含水率对海运铁矿粉稳定性影响的模型试验

李 宁 李 晨 王 伟 周 健

1. 上海出入境检验检疫局；2. 同济大学地下建筑与工程系

0 引言

近年来，我国沿海和公海水域连续发生了多起载运精选矿粉和含水矿产品船舶倾覆事故，造成了较大人员伤亡和巨大财产损失，给水上交通安全监管工作带来了较大压力。当前，国际海事组织（IMO）规定精选矿粉的FMP的90%作为其适运水分限。所谓的 FMP ( Flow Moisture Point)，称为流动水分点，即矿粉发生流态化现象的临界含水量。国际上对散装矿粉的研究主要集中在测其FMP的操作方法上,安全委员会制定的《固体散货安全操作规则》中叙述了三种测FMP的方法，分别为流盘实验法、轨梭实验法及针入度实验法[1]。Gallagher[2]等讨论了两种实验方法测得FMP的差别及时间因素对FMP的影响，介绍一些影响因素如粒子均匀度、粒径、相对密度等可能对铁矿粉的FMP产生影响，但未做详细讨论，仍不能明确哪些因素是影响铁矿粉FMP的主要因素。国内1996年沈伦田[3]提出了海上安全运输的问题，主要集中在提醒船主在运输途中需要注意的；随后十几年关于矿粉的讨论也只是集中在节约宝贵资源上，对为什么会发生流态化的现象和矿粉发生失稳的机理没有提及。总的来说，关于铁矿粉流态化现象的影响因素及其流态化机理的研究尚处在探索阶段，仍需进行深入的基础性研究。

关于波浪荷载作用下的模拟试验，国内外学者做过很多相关研究，大都是针对饱和状态下的试样。本文侧重不同含水率下的铁矿粉，因而可以参考和借鉴前人的研究成果。如李晓东、刘红军等[4]对黄河河口粉质海床土在波浪荷载下的粗化现象。冯秀丽、陈静等[5]探讨波浪荷载作用下的粉土孔压变化影响海床土体的稳定性，通过室内波浪作用下的粉土孔压响应模型试验探讨了孔压与波浪之间的关系。张晨明、董秀竹等[6]采用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪对海床砂土进行三轴-扭转耦合剪切试验，研究了海床砂土在波浪荷载下的变形特征及其对砂土初始密度和固结压力的依赖性。张民生、刘红军[7]利用室内水槽试验，观察波浪作用下土体产生的振荡现象，分析土体内孔隙水压力的变化及波浪作用后土体强度变化特征，从而研究波浪荷载下黄河口粉土粒径粗化和“铁板砂”的形成过程。本文针对铁矿粉流态化现象进行模型试验，主要探究含水率这一重要因素对铁矿粉流态化现象产生的影响，补充了前人对铁矿粉的研究方法，具有很好的参考价值和实际意义，并为以后关于散装矿粉的流态化研究奠定基础。

1 模型试验系统

模型试验系统由自行设计的水平单向振动台和模型箱、动态采集仪、孔隙水压力计、摄像机组成。

水平单向振动台主要部分采用曲柄滑块机构提供振动相应的速度和加速度（曲柄滑块机构如图1所示）。

滑块端的速度与加速度表达式为

图1 曲柄滑块机构示意图

式中：R— 为曲柄长度；

L— 连杆长度；

X— 曲柄轴中心到滑动轴中心的距离；

α—R与水平方向的逆时针夹角；

β—L与水平方向的逆时针夹角；

ω— 转动的角速度。

试验中调节振动台的振幅R，由加速度的公式可以设定一定的水平振动力，利用这一振动力来模拟海上运输波浪对船舶的水平的动应力。模型箱振动台以及孔隙水压力计的实物如图2和图3所示 。

图2 模型箱振动台

图3 动态采集仪和孔隙水压力计

2 试样制备、试验方法

试验前将铁矿样全部晒干、称重，按一定含水率加入水充分搅拌，密封后搁置一天，使其水分充分均匀，然后用铲子使其自由洒落在模型箱里，同时在模型箱底部放置一环刀。装样完成后，取出环刀，称重，测得其初始干密度。环刀试验测其试验前的干密度ρd= 2.445 g/cm3（环刀试验如表1所示）。

不同含水率试验时，保持试样自然沉积的总高度一致，从而使得每次试验的干密度相同。铁矿粉装样高度为55 cm，孔压探头分别埋设在距箱底10 cm、20 cm处。同一深度放置两个孔压计以示对比。铁矿粉的颗粒级配曲线如图4所示。

振动台的频率设定为1 Hz用来模拟波浪荷载作用于铁矿粉。振动试验过程中，不同饱和度的铁矿粉孔隙逐渐减少，非饱和状态向饱和状态转变，因而试验采用孔隙水压力计，来近似采集铁矿样在不同含水率下，孔压变化的累积和消散过程。试验配置的含水率分别为6%（Sr=29%）、8%（Sr=38.7%）、10%（Sr=48.3%）、12%（Sr=58%）、14%（Sr=67.6%），Sr为饱和度。

表1 铁矿粉环刀试验

图4 铁矿粉的颗粒级配曲线

3 讨论与分析

3.1 振动现象分析

图5为铁矿粉在低含水率6%和高含水率12%试样振前与振后的宏观现象对比图。可以发现，6%时的试样振后，表面析出的水不是很明显，主要呈泥浆状；而12%的试样振后表层有大量的水析出，说明在铁矿粉含水率高时，铁矿粉的振动响应更为明显。当含水率低时，排水不是很明显，会沿着不连续的排水通道排出，并且在水排出中掺杂着粒径较小的黏粒含量。黏粒含量慢慢沉积在矿粉的表面，形成一层浑浊物，即呈泥浆状。可以解释为试样层底部是不排水面，孔隙水压力只能向表层排出，振动使试样内部的孔隙水压力沿深度逐渐增大，下层的试样不断地排水固结，上覆土层也会不断地密实，孔隙比减小，因而孔隙水在压力差的作用下沿着排水通道相对于骨架向上运动，形成渗流，为细颗粒迁移提供动力。脱离骨架的细颗粒向上迁移并在表层聚集，即试验中观察到的浑浊沉积物。当含水率逐渐增大时，在同一振动下，试样内的排水通道逐渐清晰，沿着排水通道溢出的水也会增多，并且随着含水率的增大，水排出的时间就越短（如图6所示），含水率为12%时，矿粉表面有大量的水析出。从这一宏观现象，可以知道含水率控制的必要性。另外通过试验的观察，可以发现，矿粉的排水通道往往在四周最先形成，究其原因，模型箱的四周与铁矿粉之间为刚性接触，水更易溢出。同时，通过分析可知，铁矿粉内的细颗粒含量的总量一定，当一部分的细颗粒随着排水通道逐渐沉积在表面时，底部和中部的细颗粒含量会逐渐减少，因而在底部铁矿粉的平均粒径会增加，即产生粗化现象。

图5 模型试验箱示意图

图6 6%和12%铁矿粉振后对比

3.2 孔隙水压力变化

在水平振动作用下，含水率逐渐增加的过程中，铁矿粉内的孔隙水压力发生相应的变化。通过模型箱中埋设的孔隙水压力传感器记录了试样中孔隙水压力的变化。试验共观测了6%、8%、10%、12%、14%等5组不同含水率下的孔隙水压力。

图7为试验20 cm深处铁矿样的孔隙水压力变化曲线。

可以看出，孔压不是瞬间上升的，而是缓慢上升的一个过程。即随着振动次数的增加，表层浑浊沉积物不断增加，下层的粒径粗化。大颗粒进行重排直至重新达到稳定结构，排水通道开始逐渐清晰，水则会溢出，表层一定厚度的沉积物也起到孔压上升的封堵作用，因而孔压缓慢上升。

通过试验曲线表明，孔压上升的峰值随着含水率的增大而增大，出现峰值的振次则随着含水率的增大而减小。即低含水率的情况下，要使得试样达到液化点，需要的振动次数也就越多。

图7 埋深20 cm的孔压计的孔压变化曲线

不同含水率铁矿粉的孔压响应是不一样的。在低含水率6%、8%时，孔压上升有一个缓和区，即孔压上升得很慢的区段，这是因为低含水率的铁矿饱和度较低的缘故。振动开始后，孔隙比开始减小，试样的密实度增加，随着振动次数增加，铁矿粉的孔压上升速率开始加快，但最大幅值有限，即不会出现明显的液化现象。随着含水率的增大，孔压的上升呈现不同的趋势，尤其含水率为12%、14%时，孔压上升基本上没有转点，振动开始，孔压迅速上升，很快达到峰值，通过拍摄，发现振后试样表面积聚大量的水。当含水率为10%时，其孔压变化介于8%和12%之间，随着振动，内部的孔压会逐渐上升。通过孔压变化曲线证明：低含水率下，孔压响应不是很明显；含水率高，孔压响应越厉害。孔压一旦瞬间上升，则水会短时间地积聚，形成大量的析水（实际海运中，一旦出现类似情况，则没有充分的时间准备排水，极易引发沉船事故），而含水率低，随着振动，矿粉会出现振密的现象（对于实际的海运则是安全的，可不考虑）。综合考虑，含水率应控制在10%之下。

图8为含水率10%时同一深度两孔压计的孔压变化曲线，基本是相似的。

4 结论

本文采用同济大学土动教研室的模型箱振动台对铁矿粉的动力特性进行了室内模型试验。通过试验观察和孔压采集结果分析，得出如下结论：

（1）通过观察振后低含水率为6%的铁矿粉表面出现一层浑浊沉积物，析出的水不是很明显。当含水率为10%时，随着振动时间增加，水开始逐渐增加，而含水率12%时则振后表面会析出大量的水，且14%的含水率析出水的时间更短，在模型箱底部铁矿粉颗粒出现粗化现象。

图8 同一深度处的孔压变化曲线

（2）不同含水率下，铁矿试样的表现是不一样的，低含水率在振动过程中，铁矿粉会越来越安全，不会形成表层水积聚的现象。而高含水率下，铁矿试样表面析出大量的水，随着振动来回摆动，对工程非常不利，极易引起船舶的失稳和沉船事故。

（3）孔压上升的峰值随着含水率的增大而增大，出现峰值的振次随着含水率的增大而减小。即低含水率6%和8%的情况下，振动会出现振密现象，孔压上升慢，表面不会出现很明显的水。含水率为12%和14%时，孔压响应越厉害，上升的幅值较大，表面析出的水积聚多，且所需时间较短，即发生流态化的可能性会增大。含水率为10%，其孔压响应介于8%和12%之间。综合考虑，建议出行的铁矿粉的含水率应远远控制在10%之下，这样对于实际海运是比较安全的。

（4）试验着重探究了含水率对铁矿粉海运安全的影响，在实际海运中影响铁矿粉失稳的因素很多，因而在对铁矿粉流态化行为的研究上还可以深入。

[1] Mediterranean Shipping Company S A. 79/23/Add 4，Code of Safe Practice for Soild Bulk Cargoes[S]. International Maritime Organization, 2004.

[2] Benjanmin Gallagher, Stephanie Stogsdill, Richard W Stephenson.Influence of Ore Physical Properties on the Transportable Moisture Limit for Barged Materials[R/OL]. （2008-06-20）[2011-06-06].http: //utc.mst.edu/research/r156.html.

[3] 沈伦田.氟石粉安全运输的探讨[J]. 航海技术. 1996(2): 15-16.

[4] 李晓东，刘红军，张民生，等. 波浪作用下黄河口粉土海床粗化室内模型试验研究[J]. 海洋科学, 2009, 33(6), 46-50.

[5] 冯秀丽，陈静，林霖. 波浪作用下粉土中的孔压响应及其在粉土海床稳定性评价中的应用[J]. 海洋科学, 2006, 30(3), 1-4.

[6] 张晨明，董秀竹，郭莹，等. 波浪荷载作用下砂土变形特性的模拟试验研究[J]. 地质工程与工程振动. 2005, 25(2), 155-159.

[7] 张民生，刘红军，李晓东，等. 波浪作用下黄河口粉土液化与“铁板砂”形成机制的模拟试验研究[J]. 岩土力学，2009, 30（11）: 3347-3356.