土附著力試驗影響因素研究

陳琪林，于 偉，凌柏平，楊愷民

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

引言

土的附著力是指土在一定的含水率的條件下，具有粘附在其他固體材料表面上的能力。土附著力是疏浚工程中一項重要的技術指標，也是疏浚巖土工程特性與分級的輔助指標。根據現行港航疏浚系統相關規范[1]，按疏浚土附著力的大小，可將疏浚土分為無附著力土（＜50 g/cm2）、弱附著力土（50～150 g/cm2）、中等附著力土（150～250 g/cm2）和強附著力土（＞250 g/cm2）。附著力數值越大，表明疏浚土越難開挖。工程實踐中，附著力可為抓挖機械選取及其操作技術提供合理建議，為航道、港池等開挖及吹填工程提供設計和施工依據。

在港航疏浚工程中，土的附著力主要通過附著力試驗確定。目前我國的土附著力試驗方法標準規范主要有《疏浚與吹填設計規范》（JTS 181-5-2012）和《水運工程地基基礎試驗檢測技術規程》（JTS 237-2017）。前一種方法對試驗步驟及儀器的具體要求不甚明確，導致不同公司試驗結果無可比性。后一本規范在前一本規范基礎上對土附著力試驗方法進行了較為詳細的規定[2]，但仍存在試驗步驟及儀器設備要求不明確的現象。

目前，國內對土附著力的研究，大多停留在了土壤黏附機理及其類別和性質對附著力大小的影響因素上[3-6]，很少有人關注到土附著力試驗條件和步驟對附著力大小的影響。徐繼濤等[7]通過對粘土混砂附著力的研究，得出試驗用壓板夾具材質和加壓時間對土附著力有影響，筆者在工作中也發現，試驗拉拔速率、加壓時間、加壓質量均會對土附著力產生影響。

本文通過改變各種試驗條件參數，研究各參數對粘性土附著力數值的影響，以期得到各試驗條件參數的合理設定值，從而確定一種較為詳細的土附著力試驗方法。為港航疏浚工程設計工作及后續附著力試驗方法的修訂提供參考依據。

1 試驗方案

1.1 試驗原理

使用附著力測試裝置測定黏性土對單位面積金屬壓板的吸附力，附著力P（kPa）按下式計算：

式中：

P—附著力（kPa，1 kPa=10 g/cm2）；

F—壓板脫離土吸附過程中最大拉力（N）；

A—壓板與土的接觸面積（mm2）。

1.2 試驗用土性質

本試驗采用兩種不同性質的土壤A（粘土）和土壤B（淤泥），分別測定其含水率、孔隙比、液限、塑限、塑限指數。兩種土的各分類指標如表1所示。

表1 試驗用土物理性質表

1.3 試驗方法

試驗方法參考規范《水運工程地基基礎試驗檢測技術規程》（JTS 237-2017），通過改變試驗過程中的各試驗條件參數，得出各試驗條件參數條件下兩種土樣的附著力大小，方法如下：

1）取代表性土樣，充分調勻，密實地裝入試樣杯中，使土面與墊圈平齊。除去墊圈，土面高處杯口0.5 mm；

2）將土樣杯放在儀器底座上，用粗糙度為3.2 m面積為10 cm2的銅制壓板對準土樣杯口，使壓板平面完全接觸土面，在壓板上施加垂直荷重，使壓板壓力為20 kPa，持續時間為30 s；

3）啟動拉力設備，以5 mm/min 的拉拔速率平穩地拉動壓板，直至土樣被拉斷，記錄最大拉力值；

4）擦凈壓板，重復上述步驟9 次，刪除10 次測定值中的兩個最大值和兩個最小值，取余下的6個數值的平均值作為該土體附著力值；

5）以上述方法為基準，通過控制單一變量的方法，分別改變壓板粗糙度、壓板面積、壓板壓力、加壓時間、拉拔速率和壓板材質等試驗條件參數，分別測定兩種土體在各給定試驗條件參數下的附著力，各試驗條件參數的取值如表2 所示。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

本試驗通過控制單一變量的方法，得出土附著力試驗中各參數變化后兩種試驗用土的附著力數據，如表2 所示。

表2 試驗結果匯總表

由表2 可知，除個別試驗條件外，本試驗用黏土附著力超過5 kPa（附著力單位換算關系為1 kPa等于10 g/cm2），為弱附著力土，淤泥附著力超過15 kPa，為中等附著力土。兩種土附著力大小受試驗條件影響很大，某些極端條件下，甚至會影響土的附著力類型的判別。

2.2 壓板粗糙度對土附著力的影響

用不同粗糙度的銅板測兩種土的附著力，試驗結果如圖1 所示。

圖1 附著力與壓板粗糙度關系圖

由圖1 可知，試驗用黏土附著力隨壓板粗糙度增加而增加，但壓板粗糙度增加到6.3 μm 后，附著力增加效果不明顯，黏土附著力基本不受壓板粗糙度的影響。進一步分析發現，本試驗用兩種土體與壓板間破壞面位置和形式不盡相同，黏土破壞面為兩種固體接觸面（如圖2），淤泥破壞面位土體內部（如圖3）。

圖2 黏土接觸面破壞

圖3 淤泥內聚破壞

在附著力試驗過程中，土的破壞位置和形式取決于土的內聚力和土與壓板的黏附力，當土的內聚力大于土與壓板的黏附力時，土破壞于兩種固體接觸面；當內聚力小于黏附力時，土破壞于土壤內部；當內聚力與黏附力相差不大時，則土同時發生內部破壞和接觸面破壞。本試驗用黏土破壞位置位于接觸面，其內聚力小于與壓板的黏附力，附著力主要取決于黏附力的大小。隨著壓板粗糙度的增加，黏土對壓板的黏附性也增加，破壞時土附在壓板上的面積也相應增多，表現為附著力隨壓板粗糙度的增加而增加。淤泥破壞面位于土體內部，附著力取決于土在試驗條件下的內聚力，與壓板粗糙度無關，表現為附著力不隨壓板粗糙度的變化而變化。由圖1 可知，黏土的附著力并不隨壓板粗糙度增加而無限增大，當粗糙度增加到6.3 μm 后，粗糙度的影響已不明顯。考慮到附著力試驗對各類土的適應性和壓板加工的難易性，附著力試驗使用粗糙度為6.3 μm 比較合理。

2.3 壓板壓力對土附著力的影響

壓板和土體接觸后，通過在壓板上施加重物，對土進行預壓，使土在一定的壓力達到平衡。不同壓板壓力下兩種土的附著力試驗結果如圖4 所示。

圖4 附著力與壓板壓力關系圖

由圖4 可知，兩種土的附著力隨著壓板壓力的增加而增加，當壓板壓力小于20 kPa 時，附著力受壓板壓力的影響很大，當壓板壓力大于20 kPa后，附著力變化已不明顯。

土受擾動后，不受外部影響時自動穩定，受外部壓力時，在壓力作用下達到再平衡。增加外部荷載，土顆粒重分布程度增加，重分布狀態更穩定。在壓力作用下，土體孔隙率減少，毛細管內含水率增加，土體更加密實，表現為土內聚力的增加；同時，由于毛細管含水率增加，土體與壓板界面形成的水膜面積變大，水膜張力變大，又由于土體更加密實，與壓板接觸也更加緊密，使土顆粒與壓板表面之間產生的物理化學吸附增加，水膜張力和物理化學吸附的增加，在宏觀上則增大了土與壓板的黏附力。土內聚力和與壓板黏附力的增加，則表現為土的附著力變大。當壓力增加到一定程度后，土體再平衡趨于穩定，土體附著力受壓力的影響逐漸變小。考慮到試驗的可操作性及壓板壓力的影響，附著力試驗使用20kPa 的壓板壓力比較合適。

2.4 加壓時間對土附著力的影響

在附著力試驗過程中，改變加壓時間，兩種土體的附著力試驗結果如圖5 所示。

圖5 附著力與加壓時間關系圖

由圖5 可知，淤泥的附著力隨加壓時間的增加而增加，但當加壓時間大于60 s后，其附著力增加幅度已不明顯。黏土的附著力幾乎不受加壓時間的影響。

與壓板壓力類似，加壓時間對土附著力的影響也可用土體重分布后的穩定程度來解釋。隨著加壓時間的增加，土體中的孔隙逐漸減少，毛細孔含水率逐漸增加，土體逐漸變得密實，土與壓板的物理化學吸附也逐漸變大，表現為附著力隨加壓時間的增加而增大。但是，在一定的壓板壓力下，不同的土的重分布達到穩定所需的時間是不一樣的，土含水率越高、黏粒含量越多，所需時間越長。本試驗用黏土含水率較低，黏粒含量相對較少，在壓板壓力下，土體很快達到穩定，表現為附著力幾乎不受加壓時間的影響。根據兩種土的試驗結果，考慮到附著力試驗效率問題，推薦附著力試驗用加壓時間為60 s，但當土樣為低黏性土時，加壓時間可縮短至30 s。

2.5 壓板面積對土附著力的影響

用不同面積的銅制壓板測兩種土的附著力，試驗結果如圖6 所示。

圖6 附著力與壓板面積關系圖

由圖6 可知，壓板面積對土附著力影響很小，兩種土的附著力大小均壓板面積的關系均不明顯。由2.3 和2.4 節的分析可知，土的附著力主要受土體內部的內聚力和土體與壓板之間的黏附力影響，而這兩種力的大小只取決于土體本身的性質和狀態以及壓板的性質，與壓板的面積無關，故土的附著力幾乎不受壓板面積的影響。考慮到附著力試驗的可操作性，推薦使用面積為10 cm2的壓板。

2.6 拉拔速率對土附著力的影響

試驗選擇4 種拉拔速率，各試驗速率對兩種土附著力的影響如圖7 所示。

圖7 附著力與拉拔速率關系圖

由圖7 可知，兩種土的附著力隨著拉拔速率的增加而增大，但當拉拔速率增大到10 mm/min后，附著力增加幅度已不明顯，附著力趨于穩定。

材料學認為固體材料存在不同程度的流變現象，即具有粘彈性，使得材料不但具有彈性材料的一般特征，也同時具有粘性流體的一些特征。理想彈性材料服從胡克定律，即應力正比于應變，理想粘性流體服從牛頓定律，即應力正比于應變速率。這是兩種極端情況，而現實中的固體材料往往是兩種情況的結合。土體是固液氣三種狀態物質的結合體，由于其顆粒細小以及水的作用，其表現出的粘性流體的特征尤為明顯，表現為附著力隨著拉拔速率的增加而增加。但是，土體作為一種固體，其更多地則會表現出彈性材料的特征，故拉拔速率增加到一定幅度后，附著力不再隨拉拔速率的增加而變化。在實際的疏浚工程中，鉸刀切割土體往往是很快的，考慮到工程實際以及土體附著力與拉拔速率的關系，推薦附著力試驗拉拔速率采用10 mm/min。

2.7 壓板材質對土附著力的影響

在實際檢測工作中，附著力試驗通常采用銅制壓板，鋁板也時有采用，而疏浚用鉸刀一般用低合金鋼。本試驗采用銅、鋁、低合金鋼三種材質的壓板，其對土附著力影響如圖8 所示。

圖8 附著力與壓板材質關系圖

由圖8 可以看出，對于試驗用黏土，低合金壓板附著力大于銅和鋁制壓板，而對于試驗用淤泥，其附著力大小幾乎不受壓板材質的影響。

試驗過程中，兩種土質的破壞面是不相同的，黏土破壞面位于土體與壓板兩相接觸面，而淤泥破壞面則位于土體內部。破壞面位于內部的土體，由于其內聚力小于土體與壓板的黏附力，其附著力主要由內聚力決定，壓板材質對其附著力不產生影響，而破壞面位于兩相接觸面的黏土，其附著力則受壓板材質的影響。壓板材質對土附著力的影響主要是其顯微結構造成，銅和鋁具有片狀晶體結構，而低合金鋼由于淬火加工工藝和參入合金元素不同，其顯微結構差別較大，主要有奧氏體、珠光體和馬氏體等[8]，使得不同材質的壓板測得的附著力產生一定的差異。銅作為一種單質金屬，其顯微結構及性能相對比較穩定，且銅質壓板也相對容易制取，故推薦附著力試驗采用銅質壓板。

3 結語

1）在附著力試驗過程中，土的破壞形式主要有內聚破壞和接觸面破壞，其破壞的形式取決于土的內聚力與黏附力的相對大小。土破壞的位置和形式影響附著力的大小及其隨試驗條件參數變化而變化的規律。

2）在一定范圍內，土附著力大小隨壓板粗糙度、壓板壓力、加壓時間以及拉拔速率的增加而增大，超過這一范圍后，附著力則趨于穩定。

3）壓板面積對土附著力大小幾乎沒有影響；不同材質的壓板由于其顯微結構不同，相應的附著力大小存在一定差異。

4）考慮到附著力試驗的可比性和可操作性，推薦附著力試驗采用面積為10 cm2、粗糙度為6.3 μm 的銅質壓板，壓板壓力為20 kPa，加壓時間為60 s，拉拔速率為10 mm/min。