒产生的羽状沉积物量少以及颗粒之间水膜力的减弱，导致其孔压上升的幅值较少，而排水通道较为明显，水排出的及时，故瞬间表层会析出大量的水，但这在实际的海运中足以引起重视，因为大量的水带动着浅层的铁矿粉随波浪来回振荡，产生摇摆，易使整个船舶失稳沉船.这需要海上的工作人员及时的采取相应的排水措施，便可避免海上沉船事故的发生.

3 结论

通过对铁矿粉的动力特性进行室内模型试验，根据试验中观察到的现象和采集到的孔隙水压力的变化规律并结合海运中的现实情况，得出如下结论:

(1)铁矿粉属于细砂的范畴，在振动过程中，铁矿粉的表层没有明显出现一定厚度的羽状沉积物，这是由于铁矿粉内部黏粒含量较少的缘故.下层的铁矿粉出现密实现象.

(2)由孔压变化曲线分析知:随着含水率的增加，孔压上升的幅值呈增长趋势;而达到峰值的振次呈递减趋势.当含水率6%和8%时，孔压是缓慢上升过程;含水率为10%时，振次为190次，孔压开始积聚上升;含水率为12%时，约在120次才迅速上升;含水率为14%时，孔压则表现为没有明显的缓和期，一旦振动孔压立即积聚上升，直至最大值.即含水率越高，其孔压响应越厉害.故高含水率的铁矿粉析水现象具有突发性，无渐变性，会带来潜在的海上安全事故，因此需严格控制运输中的含水率限量.

(3)随着含水率的不同，铁矿粉的宏观响应是不同的，当含水率为12%时，试验可观察到析出较多水量;而含水率为8%时，则试验中水分的析出不是很明显;当含水率为10%时，则试样已析出适量的水.通过曲线发现，10%时孔压消散的速率较缓慢，介于12%和8%之间，存有一定的时间段.一旦海运中矿粉的含水率达到10%，孔压的消散会导致水的排出，从而海上人员及时的发现提供时间段.故建议铁矿粉的运输含水率控制在10%以下，同时采取必要的排水措施.

(4)通过孔压幅值曲线可知，孔压上升的幅值虽然随着含水率增加呈增长趋势，但最大的孔压上升值即含水率为14%对应的幅值，为1.28 kPa，远远小于上覆土层的自重应力，此时认定铁矿粉试样没有达到液化的状态.另外，通过曲线还发现，含水率大时，铁矿粉孔压上升和消散的都较快，即排水通道易形成，水也易排出.在实际海运中，相关人员可以及时采取相应的排水措施，只要把多余的水量排出，便可确保运输的安全，这是因为铁矿粉很难发生液化的行为、失去抗剪应力从而导致试样的失稳.

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