金屬刀具切削黏土?xí)r黏粒含量對界面抗剪強(qiáng)度的影響

劉文彬，桑 偉，董宇軒，張毛林

(1.常州市中達(dá)勘察設(shè)計有限公司，江蘇常州 213000)(2.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210098)

水泥攪拌樁是目前廣泛運用的軟土處理技術(shù)，但是水泥攪拌樁在施工過程中容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。因水泥攪拌樁屬于隱蔽工程，不易監(jiān)控，控制施工質(zhì)量難度較大。目前國內(nèi)的水泥攪拌樁大多采用國產(chǎn)的輕型機(jī)施工，這些機(jī)械的質(zhì)量控制裝置較為簡陋，施工質(zhì)量很大程度上取決于機(jī)組人員的素質(zhì)和責(zé)任心［1］，導(dǎo)致施工質(zhì)量良莠不齊。大量的工程實踐表明，水泥攪拌樁質(zhì)量存在著不少問題，主要表現(xiàn)為:水泥摻量過少，抽芯不成形;水泥與土攪拌不均勻，導(dǎo)致局部水泥含量少或無水泥;樁長達(dá)不到設(shè)計要求或者樁身出現(xiàn)斷樁縮頸現(xiàn)象［2］。其中最主要的問題可以歸納為水泥攪拌樁施工時，黏土黏附在攪拌刀具上，經(jīng)常會形成黏土球，包裹攪拌刀具，嚴(yán)重影響水泥攪拌樁的施工質(zhì)量，導(dǎo)致攪拌樁樁身水泥含量不均勻、局部無水泥，嚴(yán)重的會導(dǎo)致樁身斷裂，這不僅會縮短攪拌樁的使用壽命，而且可能釀成工程事故(如基坑塌陷)，會造成巨大的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失，甚至危害生命安全。不僅如此，許多農(nóng)用機(jī)械和土方機(jī)械也有類似黏土黏附金屬的問題存在。因此，需要對黏性土與攪拌頭刀片之間的受力關(guān)系及其影響因素進(jìn)行探索和研究，以求解決問題。本文以室內(nèi)試驗為手段，從土的黏粒含量影響因素入手，探索黏土與攪拌頭刀片的界面受力規(guī)律。

1 簡化的二維切削

攪拌頭刀片與土之間的受力狀態(tài)是比較復(fù)雜的三維狀態(tài)。荷蘭 TU Delft的 Dr.ir.S.A.Miedema將三維狀態(tài)下的刀片切土情況簡化為二維狀態(tài)，并且建立了刀片切削土體的二維受力數(shù)學(xué)模型(如圖1所示)［3－4］，圖1中 α 為刀片切削角。

圖1 刀片切削土體的二維受力模型［3－4］

切削土體時作用在刀片上的力可以分為以下幾種［3－4］:

1)土作用在刀片上的法向力N2;

2)由N2·tanδ引起的、土與刀片之間的切向摩擦力S2;

3)土和刀片之間切向的黏附力A，這個力的大小為黏性土黏聚力與刀土接觸面積的乘積;

4)作用在刀片上的水壓力W2。

刀片與黏性土之間的切向力為(A+S2)，即切向黏附力與摩擦力之和。大量試驗研究表明，土與結(jié)構(gòu)物之間的接觸面破壞仍遵循摩爾 －庫侖破壞準(zhǔn)則［5］。τ為接觸面抗剪強(qiáng)度，C為接觸面黏聚力，φ為接觸面的內(nèi)摩擦角，σ為法向應(yīng)力，τ=C+σtanφ，S為接觸面面積。根據(jù)Miedema教授的理論有:

則有

即Miedema教授所建立的二維切削模型中，刀片與黏性土之間的切向力滿足摩爾－庫侖強(qiáng)度理論。

因此研究刀片切削土體界面的受力關(guān)系，主要就是研究對比刀片與黏土接觸面的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ。本文的試驗研究也是基于這一點展開。根據(jù)這一理論，本文選擇使用盒式直剪儀來進(jìn)行相關(guān)試驗。

2 直剪試驗的準(zhǔn)備

2.1 試驗儀器

直剪試驗使用的儀器是南京土壤儀器廠生產(chǎn)的DJY－4型四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀。主要部件包括剪切容器、杠桿垂直加荷機(jī)構(gòu)、水平推動座和量力環(huán)等。其他輔助設(shè)備包括百分表、天平、環(huán)刀、削土刀、不透水塑料膜、透水石等。

2.2 試驗用土與金屬的準(zhǔn)備

土樣取回后風(fēng)干，去除雜質(zhì)，風(fēng)干土含水率10.2%，進(jìn)行基本的物理試驗，其基本性質(zhì)見表1，經(jīng)驗證該土為本文試驗所需的黏土。

攪拌頭刀座一般為鑄鋼或鑄鋼焊接組合，刀片及刀齒為耐磨的合金鋼或者錳鋼所制。由于特殊鋼材不易取材或者價格昂貴，故選用與之相近且易于取材的45號鋼用來模擬攪拌頭的刀片。因環(huán)刀直徑為61.8mm，高度為20mm，所以制作鋼塊(即圖2所示的用45號鋼做成的圓柱體)直徑為61mm，高度為10mm，公差要求±0.1mm，表面粗糙度要求控制在3.2以內(nèi)。將鋼塊放入下土盒時，必須盡可能保證鋼塊上表面與剪切盒的剪切面齊平，否則會影響試驗結(jié)果。

表1 土的基本性質(zhì)

圖2 45號鋼制作的模擬刀片(表面粗糙度2.6)

3 試驗方案

選擇黏粒含量為 30.1%、35.2%、41.2%、52.3%的土樣，按干密度1.5g/cm3、含水率30%制成足夠數(shù)量的環(huán)刀樣，以備試驗，試驗步驟同《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn) BG/T 50123－1999》。

4 不同黏粒含量的界面強(qiáng)度試驗

4.1 不同黏粒含量土樣的制備

顆粒分析試驗的原理為不同粒徑的土粒在靜水中沉降速度不同。若土粒的密度相等，懸液溫度是恒定的，由Stocks定律可知土粒沉降速度決定于土粒直徑，粒徑越大的土粒沉降越快。本次試驗按以下步驟提取黏粒［6］:

第1步，準(zhǔn)備塑料水桶若干，水桶高30cm，直徑30cm。每只桶中加入3kg黏土，黏土塊事先敲碎，然后加滿水，此時桶中土水質(zhì)量比約為1∶10。浸泡7d，期間每天充分?jǐn)嚢枰淮危雇令w粒盡量分離。也可以通過加熱煮沸的方式加速土顆粒的分散。

第2步，浸泡至第7天，經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬?，靜置兩晝夜。兩天后，土粒下沉，在水桶底部沉積了高約10cm的土。由于粒徑越大的土粒沉降的速度越快，因此沉積土的上層大多是粒徑較小的土粒。小心吸去上層清水，盡可能避免對水下土的擾動。取出10cm厚土層的上部3cm厚土層，烘干備用，經(jīng)密度計實測該部分土的黏粒含量為52.3%;將剩下7cm厚土也取出，烘干備用，經(jīng)密度計實測該部分土的黏粒含量為30.1%。

第3步，將黏粒含量為52.3%和30.1%的土樣敲碎后按1∶1配合，得黏粒含量為41.2%的土樣。

第4步，將制備好的黏粒含量為 30.1%、41.2%、52.3%的土樣，加上原35.2%黏粒含量的土樣都按含水率30%、干密度1.5g/cm3制成足夠數(shù)量的環(huán)刀樣，以備試驗。

4.2 試驗結(jié)果與分析

在含水率30%、干密度1.5g/cm3的前提下，黏粒含量30.1%的試樣直剪試驗結(jié)果見表2;黏粒含量35.2%的試樣直剪試驗結(jié)果見表3;黏粒含量41.2%的試樣直剪試驗結(jié)果見表4;黏粒含量52.3%的試樣直剪試驗結(jié)果見表5。繪制抗剪強(qiáng)度直線，如圖3所示。界面剪切強(qiáng)度指標(biāo)見表6。

表2 黏粒含量30.1%直剪試驗結(jié)果

表3 黏粒含量35.2%直剪試驗結(jié)果

表4 黏粒含量41.2%直剪試驗結(jié)果

由圖3和表6可知，隨著黏粒含量的增加界面抗剪強(qiáng)度單調(diào)增加。因為含水率較高(30%)，界面的內(nèi)摩擦角都很小，且角度幾乎不變;界面的黏聚力隨著黏粒含量的增加而單調(diào)增加。黏粒具有較大的比表面積和較大的表面能，帶有一定負(fù)電荷，在水溶液中能形成雙電層。因此，黏粒在土顆粒中具有相當(dāng)?shù)幕钚?，黏粒含量增加，黏聚力必定增大?］。

表5 黏粒含量52.3%直剪試驗結(jié)果

圖3 不同黏粒含量的界面抗剪強(qiáng)度直線

表6 不同黏粒含量的界面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

5 結(jié)束語

本文通過試驗?zāi)M金屬刀具切削黏土，得到了黏粒含量對界面抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，對深入理解刀具切削黏土的機(jī)理，并將所得結(jié)論應(yīng)用于工程中，減少黏附、提高切削效率，具有重大意義。

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［5］ 楊麗君，王偉，盧廷浩.樁－土接觸面剪切性質(zhì)室內(nèi)單剪試驗研究［J］.公路，2008(8):209－212.

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