土體含水率和金屬波紋狀表面對(duì)界面黏附力影響

劉成，黃琳，肖宇豪，馬天龍

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市地下交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也隨之加快，盾構(gòu)法憑借其安全高效的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在盾構(gòu)機(jī)穿越富水及黏性地層的過(guò)程中，刀盤(pán)切削下來(lái)的渣土受到擠壓后，極易在刀盤(pán)中心位置形成泥餅，并逐漸向四周擴(kuò)散[1-2]。嚴(yán)重時(shí)泥餅會(huì)導(dǎo)致刀盤(pán)開(kāi)口堵塞、刀盤(pán)扭矩增大以及掘進(jìn)速率降低等問(wèn)題[3-4]。因此，研究黏土與盾構(gòu)刀盤(pán)間的黏附作用，選取適當(dāng)?shù)哪囡灧乐未胧趯?shí)際工程中有重要的意義。

目前，運(yùn)用仿生手段減小土體黏附是機(jī)械減黏的熱點(diǎn)問(wèn)題[5]。例如，孫久榮等[6]開(kāi)展了蜣螂非光滑體表以及運(yùn)動(dòng)時(shí)體表電位的變化對(duì)土體黏附影響的試驗(yàn)研究；Liu等[7]研究了蚯蚓非光滑體表以及體表潤(rùn)滑黏液對(duì)土體黏附的影響。對(duì)土壤動(dòng)物體表非光滑結(jié)構(gòu)減黏機(jī)制的研究是其中的關(guān)鍵。

叢茜等[8]仿照步甲的體表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了凸包形推土板，通過(guò)與光滑推土板的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凸包形推土板具有更好的減黏脫土效果；劉國(guó)敏等[9]通過(guò)離散單元法模擬蚯蚓波紋狀體表與土體間的接觸狀態(tài)，從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)波紋狀表面與土體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生孔隙，使得表面與土體的接觸時(shí)間和面積均減??；馮艷艷等[10]仿照河蚌體表設(shè)計(jì)了帶有波紋表面的疏浚刀，通過(guò)離散元仿真模擬疏浚刀的水下作業(yè)，發(fā)現(xiàn)土體受到波紋凸起的擠壓作用后，對(duì)土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，這對(duì)土體的脫附起到了一定的作用。

本研究主要通過(guò)黏附力拉拔試驗(yàn)裝置，在不同含水率工況下開(kāi)展黏附力拉拔試驗(yàn)，使用表面具有不同波紋起伏程度的測(cè)錐，測(cè)量錐體與土體間的黏附力大小和黏附情況，總結(jié)金屬表面波紋與土體間的黏附關(guān)系，探尋一種解決盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)泥餅問(wèn)題的方法。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)流程

試驗(yàn)采用如圖1所示的拉拔試驗(yàn)裝置，該裝置主要由土盒、測(cè)錐、支架以及加載系統(tǒng)4個(gè)部分組成。其中，土盒由PVC管及2個(gè)管帽組成，PVC管內(nèi)徑71 mm，長(zhǎng)800 mm；測(cè)錐的質(zhì)量為50 g，高32 mm，直徑為23 mm，母線長(zhǎng)度為25 mm；加載部分主要由供水桶、蓄水瓶、尼龍繩和緩沖海綿墊組成，通過(guò)供水桶向支架左側(cè)的蓄水瓶?jī)?nèi)注水，對(duì)右側(cè)的測(cè)錐產(chǎn)生拉拔力，海綿墊置于蓄水桶下方，用于測(cè)錐拔出時(shí)緩沖蓄水桶的沖擊作用。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Schematic diagram of test device

在試驗(yàn)過(guò)程中，拉拔試驗(yàn)裝置的操作過(guò)程主要包含以下步驟：

1)將測(cè)錐倒置放入土盒內(nèi)，分層填入土體并擊實(shí)，待土樣靜置24 h后開(kāi)始試驗(yàn)。

2)將土盒布置在裝置右側(cè)掛鉤正下方，將掛鉤掛在測(cè)錐上。

3)將供水桶的導(dǎo)管插入蓄水瓶?jī)?nèi)，打開(kāi)供水開(kāi)關(guān)，將蓄水瓶增加的重量轉(zhuǎn)化為對(duì)測(cè)錐的法向拉力，當(dāng)拉拔力達(dá)到界面黏附力時(shí)測(cè)錐被拉出土體，同時(shí)關(guān)閉供水開(kāi)關(guān)。

4)記錄測(cè)錐拉出土體所需的時(shí)間以及錐體表面黏附土體的質(zhì)量和形態(tài)，使用電子天平稱取蓄水瓶?jī)?nèi)增加的水的質(zhì)量，從而計(jì)算界面黏附力大??；稱取試驗(yàn)后表面黏土的錐體質(zhì)量m錐+土，將錐體表面土體刮除后稱取錐體質(zhì)量m錐，則可得黏土質(zhì)量m土。

1.2 土體性質(zhì)

試驗(yàn)采用的土體來(lái)自南京市地鐵5號(hào)線岔路口站黏性土。通過(guò)液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定土體液塑限含水率，其物理性質(zhì)如表1所示。經(jīng)測(cè)定試驗(yàn)土體屬于黏質(zhì)砂土，通過(guò)激光粒度分析儀對(duì)試驗(yàn)土體進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，其結(jié)果如圖2所示。

表1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of soil sample

圖2 土體顆粒級(jí)配曲線Fig. 2 The gradation curve of soil particle

1.3 土樣的制備及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用土樣經(jīng)過(guò)研磨、過(guò)篩(去除粒徑大于0.5 mm的土顆粒)，及烘干12 h以上的工序后，按預(yù)定含水率配置土樣。

測(cè)錐與土樣采用倒置法裝入土盒內(nèi)，具體步驟如下：

1)將測(cè)錐頂部用薄膜包裹，并倒置立于土盒中心位置。

2)先取300 g土體，分層填入土盒內(nèi)，用擊實(shí)錘將土體擊實(shí)至盒內(nèi)4 cm深度；再稱取350 g土體分層填入盒內(nèi)，使用擊實(shí)錘將土體擊實(shí)，填滿土盒。

3)土樣填入完成后，用保鮮膜覆蓋封口，蓋上管帽并靜置24 h備用。

為達(dá)到金屬表面具有波紋凸起的效果，試驗(yàn)采用具有較好延展性和拉伸強(qiáng)度的銅絲，直徑為0.2，0.4，0.6，0.8和1 mm，分別對(duì)應(yīng)波峰0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 mm，另外未纏銅絲對(duì)應(yīng)波峰為0 mm(圖3)；纏繞銅絲時(shí)首先將銅絲彎成環(huán)狀，并用膠水固定在銅錐的頂部，以螺旋形的方式向下逐層纏繞，使得銅絲間緊密接觸無(wú)間隙，在纏繞過(guò)程中在銅錐的表面涂抹膠水，確保銅絲與銅錐緊密結(jié)合，避免在試驗(yàn)過(guò)程中脫落。

圖3 波紋狀測(cè)錐示意圖Fig. 3 Images of corrugated measure-cone

土樣的配置選用介于液塑限范圍內(nèi)的4組含水率，分別為24%，26%，28%及30%。在不同含水率條件下研究金屬表面波紋不同凸起程度對(duì)黏附力的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同波峰高度條件下的黏附力變化

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黏附力隨含水率的增加逐漸減小，而在相同含水率條件下，隨著波峰的增大，黏附力逐漸增長(zhǎng)。如圖4所示，當(dāng)含水率w=24%時(shí)，光滑測(cè)錐測(cè)得的黏附力最高，隨著波峰高度的增加，黏附力逐漸增大，在波峰高度為0.5 mm時(shí)，黏附力達(dá)到最大值；而當(dāng)含水率逐漸增加時(shí)，黏附力總體上仍隨波峰高度的增加逐漸增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。

圖4 測(cè)錐黏附力與波峰高度的關(guān)系Fig. 4 The relationship between measure-cone adhesion and wave crest height

整體來(lái)看，黏附力隨含水率的增加逐漸減小，土體含水率的變化是造成這種現(xiàn)象的主要因素，黏附力隨含水率的增加逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)含水率增加到一定值時(shí)，黏附力達(dá)到峰值；之后，黏附力隨含水率的增加逐漸減小，這與文獻(xiàn)[11]中發(fā)現(xiàn)黏附力值在塑限附近最大、隨含水率增加黏附力減小的規(guī)律一致。

當(dāng)土壤動(dòng)物在土中運(yùn)動(dòng)時(shí)，土體并不會(huì)填滿其體表波紋狀凹陷處，而是形成空洞區(qū)[12]。在制樣過(guò)程中，受擊實(shí)作用影響，土體被擠壓進(jìn)測(cè)錐表面波紋凹陷處，測(cè)錐表面與土體完全接觸，凹陷部位沒(méi)有出現(xiàn)無(wú)土區(qū)域，界面間的水膜仍呈連續(xù)分布(圖5)；而當(dāng)測(cè)錐表面波紋狀凸起程度增加時(shí)，測(cè)錐與土體的實(shí)際接觸面積增加，其界面間水膜連續(xù)性增加[13]。依據(jù)水膜理論，界面間水膜面積的增加會(huì)導(dǎo)致黏附力增大。同時(shí)錐體在受到法向拉拔力的作用時(shí)，錐體波紋狀凸起的上部受到土體的法向壓力增強(qiáng)，錐體表面局部的黏附力增加；如圖6所示，當(dāng)測(cè)錐波峰高度越高時(shí)錐體的觸土面積也會(huì)更大，此時(shí)界面間黏附力越高。

圖5 錐體擠壓土體示意圖Fig. 5 Schematic diagram of cone squeezed soil

圖6 測(cè)錐與土體接觸面積關(guān)系圖Fig. 6 Relation curve between measure-cone and soil contact area

這與文獻(xiàn)[14]采用表面帶有凸包狀的金屬板拉拔試驗(yàn)結(jié)論相近。其中，在相同含水率條件下，凸包面積的增大使得金屬界面與土體間的黏附力增大；而凸包面積相同時(shí)，凸包數(shù)量越多黏附力越大。這與本試驗(yàn)中測(cè)錐表面波紋起伏程度越大、黏附力越強(qiáng)的變化趨勢(shì)是一致的。

2.2 錐面黏土規(guī)律

測(cè)錐表面的黏土情況整體呈現(xiàn)隨波峰高度的增加黏土量越大的趨勢(shì)。如圖7所示，當(dāng)w=24%時(shí)，光滑測(cè)錐、0.1和0.2 mm波峰高度的測(cè)錐表面黏附土體的質(zhì)量低于其他測(cè)錐，其中0.1和0.2 mm波峰高度的測(cè)錐黏土量較少，而當(dāng)波峰高度增長(zhǎng)至0.3 mm時(shí)，錐體表面的黏土質(zhì)量開(kāi)始逐漸增加，并在0.5 mm時(shí)達(dá)到最大；隨著土體含水率增加，測(cè)錐表面黏附情況趨于嚴(yán)重；w=26%和28%時(shí)，錐體表面黏土情況與w=24%時(shí)相近；當(dāng)w=30%時(shí)，錐體表面黏土質(zhì)量整體上高于其他含水率條件下測(cè)得的黏土量。

圖7 測(cè)錐黏土量與波峰高度的關(guān)系Fig. 7 The relationship between the clay amount on the cone and wave crest height

24%和26%含水率條件下錐體表面黏土情況相近，黏附的土體均呈小土塊狀散布于錐體表面。28%含水率條件下不同測(cè)錐表面黏土情況見(jiàn)圖8。光滑的測(cè)錐表面黏附的土體呈塊狀，主要集中于錐體的尖部。而0.1 mm波峰高度的測(cè)錐表面并沒(méi)有黏附明顯的土塊，土體呈絲帶狀嵌入錐體表面的波紋凹陷處，隨著波峰高度逐漸增加，測(cè)錐表面開(kāi)始出現(xiàn)泥塊；當(dāng)波峰高度增長(zhǎng)至0.5 mm時(shí)，錐體表面的土塊呈現(xiàn)出條狀環(huán)繞在錐體上，同時(shí)波紋狀測(cè)錐在其表面凸起的頂部幾乎沒(méi)有出現(xiàn)黏土情況。

圖8 測(cè)錐表面黏土情況Fig. 8 Clay on the surface of measure-cone

當(dāng)錐土界面間的黏附強(qiáng)度大于土體內(nèi)部的黏聚力時(shí)，就會(huì)造成錐體拔出后表面黏土的情況。而在波紋凸起處，其與土體的接觸壓力加大，土體在界面處受法向荷載的作用下，土體發(fā)生擠壓趨于密實(shí)，土體內(nèi)部的水分受擠壓移動(dòng)至界面處，達(dá)到潤(rùn)滑減黏的效果[15]，從而在錐體表面波紋凸起處較少發(fā)生土體黏附的情況[16]。

如圖4所示，在土體與波紋狀測(cè)錐接觸時(shí)，土體受擠壓變成條狀填塞入錐體表面的波紋凹陷處，在拉拔過(guò)程中，錐體凸起部位上方與土體發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)，其切向阻力的表達(dá)式為[13]：

f=c′*A+σ*tanβ

(1)

式中：f為土體與錐體凸起部位間摩擦力；c′為切向黏附力；A為接觸面積；σ為法向壓力；β為土體與錐體間的摩擦角。

從上述公式可以看出，凸起部位上部與土體接觸面積A和法向壓力σ的增加會(huì)造成摩擦力f增大，從而使測(cè)得的黏附力值增加[15]；因而當(dāng)波峰高度較小時(shí)，波紋凸起上部的面積較小，局部黏附力增加較少，當(dāng)錐體拔出后，凹陷處土體與外部土體直接脫開(kāi)，錐體表面并未黏附土塊；而當(dāng)波峰高度較大時(shí)，波紋凸起上部的面積較大，局部黏附更強(qiáng)，當(dāng)錐體脫離土體時(shí)，錐面開(kāi)始出現(xiàn)土塊甚至土環(huán)。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在土體含水率較低的情況下，金屬表面的波紋狀凸起結(jié)構(gòu)對(duì)土體黏附力和土體黏附情況有一定的抑制作用，當(dāng)波紋狀凸起程度較大時(shí)，反而會(huì)加劇土體黏附情況，同時(shí)黏附力在增大；而當(dāng)含水率過(guò)大時(shí)，波紋狀凸起減黏效果消失，凸起程度越大，黏附情況越嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展波紋狀測(cè)錐與土體間的黏附力拉拔試驗(yàn)研究了不同含水率條件下金屬表面波紋狀凸起程度對(duì)黏土情況的影響，結(jié)論如下：

1)土體含水率是影響金屬與土體間黏附力大小的重要因素，當(dāng)含水率偏于塑限時(shí)，黏附力最大，且黏附力隨著含水率的增加逐漸較小，并趨于穩(wěn)定；

2)波紋狀表面在含水率較低和波峰高度較小的情況下可以減小金屬與土體間的黏附力和表面黏土情況，而當(dāng)含水率和波峰高度較高時(shí)，往往會(huì)增大黏附力并使得黏土情況加劇；

3)波峰高度較小時(shí)，黏附的土體會(huì)嵌入金屬表面的波紋凹陷處，當(dāng)波峰高度較大時(shí)，波紋凹陷處的土體與外部土體黏結(jié)強(qiáng)度較高，易在錐體表面形成環(huán)狀土帶。