疏浚黏土法向附着力特性

徐继涛，张更生，尹崧宇

（中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300457）

土壤附着的研究最早起源于19世纪30年代农业生产中黏附土壤对生产机具的阻碍现象，上世纪70年代引入我国后研究领域主要集中在农耕等方面[1-2]。20世纪90年代后，疏浚土附着力作为辅助参考判别指标成为疏浚岩土工程特性与分级的衡量标准之一[3-5]，随后汪峰等[6]研究不同类型土附着力随黏粒变化关系，并获知同类型土与含水率和塑性指数之间定性的变化趋势；张先伟[7]等通过7种土试验，建立土质各种物理指标与附着力之间关系，并使用水膜理论解释疏浚土随含水量变化特点；张更生[8]等使用统计学原理获得天津港区天然含水率和塑性指数与附着力之间定量关系，并预测船舶在天津南港施工中会遇到糊机具头的难题。本文重点分析重塑硬塑～流塑状黏土混砂[9]土质的法向附着力与含水率、压板材质、接触时间和含砂率变化关系。

1 土源土质特点

本文试验土质来源于营口港鲅鱼圈港区72～75号多用途泊位港池疏浚工程的黏性土。绞吸式挖泥船在此项目施工过程中遇到黏土起球和糊绞刀头等困难，因此需对此区域内黏土进行附着力方面的特性分析。原状黏土呈灰黄色，硬塑状，含锈斑，混少量粉土和砂粒，土质不均，其物理参数见表1；原状黏土平均含水率为24%，标贯击数为11击；根据水运工程规范可将其定名为黏土混砂[9]；根据疏浚与吹填设计规范[5]视其为4级土。

表1 鲅鱼圈黏土混砂土质物理参数Table1 Physical parameters of clay mixed sand in Bayuquan Area

2 疏浚土质附着力吸附机理

疏浚土吸附体系由疏浚土、接触面（界面）和固相组成。本文综合土和固相界面的物理和化学吸附特点，基于吸附体系动态平衡观点，提出疏浚土和固相表面黏附力公式：

式中：fa为疏浚土颗粒与金属表面的化学和物理吸附力；fb为疏浚土颗粒中的水由于毛细作用集聚在接触面形成的范德华等结合水力；fc为疏浚土的黏滞阻力（影响较小）；c为不同含水率条件下疏浚土的内聚力。

3 试验方案

3.1 试验原理

使用附着力测量仪[10]确定的单位面积上土质黏附能力大小称为土的附着力F[3-5]。

式中：F为附着力，g/cm2；N为压板脱离杯口时拉力，g；A为固相与土体基础面积，cm2。

3.2 试验方案

疏浚过程中，机具材质、切削速度（绞刀横移速度和绞刀转动速度的综合指标）和被切削对象对附于绞刀表面的颗粒组成产生很大影响，这些因素在室内实验中分别反映为压板材质、加压时间和土质类型对附着力的影响。因此本实验选择4种压板材质、2种加压时间和2类不同黏土进行室内附着力研究。附着力测量仪压板通常为铜板，铝也是一种常用金属，而绞刀一般采用低合金钢，差别在于合金含量和种类不同，因此选择铜、铝、低合金钢和绞刀低合金钢（以下简称专用钢）4种材质。规范[3-5]规定压板时间为30 s，为反映加压时间对附着力影响，另外选择2 min加压时间为主要研究因素。现场原有土质为黏土混砂（以下简称扰动土），为反映含砂量对附着力影响，不改变黏粒和粉粒含量的情况下，将原有黏土中含砂量减少部分后成为新土质，作为一种研究变量（其中黏土含砂量从13.5%降为4%（以下简称低砂土））；现场疏浚时土质天然含水率随时空分布不均，因此也将含水率作为研究疏浚土附着力的研究变量。

综上，使用现行的疏浚与吹填工程设计规范[7]推荐的实验方法，研究材质、加压时间和土质类别随含水率变化对黏土法向附着力的影响。

4 试验结果及吸附机理分析

试验过程中，部分试验结果数值偏大。这是由于土体表层颗粒外部受压后再分布会导致颗粒间孔隙减小或紧闭，在界面上形成的水膜构成土体黏附力，疏浚土吸附系统达到初次平衡。当外部受拉时，初次平衡被再次打破，表面颗粒孔隙部分张开；由于土体本身的弹性，若拉力较快，接触面上水膜的水来不及流回土颗粒孔隙中造成局部负压，形成“真空吸附”[11]，导致试验结果偏高。因此，试验过程中应剔除结果明显偏大的数值。

4.1 含水率对附着力影响

将扰动土和低砂土配成不同含水率的试验土，对每种含水率土质进行附着力试验后发现，附着力随着含水率先增加到峰值后减小（图1和图2）。

图1 扰动土30 s加压时间附着力与含水率关系曲线Fig.1 Relationship curves between adhesion and water content of 30 s pressurization timefor disturbing clay

图2 低砂土30 s加压时间附着力与含水率关系曲线Fig.2 Relationship curves between adhesion and water content of 30 spressurization time for low sand clay

由图1和图2可看出，其曲线的变化规律一般符合三阶抛物线形式，符合任露泉[2]提出的抛物线变化规律，但区别于丛茜[12]等提出的二阶抛物线形式。在土质塑限以下，含水率对附着力影响不明显，附着力变化很小；达到峰值后，附着力随含水率增加而逐渐减小；因此，以比塑限小25%塑性指数为下临界点的三阶抛物线更能体现实际情况。

低含水率向高含水率转变时，两相固体接触面破裂形式和位置会发生变化。低含水率时，破裂面断开位置为两相固体接触面（图3（a））；而高含水率时，破裂面位于土体内部（图3（c））。

图3 不同含水率时界面破裂形态Fig.3 The interface rupture morphology at different water contents

附着力随含水率变化特点可用化学吸附机理（式（1））解释。塑限以下疏浚土内部的水主要以土颗粒表面强结合水的形式存在，土颗粒的吸附力和毛细管力很难发挥作用，因此塑限以下土的附着力变化小。塑限到液限之间疏浚土随着含水量增加，土壤颗粒表面包裹着强结合水和弱结合水，甚至还有部分自由水。在受到外部压力后，当土体内孔隙较多、含水量相对较少时，处于硬塑状态的土体表层颗粒受压变形小、重分布困难，土壤颗粒与金属表面接触面积少，土体内部弱结合水和自由水在毛细管力作用下上升到接触面，形成部分水膜，此时在土相和固相接触面的水分张力成为土体附着力的主要影响因素（图3（a）），此时若外部受拉，界面抗拉力较小，法向附着力较小。随着含水率进一步增加，外部受压后土体表层颗粒再分布导致孔隙率减少，含水率增加，其与金属表面接触面积也增加，此时土颗粒与金属表面静电力和基质吸力成为决定附着力大小的关键因素（图3（b））。超过液限后，流动状态的土对金属表面吸附能力更强，但受限于土体内部结构影响，在外部受到的法向拉力时出现内部破裂现象（图3（c）），此时疏浚土附着力取决于土体内聚力影响。如图4（图4来源于前期室内重塑黏土混砂土质的剪切实验数据）所示，当附着力达到峰值后，附着力下降曲线与内聚力随含水率增加下降曲线几乎一致；说明峰值后疏浚土附着力由土体内部内聚力决定。综上，特定含水率下土和金属附着力取决于fa、fb、fc之和与土内聚力c的最小值（式 1）。

图4 扰动土内聚力和附着力随含水率变化曲线Fig.4 The curves of cohesion/adhesion vsmoisture content for disturbing clay

通过统计大量不同疏浚土类附着力试验数据，张先伟[7]发现在天然含水率状态下疏浚土附着力约为塑性指数的5倍；但张更生[8]统计得到天津港区附着力是塑性指数的3倍左右。而本文，通过对扰动土室内附着力试验发现，此种土质拟合曲线和试验点的附着力峰值强度分别为疏浚土塑性指数的2.90和2.95倍，约为3倍（表2）。

根据表2知，疏浚土附着力峰值点对应的含水率在44.8%～50.3%（拟合曲线）或43.9%～49.5%（试验峰值），均大于土的液限值。这说明土的含水率超过液限部分数值时才能达到最大的吸附能力。这与丛茜[12]、任露泉[2]等提出含水率处于塑限和液限之间时，附着力最强的观点不一致，也区别于张先伟[7]等提出的附着力峰值对应土的液限值附近观点。可以使用化学吸附机理结合界面破裂形态解释峰值附着力时含水率超过液限的特性。土从塑性到液性转变时，土与固相界面之间吸附力（fa、fb和 fc）也开始向内聚力（c）发展；随着含水率超过液限部分数值后，吸附力与内聚力达到平衡，此时即为法向附着力的峰值强度。

表2 疏浚黏土法向附着力试验结果Table2 Test resultsof normal adhesion test of dredged clay

4.2 材质对附着力影响

扰动土时，4种材质压板的峰值附着力F：铝＞铜＞低合金钢＞专用钢；低砂土时，4种材质压板的峰值附着力：低合金钢＞铝＞专用钢＞铜（见表2和图1、图2）。加入小于5%合金含量的钢材称为低合金钢，绞刀专用钢与低合金钢材质区别在于加入的锰、铬、钼和镍等元素含量不同[13]。铜和铝具有片状晶体结构；低合金钢由于淬火加工工艺和参入合金元素不同，显微结构差别较大，主要有：奥氏体、珠光体、贝氏体和马氏体等；加入锰等元素的绞刀专用钢经过淬火等工艺，它的显微结构是呈针状分布的马氏体。两相接触时，固相表面的马氏体与界面上水膜之间的黏滞阻力和物理吸附力相对较小，因此在宏观上表现为具有马氏体的专用钢黏附能力较低相。

与农业生产类似，疏浚行业中为达到减黏降阻的目的，绞刀材质应选用具有马氏体显微组织结构、能够承受较高硬度和拉伸强度的低合金钢。它既能满足生产时切削土体的要求，又能减少疏浚土的附着。

4.3 加压时间对附着力影响

附着力测试过程中，不受外部影响时土体自动稳定；受到外部荷载后土颗粒受压再平衡。外部受拉后，表层土颗粒和界面水膜发生变化抵抗外部拉力，直到破坏形成最终稳态，这都是动态稳定过程。因此，时间是重要的影响附着力大小的因素。

本文考虑规范[5]推荐的30 s和非规定值2 min，其结果见图5。塑限到液限之间，相同含水率条件下外部荷载时间越长，疏浚土附着力越高；超过液限后，增加外部荷载时间没有增加附着力，反而降低了土体附着力。不论是扰动土还是低砂土，加压时间对附着力与含水率关系曲线的影响类似（图 5）。

增加外部荷载时间，硬塑黏土表层土颗粒受压时间变长，颗粒重分布结果更稳定，土体孔隙度减少，毛细管内含水量增加，在界面上形成的水膜面积比短时间受压所形成面积增大，增加了fb值；同时，接触时间长，土颗粒和金属表面之间产生电子吸附面积增加，所发生的化学吸附力增加，即增加了fa值，化学吸附和水膜张力的增加同时加大了土与固相之间的黏附能力，宏观表现为疏浚土附着力增加。软塑黏土受到外部压力后，变形大；土体处于饱和状态，此时疏浚土附着力取决于接触面化学吸附和水膜张力或土体自身内聚力。受压后的表层土，颗粒挤密，多余的自由水流入土和金属接触面，界面过多的水膜厚度超过弱结合水的厚度，导致界面水分张力减少，宏观上表现为附着力降低；若附着力大小由土内聚力决定，那么过长的加载时间对土体附着力无明显影响，例如图5含水率增加到约55%以后，30 s和2 min两种加载时间附着力与含水率曲线有合并为一条曲线的趋势。

图5 不同加压时间扰动土和低砂土铜压板下附着力与含水率关系曲线Fig.5 Curvesof adhesion and water content under copper plate for disturbing clay and low sand clay with different pressurization times

4.4 含砂量对附着力影响

为确定土质特性对附着力影响，在保证疏浚土黏粒和粉粒成分组成不变的情况下，降低砂粒含量，反映材质对土质的敏感程度，见表2和图5。4种材质，在不同的加压时间下，在特定含水率时，低砂土附着力值都要小于扰动土附着力对应值（图5）。仅考虑峰值强度，在不同加压时间和压板材质条件下，低砂土的峰值强度相比于扰动土平均减少16%；铜对土质的敏感程度最高，铝次之，专用钢最少（表2）。

这是由于扰动土含砂率相对较高，砂土比表面积小，外表含有结合水较少；加压后，表层土孔隙减少，但砂颗粒受压后变形小，较容易在表层土中形成毛细管作为自由水的上升通道，在界面形成水膜，增加水的张力，宏观表现为增加了界面的抗拉强度，即附着力相对较大。

综上试验结果，在含水率、含砂量、加压时间和材质等方面降低疏浚土质对绞刀的附着力。对于软塑和流塑黏土，选用马氏体显微结构的绞刀；再增设一个高压冲水装置，瞬时增加与绞刀接触部分疏浚土的含水率，间接减少单位体积内土质的含砂量；在满足输送泵送能力、低于输送堵泵浓度临界值的情况下，采用增加横移速度减少绞刀转速施工工艺，能够降低疏浚土质附着力。硬塑状混砂黏土，切削阻力较大，确保船舶输送能力时，除安设高压冲水装置外，还应减少横移速度和切厚、增大绞刀功率和绞刀转速，减少土质与绞刀接触时间，降低土质附着力和疏浚土糊绞刀的概率。

5 结语

1）基于动态平衡观点，使用物理和化学吸附理论，结合黏土内聚力随含水率变化特点，提出疏浚土吸附机理，能够很好解释附着率随含水率变化关系以及外部因素对附着力的影响特性。

2）扰动土和低砂土拟合附着力与含水率关系曲线呈三次抛物线型；附着力峰值约为塑性指数的3倍，峰值时含水率超过液限值。

3）机具材质、黏土含砂量和加压时间对附着力影响明显；采用具有马氏体显微结构绞刀专用钢材切削低砂土能够明显降低土质附着力。