土体含水率和金属波纹状表面对界面黏附力影响

刘成，黄琳，肖宇豪，马天龙

(南京林业大学土木工程学院，南京 210037)

随着我国经济的快速发展，城市地下交通网络的建设也随之加快，盾构法凭借其安全高效的优点得到了广泛的应用。然而，在盾构机穿越富水及黏性地层的过程中，刀盘切削下来的渣土受到挤压后，极易在刀盘中心位置形成泥饼，并逐渐向四周扩散[1-2]。严重时泥饼会导致刀盘开口堵塞、刀盘扭矩增大以及掘进速率降低等问题[3-4]。因此，研究黏土与盾构刀盘间的黏附作用，选取适当的泥饼防治措施，在实际工程中有重要的意义。

目前，运用仿生手段减小土体黏附是机械减黏的热点问题[5]。例如，孙久荣等[6]开展了蜣螂非光滑体表以及运动时体表电位的变化对土体黏附影响的试验研究；Liu等[7]研究了蚯蚓非光滑体表以及体表润滑黏液对土体黏附的影响。对土壤动物体表非光滑结构减黏机制的研究是其中的关键。

丛茜等[8]仿照步甲的体表结构设计了凸包形推土板，通过与光滑推土板的对比试验发现，凸包形推土板具有更好的减黏脱土效果；刘国敏等[9]通过离散单元法模拟蚯蚓波纹状体表与土体间的接触状态，从仿真结果中发现波纹状表面与土体接触时会产生孔隙，使得表面与土体的接触时间和面积均减小；冯艳艳等[10]仿照河蚌体表设计了带有波纹表面的疏浚刀，通过离散元仿真模拟疏浚刀的水下作业，发现土体受到波纹凸起的挤压作用后，对土体产生较大的扰动，这对土体的脱附起到了一定的作用。

本研究主要通过黏附力拉拔试验装置，在不同含水率工况下开展黏附力拉拔试验，使用表面具有不同波纹起伏程度的测锥，测量锥体与土体间的黏附力大小和黏附情况，总结金属表面波纹与土体间的黏附关系，探寻一种解决盾构刀盘结泥饼问题的方法。

1 试验方法

1.1 试验装置及试验流程

试验采用如图1所示的拉拔试验装置，该装置主要由土盒、测锥、支架以及加载系统4个部分组成。其中，土盒由PVC管及2个管帽组成，PVC管内径71 mm，长800 mm；测锥的质量为50 g，高32 mm，直径为23 mm，母线长度为25 mm；加载部分主要由供水桶、蓄水瓶、尼龙绳和缓冲海绵垫组成，通过供水桶向支架左侧的蓄水瓶内注水，对右侧的测锥产生拉拔力，海绵垫置于蓄水桶下方，用于测锥拔出时缓冲蓄水桶的冲击作用。

图1 试验装置图Fig. 1 Schematic diagram of test device

在试验过程中，拉拔试验装置的操作过程主要包含以下步骤：

1)将测锥倒置放入土盒内，分层填入土体并击实，待土样静置24 h后开始试验。

2)将土盒布置在装置右侧挂钩正下方，将挂钩挂在测锥上。

3)将供水桶的导管插入蓄水瓶内，打开供水开关，将蓄水瓶增加的重量转化为对测锥的法向拉力，当拉拔力达到界面黏附力时测锥被拉出土体，同时关闭供水开关。

4)记录测锥拉出土体所需的时间以及锥体表面黏附土体的质量和形态，使用电子天平称取蓄水瓶内增加的水的质量，从而计算界面黏附力大小；称取试验后表面黏土的锥体质量m锥+土，将锥体表面土体刮除后称取锥体质量m锥，则可得黏土质量m土。

1.2 土体性质

试验采用的土体来自南京市地铁5号线岔路口站黏性土。通过液塑限联合测定仪测定土体液塑限含水率，其物理性质如表1所示。经测定试验土体属于黏质砂土，通过激光粒度分析仪对试验土体进行颗粒级配分析，其结果如图2所示。

表1 试验土样的物理性质指标Table 1 Physical properties of soil sample

图2 土体颗粒级配曲线Fig. 2 The gradation curve of soil particle

1.3 土样的制备及试验条件

试验所用土样经过研磨、过筛(去除粒径大于0.5 mm的土颗粒)，及烘干12 h以上的工序后，按预定含水率配置土样。

测锥与土样采用倒置法装入土盒内，具体步骤如下：

1)将测锥顶部用薄膜包裹，并倒置立于土盒中心位置。

2)先取300 g土体，分层填入土盒内，用击实锤将土体击实至盒内4 cm深度；再称取350 g土体分层填入盒内，使用击实锤将土体击实，填满土盒。

3)土样填入完成后，用保鲜膜覆盖封口，盖上管帽并静置24 h备用。

为达到金属表面具有波纹凸起的效果，试验采用具有较好延展性和拉伸强度的铜丝，直径为0.2，0.4，0.6，0.8和1 mm，分别对应波峰0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 mm，另外未缠铜丝对应波峰为0 mm(图3)；缠绕铜丝时首先将铜丝弯成环状，并用胶水固定在铜锥的顶部，以螺旋形的方式向下逐层缠绕，使得铜丝间紧密接触无间隙，在缠绕过程中在铜锥的表面涂抹胶水，确保铜丝与铜锥紧密结合，避免在试验过程中脱落。

图3 波纹状测锥示意图Fig. 3 Images of corrugated measure-cone

土样的配置选用介于液塑限范围内的4组含水率，分别为24%，26%，28%及30%。在不同含水率条件下研究金属表面波纹不同凸起程度对黏附力的影响。

2 结果与分析

2.1 不同波峰高度条件下的黏附力变化

通过试验发现，黏附力随含水率的增加逐渐减小，而在相同含水率条件下，随着波峰的增大，黏附力逐渐增长。如图4所示，当含水率w=24%时，光滑测锥测得的黏附力最高，随着波峰高度的增加，黏附力逐渐增大，在波峰高度为0.5 mm时，黏附力达到最大值；而当含水率逐渐增加时，黏附力总体上仍随波峰高度的增加逐渐增长，但增长趋势变缓。

图4 测锥黏附力与波峰高度的关系Fig. 4 The relationship between measure-cone adhesion and wave crest height

整体来看，黏附力随含水率的增加逐渐减小，土体含水率的变化是造成这种现象的主要因素，黏附力随含水率的增加逐渐增长，当含水率增加到一定值时，黏附力达到峰值；之后，黏附力随含水率的增加逐渐减小，这与文献[11]中发现黏附力值在塑限附近最大、随含水率增加黏附力减小的规律一致。

当土壤动物在土中运动时，土体并不会填满其体表波纹状凹陷处，而是形成空洞区[12]。在制样过程中，受击实作用影响，土体被挤压进测锥表面波纹凹陷处，测锥表面与土体完全接触，凹陷部位没有出现无土区域，界面间的水膜仍呈连续分布(图5)；而当测锥表面波纹状凸起程度增加时，测锥与土体的实际接触面积增加，其界面间水膜连续性增加[13]。依据水膜理论，界面间水膜面积的增加会导致黏附力增大。同时锥体在受到法向拉拔力的作用时，锥体波纹状凸起的上部受到土体的法向压力增强，锥体表面局部的黏附力增加；如图6所示，当测锥波峰高度越高时锥体的触土面积也会更大，此时界面间黏附力越高。

图5 锥体挤压土体示意图Fig. 5 Schematic diagram of cone squeezed soil

图6 测锥与土体接触面积关系图Fig. 6 Relation curve between measure-cone and soil contact area

这与文献[14]采用表面带有凸包状的金属板拉拔试验结论相近。其中，在相同含水率条件下，凸包面积的增大使得金属界面与土体间的黏附力增大；而凸包面积相同时，凸包数量越多黏附力越大。这与本试验中测锥表面波纹起伏程度越大、黏附力越强的变化趋势是一致的。

2.2 锥面黏土规律

测锥表面的黏土情况整体呈现随波峰高度的增加黏土量越大的趋势。如图7所示，当w=24%时，光滑测锥、0.1和0.2 mm波峰高度的测锥表面黏附土体的质量低于其他测锥，其中0.1和0.2 mm波峰高度的测锥黏土量较少，而当波峰高度增长至0.3 mm时，锥体表面的黏土质量开始逐渐增加，并在0.5 mm时达到最大；随着土体含水率增加，测锥表面黏附情况趋于严重；w=26%和28%时，锥体表面黏土情况与w=24%时相近；当w=30%时，锥体表面黏土质量整体上高于其他含水率条件下测得的黏土量。

图7 测锥黏土量与波峰高度的关系Fig. 7 The relationship between the clay amount on the cone and wave crest height

24%和26%含水率条件下锥体表面黏土情况相近，黏附的土体均呈小土块状散布于锥体表面。28%含水率条件下不同测锥表面黏土情况见图8。光滑的测锥表面黏附的土体呈块状，主要集中于锥体的尖部。而0.1 mm波峰高度的测锥表面并没有黏附明显的土块，土体呈丝带状嵌入锥体表面的波纹凹陷处，随着波峰高度逐渐增加，测锥表面开始出现泥块；当波峰高度增长至0.5 mm时，锥体表面的土块呈现出条状环绕在锥体上，同时波纹状测锥在其表面凸起的顶部几乎没有出现黏土情况。

图8 测锥表面黏土情况Fig. 8 Clay on the surface of measure-cone

当锥土界面间的黏附强度大于土体内部的黏聚力时，就会造成锥体拔出后表面黏土的情况。而在波纹凸起处，其与土体的接触压力加大，土体在界面处受法向荷载的作用下，土体发生挤压趋于密实，土体内部的水分受挤压移动至界面处，达到润滑减黏的效果[15]，从而在锥体表面波纹凸起处较少发生土体黏附的情况[16]。

如图4所示，在土体与波纹状测锥接触时，土体受挤压变成条状填塞入锥体表面的波纹凹陷处，在拉拔过程中，锥体凸起部位上方与土体发生切向运动，其切向阻力的表达式为[13]：

f=c′*A+σ*tanβ

(1)

式中：f为土体与锥体凸起部位间摩擦力；c′为切向黏附力；A为接触面积；σ为法向压力；β为土体与锥体间的摩擦角。

从上述公式可以看出，凸起部位上部与土体接触面积A和法向压力σ的增加会造成摩擦力f增大，从而使测得的黏附力值增加[15]；因而当波峰高度较小时，波纹凸起上部的面积较小，局部黏附力增加较少，当锥体拔出后，凹陷处土体与外部土体直接脱开，锥体表面并未黏附土块；而当波峰高度较大时，波纹凸起上部的面积较大，局部黏附更强，当锥体脱离土体时，锥面开始出现土块甚至土环。

通过试验发现，在土体含水率较低的情况下，金属表面的波纹状凸起结构对土体黏附力和土体黏附情况有一定的抑制作用，当波纹状凸起程度较大时，反而会加剧土体黏附情况，同时黏附力在增大；而当含水率过大时，波纹状凸起减黏效果消失，凸起程度越大，黏附情况越严重。

3 结 论

通过开展波纹状测锥与土体间的黏附力拉拔试验研究了不同含水率条件下金属表面波纹状凸起程度对黏土情况的影响，结论如下：

1)土体含水率是影响金属与土体间黏附力大小的重要因素，当含水率偏于塑限时，黏附力最大，且黏附力随着含水率的增加逐渐较小，并趋于稳定；

2)波纹状表面在含水率较低和波峰高度较小的情况下可以减小金属与土体间的黏附力和表面黏土情况，而当含水率和波峰高度较高时，往往会增大黏附力并使得黏土情况加剧；

3)波峰高度较小时，黏附的土体会嵌入金属表面的波纹凹陷处，当波峰高度较大时，波纹凹陷处的土体与外部土体黏结强度较高，易在锥体表面形成环状土带。