土體含水率和金屬波紋狀表面對界面黏附力影響

劉成，黃琳，肖宇豪，馬天龍

(南京林業大學土木工程學院，南京 210037)

隨著我國經濟的快速發展，城市地下交通網絡的建設也隨之加快，盾構法憑借其安全高效的優點得到了廣泛的應用。然而，在盾構機穿越富水及黏性地層的過程中，刀盤切削下來的渣土受到擠壓后，極易在刀盤中心位置形成泥餅，并逐漸向四周擴散[1-2]。嚴重時泥餅會導致刀盤開口堵塞、刀盤扭矩增大以及掘進速率降低等問題[3-4]。因此，研究黏土與盾構刀盤間的黏附作用，選取適當的泥餅防治措施，在實際工程中有重要的意義。

目前，運用仿生手段減小土體黏附是機械減黏的熱點問題[5]。例如，孫久榮等[6]開展了蜣螂非光滑體表以及運動時體表電位的變化對土體黏附影響的試驗研究；Liu等[7]研究了蚯蚓非光滑體表以及體表潤滑黏液對土體黏附的影響。對土壤動物體表非光滑結構減黏機制的研究是其中的關鍵。

叢茜等[8]仿照步甲的體表結構設計了凸包形推土板，通過與光滑推土板的對比試驗發現，凸包形推土板具有更好的減黏脫土效果；劉國敏等[9]通過離散單元法模擬蚯蚓波紋狀體表與土體間的接觸狀態，從仿真結果中發現波紋狀表面與土體接觸時會產生孔隙，使得表面與土體的接觸時間和面積均減小；馮艷艷等[10]仿照河蚌體表設計了帶有波紋表面的疏浚刀，通過離散元仿真模擬疏浚刀的水下作業，發現土體受到波紋凸起的擠壓作用后，對土體產生較大的擾動，這對土體的脫附起到了一定的作用。

本研究主要通過黏附力拉拔試驗裝置，在不同含水率工況下開展黏附力拉拔試驗，使用表面具有不同波紋起伏程度的測錐，測量錐體與土體間的黏附力大小和黏附情況，總結金屬表面波紋與土體間的黏附關系，探尋一種解決盾構刀盤結泥餅問題的方法。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置及試驗流程

試驗采用如圖1所示的拉拔試驗裝置，該裝置主要由土盒、測錐、支架以及加載系統4個部分組成。其中，土盒由PVC管及2個管帽組成，PVC管內徑71 mm，長800 mm；測錐的質量為50 g，高32 mm，直徑為23 mm，母線長度為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，通過供水桶向支架左側的蓄水瓶內注水，對右側的測錐產生拉拔力，海綿墊置于蓄水桶下方，用于測錐拔出時緩沖蓄水桶的沖擊作用。

圖1 試驗裝置圖Fig. 1 Schematic diagram of test device

在試驗過程中，拉拔試驗裝置的操作過程主要包含以下步驟：

1)將測錐倒置放入土盒內，分層填入土體并擊實，待土樣靜置24 h后開始試驗。

2)將土盒布置在裝置右側掛鉤正下方，將掛鉤掛在測錐上。

3)將供水桶的導管插入蓄水瓶內，打開供水開關，將蓄水瓶增加的重量轉化為對測錐的法向拉力，當拉拔力達到界面黏附力時測錐被拉出土體，同時關閉供水開關。

4)記錄測錐拉出土體所需的時間以及錐體表面黏附土體的質量和形態，使用電子天平稱取蓄水瓶內增加的水的質量，從而計算界面黏附力大小；稱取試驗后表面黏土的錐體質量m錐+土，將錐體表面土體刮除后稱取錐體質量m錐，則可得黏土質量m土。

1.2 土體性質

試驗采用的土體來自南京市地鐵5號線岔路口站黏性土。通過液塑限聯合測定儀測定土體液塑限含水率，其物理性質如表1所示。經測定試驗土體屬于黏質砂土，通過激光粒度分析儀對試驗土體進行顆粒級配分析，其結果如圖2所示。

表1 試驗土樣的物理性質指標Table 1 Physical properties of soil sample

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

1.3 土樣的制備及試驗條件

試驗所用土樣經過研磨、過篩(去除粒徑大于0.5 mm的土顆粒)，及烘干12 h以上的工序后，按預定含水率配置土樣。

測錐與土樣采用倒置法裝入土盒內，具體步驟如下：

1)將測錐頂部用薄膜包裹，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，用擊實錘將土體擊實至盒內4 cm深度；再稱取350 g土體分層填入盒內，使用擊實錘將土體擊實，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。

為達到金屬表面具有波紋凸起的效果，試驗采用具有較好延展性和拉伸強度的銅絲，直徑為0.2，0.4，0.6，0.8和1 mm，分別對應波峰0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 mm，另外未纏銅絲對應波峰為0 mm(圖3)；纏繞銅絲時首先將銅絲彎成環狀，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間隙，在纏繞過程中在銅錐的表面涂抹膠水，確保銅絲與銅錐緊密結合，避免在試驗過程中脫落。

圖3 波紋狀測錐示意圖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黏附力的影響。

2 結果與分析

2.1 不同波峰高度條件下的黏附力變化

通過試驗發現，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。如圖4所示，當含水率w=24%時，光滑測錐測得的黏附力最高，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，黏附力達到最大值；而當含水率逐漸增加時，黏附力總體上仍隨波峰高度的增加逐漸增長，但增長趨勢變緩。

圖4 測錐黏附力與波峰高度的關系Fig. 4 The relationship between measure-cone adhesion and wave crest height

整體來看，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象的主要因素，黏附力隨含水率的增加逐漸增長，當含水率增加到一定值時，黏附力達到峰值；之后，黏附力隨含水率的增加逐漸減小，這與文獻[11]中發現黏附力值在塑限附近最大、隨含水率增加黏附力減小的規律一致。

當土壤動物在土中運動時，土體并不會填滿其體表波紋狀凹陷處，而是形成空洞區[12]。在制樣過程中，受擊實作用影響，土體被擠壓進測錐表面波紋凹陷處，測錐表面與土體完全接觸，凹陷部位沒有出現無土區域，界面間的水膜仍呈連續分布(圖5)；而當測錐表面波紋狀凸起程度增加時，測錐與土體的實際接觸面積增加，其界面間水膜連續性增加[13]。依據水膜理論，界面間水膜面積的增加會導致黏附力增大。同時錐體在受到法向拉拔力的作用時，錐體波紋狀凸起的上部受到土體的法向壓力增強，錐體表面局部的黏附力增加；如圖6所示，當測錐波峰高度越高時錐體的觸土面積也會更大，此時界面間黏附力越高。

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

圖6 測錐與土體接觸面積關系圖Fig. 6 Relation curve between measure-cone and soil contact area

這與文獻[14]采用表面帶有凸包狀的金屬板拉拔試驗結論相近。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，凸包數量越多黏附力越大。這與本試驗中測錐表面波紋起伏程度越大、黏附力越強的變化趨勢是一致的。

2.2 錐面黏土規律

測錐表面的黏土情況整體呈現隨波峰高度的增加黏土量越大的趨勢。如圖7所示，當w=24%時，光滑測錐、0.1和0.2 mm波峰高度的測錐表面黏附土體的質量低于其他測錐，其中0.1和0.2 mm波峰高度的測錐黏土量較少，而當波峰高度增長至0.3 mm時，錐體表面的黏土質量開始逐漸增加，并在0.5 mm時達到最大；隨著土體含水率增加，測錐表面黏附情況趨于嚴重；w=26%和28%時，錐體表面黏土情況與w=24%時相近；當w=30%時，錐體表面黏土質量整體上高于其他含水率條件下測得的黏土量。

圖7 測錐黏土量與波峰高度的關系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錐表面黏土情況見圖8。光滑的測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波峰高度的測錐表面并沒有黏附明顯的土塊，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，測錐表面開始出現泥塊；當波峰高度增長至0.5 mm時，錐體表面的土塊呈現出條狀環繞在錐體上，同時波紋狀測錐在其表面凸起的頂部幾乎沒有出現黏土情況。

圖8 測錐表面黏土情況Fig. 8 Clay on the surface of measure-cone

當錐土界面間的黏附強度大于土體內部的黏聚力時，就會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，土體發生擠壓趨于密實，土體內部的水分受擠壓移動至界面處，達到潤滑減黏的效果[15]，從而在錐體表面波紋凸起處較少發生土體黏附的情況[16]。

如圖4所示，在土體與波紋狀測錐接觸時，土體受擠壓變成條狀填塞入錐體表面的波紋凹陷處，在拉拔過程中，錐體凸起部位上方與土體發生切向運動，其切向阻力的表達式為[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的增加會造成摩擦力f增大，從而使測得的黏附力值增加[15]；因而當波峰高度較小時，波紋凸起上部的面積較小，局部黏附力增加較少，當錐體拔出后，凹陷處土體與外部土體直接脫開，錐體表面并未黏附土塊；而當波峰高度較大時，波紋凸起上部的面積較大，局部黏附更強，當錐體脫離土體時，錐面開始出現土塊甚至土環。

通過試驗發現，在土體含水率較低的情況下，金屬表面的波紋狀凸起結構對土體黏附力和土體黏附情況有一定的抑制作用，當波紋狀凸起程度較大時，反而會加劇土體黏附情況，同時黏附力在增大；而當含水率過大時，波紋狀凸起減黏效果消失，凸起程度越大，黏附情況越嚴重。

3 結 論

通過開展波紋狀測錐與土體間的黏附力拉拔試驗研究了不同含水率條件下金屬表面波紋狀凸起程度對黏土情況的影響，結論如下：

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，當含水率偏于塑限時，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，而當含水率和波峰高度較高時，往往會增大黏附力并使得黏土情況加劇；

3)波峰高度較小時，黏附的土體會嵌入金屬表面的波紋凹陷處，當波峰高度較大時，波紋凹陷處的土體與外部土體黏結強度較高，易在錐體表面形成環狀土帶。