土附着力试验影响因素研究

时间：2024-07-28

陈琪林，于伟，凌柏平，杨恺民

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

引言

土的附着力是指土在一定的含水率的条件下，具有粘附在其他固体材料表面上的能力。土附着力是疏浚工程中一项重要的技术指标，也是疏浚岩土工程特性与分级的辅助指标。根据现行港航疏浚系统相关规范[1]，按疏浚土附着力的大小，可将疏浚土分为无附着力土（＜50 g/cm2）、弱附着力土（50～150 g/cm2）、中等附着力土（150～250 g/cm2）和强附着力土（＞250 g/cm2）。附着力数值越大，表明疏浚土越难开挖。工程实践中，附着力可为抓挖机械选取及其操作技术提供合理建议，为航道、港池等开挖及吹填工程提供设计和施工依据。

在港航疏浚工程中，土的附着力主要通过附着力试验确定。目前我国的土附着力试验方法标准规范主要有《疏浚与吹填设计规范》（JTS 181-5-2012）和《水运工程地基基础试验检测技术规程》（JTS 237-2017）。前一种方法对试验步骤及仪器的具体要求不甚明确，导致不同公司试验结果无可比性。后一本规范在前一本规范基础上对土附着力试验方法进行了较为详细的规定[2]，但仍存在试验步骤及仪器设备要求不明确的现象。

目前，国内对土附着力的研究，大多停留在了土壤黏附机理及其类别和性质对附着力大小的影响因素上[3-6]，很少有人关注到土附着力试验条件和步骤对附着力大小的影响。徐继涛等[7]通过对粘土混砂附着力的研究，得出试验用压板夹具材质和加压时间对土附着力有影响，笔者在工作中也发现，试验拉拔速率、加压时间、加压质量均会对土附着力产生影响。

本文通过改变各种试验条件参数，研究各参数对粘性土附着力数值的影响，以期得到各试验条件参数的合理设定值，从而确定一种较为详细的土附着力试验方法。为港航疏浚工程设计工作及后续附着力试验方法的修订提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试验原理

使用附着力测试装置测定黏性土对单位面积金属压板的吸附力，附着力P（kPa）按下式计算：

式中：

P—附着力（kPa，1 kPa=10 g/cm2）；

F—压板脱离土吸附过程中最大拉力（N）；

A—压板与土的接触面积（mm2）。

1.2 试验用土性质

本试验采用两种不同性质的土壤A（粘土）和土壤B（淤泥），分别测定其含水率、孔隙比、液限、塑限、塑限指数。两种土的各分类指标如表1所示。

表1 试验用土物理性质表

1.3 试验方法

试验方法参考规范《水运工程地基基础试验检测技术规程》（JTS 237-2017），通过改变试验过程中的各试验条件参数，得出各试验条件参数条件下两种土样的附着力大小，方法如下：

1）取代表性土样，充分调匀，密实地装入试样杯中，使土面与垫圈平齐。除去垫圈，土面高处杯口0.5 mm；

2）将土样杯放在仪器底座上，用粗糙度为3.2 m面积为10 cm2的铜制压板对准土样杯口，使压板平面完全接触土面，在压板上施加垂直荷重，使压板压力为20 kPa，持续时间为30 s；

3）启动拉力设备，以5 mm/min 的拉拔速率平稳地拉动压板，直至土样被拉断，记录最大拉力值；

4）擦净压板，重复上述步骤9 次，删除10 次测定值中的两个最大值和两个最小值，取余下的6个数值的平均值作为该土体附着力值；

5）以上述方法为基准，通过控制单一变量的方法，分别改变压板粗糙度、压板面积、压板压力、加压时间、拉拔速率和压板材质等试验条件参数，分别测定两种土体在各给定试验条件参数下的附着力，各试验条件参数的取值如表2 所示。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

本试验通过控制单一变量的方法，得出土附着力试验中各参数变化后两种试验用土的附着力数据，如表2 所示。

表2 试验结果汇总表

由表2 可知，除个别试验条件外，本试验用黏土附着力超过5 kPa（附着力单位换算关系为1 kPa等于10 g/cm2），为弱附着力土，淤泥附着力超过15 kPa，为中等附着力土。两种土附着力大小受试验条件影响很大，某些极端条件下，甚至会影响土的附着力类型的判别。

2.2 压板粗糙度对土附着力的影响

用不同粗糙度的铜板测两种土的附着力，试验结果如图1 所示。

图1 附着力与压板粗糙度关系图

由图1 可知，试验用黏土附着力随压板粗糙度增加而增加，但压板粗糙度增加到6.3 μm 后，附着力增加效果不明显，黏土附着力基本不受压板粗糙度的影响。进一步分析发现，本试验用两种土体与压板间破坏面位置和形式不尽相同，黏土破坏面为两种固体接触面（如图2），淤泥破坏面位土体内部（如图3）。

图2 黏土接触面破坏

图3 淤泥内聚破坏

在附着力试验过程中，土的破坏位置和形式取决于土的内聚力和土与压板的黏附力，当土的内聚力大于土与压板的黏附力时，土破坏于两种固体接触面；当内聚力小于黏附力时，土破坏于土壤内部；当内聚力与黏附力相差不大时，则土同时发生内部破坏和接触面破坏。本试验用黏土破坏位置位于接触面，其内聚力小于与压板的黏附力，附着力主要取决于黏附力的大小。随着压板粗糙度的增加，黏土对压板的黏附性也增加，破坏时土附在压板上的面积也相应增多，表现为附着力随压板粗糙度的增加而增加。淤泥破坏面位于土体内部，附着力取决于土在试验条件下的内聚力，与压板粗糙度无关，表现为附着力不随压板粗糙度的变化而变化。由图1 可知，黏土的附着力并不随压板粗糙度增加而无限增大，当粗糙度增加到6.3 μm 后，粗糙度的影响已不明显。考虑到附着力试验对各类土的适应性和压板加工的难易性，附着力试验使用粗糙度为6.3 μm 比较合理。

2.3 压板压力对土附着力的影响

压板和土体接触后，通过在压板上施加重物，对土进行预压，使土在一定的压力达到平衡。不同压板压力下两种土的附着力试验结果如图4 所示。

图4 附着力与压板压力关系图

由图4 可知，两种土的附着力随着压板压力的增加而增加，当压板压力小于20 kPa 时，附着力受压板压力的影响很大，当压板压力大于20 kPa后，附着力变化已不明显。

土受扰动后，不受外部影响时自动稳定，受外部压力时，在压力作用下达到再平衡。增加外部荷载，土颗粒重分布程度增加，重分布状态更稳定。在压力作用下，土体孔隙率减少，毛细管内含水率增加，土体更加密实，表现为土内聚力的增加；同时，由于毛细管含水率增加，土体与压板界面形成的水膜面积变大，水膜张力变大，又由于土体更加密实，与压板接触也更加紧密，使土颗粒与压板表面之间产生的物理化学吸附增加，水膜张力和物理化学吸附的增加，在宏观上则增大了土与压板的黏附力。土内聚力和与压板黏附力的增加，则表现为土的附着力变大。当压力增加到一定程度后，土体再平衡趋于稳定，土体附着力受压力的影响逐渐变小。考虑到试验的可操作性及压板压力的影响，附着力试验使用20kPa 的压板压力比较合适。

2.4 加压时间对土附着力的影响

在附着力试验过程中，改变加压时间，两种土体的附着力试验结果如图5 所示。

图5 附着力与加压时间关系图

由图5 可知，淤泥的附着力随加压时间的增加而增加，但当加压时间大于60 s后，其附着力增加幅度已不明显。黏土的附着力几乎不受加压时间的影响。

与压板压力类似，加压时间对土附着力的影响也可用土体重分布后的稳定程度来解释。随着加压时间的增加，土体中的孔隙逐渐减少，毛细孔含水率逐渐增加，土体逐渐变得密实，土与压板的物理化学吸附也逐渐变大，表现为附着力随加压时间的增加而增大。但是，在一定的压板压力下，不同的土的重分布达到稳定所需的时间是不一样的，土含水率越高、黏粒含量越多，所需时间越长。本试验用黏土含水率较低，黏粒含量相对较少，在压板压力下，土体很快达到稳定，表现为附着力几乎不受加压时间的影响。根据两种土的试验结果，考虑到附着力试验效率问题，推荐附着力试验用加压时间为60 s，但当土样为低黏性土时，加压时间可缩短至30 s。

2.5 压板面积对土附着力的影响

用不同面积的铜制压板测两种土的附着力，试验结果如图6 所示。

图6 附着力与压板面积关系图

由图6 可知，压板面积对土附着力影响很小，两种土的附着力大小均压板面积的关系均不明显。由2.3 和2.4 节的分析可知，土的附着力主要受土体内部的内聚力和土体与压板之间的黏附力影响，而这两种力的大小只取决于土体本身的性质和状态以及压板的性质，与压板的面积无关，故土的附着力几乎不受压板面积的影响。考虑到附着力试验的可操作性，推荐使用面积为10 cm2的压板。

2.6 拉拔速率对土附着力的影响

试验选择4 种拉拔速率，各试验速率对两种土附着力的影响如图7 所示。

图7 附着力与拉拔速率关系图

由图7 可知，两种土的附着力随着拉拔速率的增加而增大，但当拉拔速率增大到10 mm/min后，附着力增加幅度已不明显，附着力趋于稳定。

材料学认为固体材料存在不同程度的流变现象，即具有粘弹性，使得材料不但具有弹性材料的一般特征，也同时具有粘性流体的一些特征。理想弹性材料服从胡克定律，即应力正比于应变，理想粘性流体服从牛顿定律，即应力正比于应变速率。这是两种极端情况，而现实中的固体材料往往是两种情况的结合。土体是固液气三种状态物质的结合体，由于其颗粒细小以及水的作用，其表现出的粘性流体的特征尤为明显，表现为附着力随着拉拔速率的增加而增加。但是，土体作为一种固体，其更多地则会表现出弹性材料的特征，故拉拔速率增加到一定幅度后，附着力不再随拉拔速率的增加而变化。在实际的疏浚工程中，铰刀切割土体往往是很快的，考虑到工程实际以及土体附着力与拉拔速率的关系，推荐附着力试验拉拔速率采用10 mm/min。

2.7 压板材质对土附着力的影响

在实际检测工作中，附着力试验通常采用铜制压板，铝板也时有采用，而疏浚用铰刀一般用低合金钢。本试验采用铜、铝、低合金钢三种材质的压板，其对土附着力影响如图8 所示。

图8 附着力与压板材质关系图

由图8 可以看出，对于试验用黏土，低合金压板附着力大于铜和铝制压板，而对于试验用淤泥，其附着力大小几乎不受压板材质的影响。

试验过程中，两种土质的破坏面是不相同的，黏土破坏面位于土体与压板两相接触面，而淤泥破坏面则位于土体内部。破坏面位于内部的土体，由于其内聚力小于土体与压板的黏附力，其附着力主要由内聚力决定，压板材质对其附着力不产生影响，而破坏面位于两相接触面的黏土，其附着力则受压板材质的影响。压板材质对土附着力的影响主要是其显微结构造成，铜和铝具有片状晶体结构，而低合金钢由于淬火加工工艺和参入合金元素不同，其显微结构差别较大，主要有奥氏体、珠光体和马氏体等[8]，使得不同材质的压板测得的附着力产生一定的差异。铜作为一种单质金属，其显微结构及性能相对比较稳定，且铜质压板也相对容易制取，故推荐附着力试验采用铜质压板。