海运散装氟石粉的动三轴试验研究①

王 伟， 贾敏才， 李 宁

(1，2，同济大学地下建筑与工程系，上海200092;3．上海出入境检验检疫局，上海200135)

0 引言

近几年，在我国管辖海域发生了多起散装氟石粉沉船事故，给海上人员生命财产造成了不可挽回的重大损失，因而引起了国内外的注意．当前国际海事组织引入“FMP”(称为流动水分点，Flow Moisture Point)的90%来限定各类散装货物安全运输的适运水分限(Transportable Moisture Limit，TML)．即规定货物实际水分含量大于测得的TML值，将不允许运输．

海运中由于受波浪荷载的冲击，含水分率高的氟石粉表面会大量的析水，从而形成自由液面，即发生了氟石粉流态化现象．当前国际上对氟石粉的研究主要集中在测其FMP的方法上，如海上安全委员会制定的《固体散货安全操作规则》中叙述了测氟石粉 FMP的三种方法[1]．文献[2]讨论了测FMP两种试验方法的差别以及时间因素对FMP的影响，也介绍了一些影响因素如粒子均匀度、粒径、相对密度．关于氟石粉的动力特性试验，国内外则研究的甚少，几乎为空白．但对于一些特殊土和非饱和土的动力特性试验，如室内动三轴试验，国内外学者已做过大量研究．大都基于静力状态下进行试验，文献[3]等对非饱和土的应力－含水率－应变关系进行了试验研究，分析了强度随含水率的变化，以及含水率对非饱和土变形的影响．文献[4]从非饱和土的微观结构入手，探讨了低饱和度非饱和土的抗剪强度理论，分析了土颗粒半径差异、土体平均粒径大小对非饱和土强度的影响．文献[5]研究了饱和度对非饱和土力学性质的影响，表明不同饱和度试样的应力－应变关系和强度是不同的，饱和度对强度的影响起着重要的作用．在非饱和土的动力特性方面，文献[6]等则针对武广客运专线的非饱和红粘土进行了动三轴试验研究，并对成果进行了分析．本文则借鉴前人研究的思想，针对海运中常见的氟石粉，采用动三轴试验设备对不同饱和度下氟石试样的动力特性进行了一系列研究，从而探讨了在海运过程中含水率以及动应力的变化对氟石粉失稳的影响．

1 实验仪器、试样制备与试验方法

本试验的设备主要是同济大学教育部重点实验室的GDS(global digital systems)动三轴仪，它可以实时监测整个实验过程，高速采集并储存数据，如图1所示．

图1 试验用动三轴仪

试验用氟石粉取自上海出入境精矿粉堆场，氟石粉的颗粒级配曲线见图2．采用重塑样，即烘干后，配置成不同含水率，然后对试样进行击实．

图2 试验用氟石的颗粒级配曲线

根据现场实际堆载5m处的氟石粉采样进行干密度测试试验，得到平均干密度为1．77 kN/m3，以此来控制试验中氟石样的干密度，试样直径为39．1mm，高为80mm．根据《土工试验规程》[7]用击实法配制，共分5层击实，根据平均干密度及设计的含水率确定每层土样的重量，每层击实至要求高度后，将表面刨毛，然后再加第二层的试样，如此进行直至击至最后一层．试验完成后取出部分试样复测其含水率，测定的含水率与要求的含水率的差值小于±1%，否则需调整含水率至符合要求为止．

本文结合上海检验检疫局矿粉出入控制的指标，主要从含水率和动应力两方面对氟石粉的动力学性质和强度特性展开研究．由于检疫局测得氟石粉“FMP”的范围为9% －10%，所以本次试验配制氟石粉的含水率分别为 6%(Sr=24．3%)、8%(Sr=32．5%)、10%(Sr=40．6%)、12%(Sr=48．7%)、14%(Sr=56．8%)．考虑到稍大波浪荷载的作用，故施加频率为1Hz的正弦波，按等幅正弦波形式施加．试验中取实际氟石粉堆载5m处的围压约100 kPa，轴压约为150 kPa，整个固结过程是排水的，而振动过程，则关闭排水阀门．

本次试验的标准采用是中华人民共和国水利部发布的《土工试验规程》(SL237－1999)，固结稳定标准:等向固结时，关闭排水阀后5min孔隙水压力不上升;不等向固结时，5min内轴向变形不大于0．005mm．破坏标准:均等固结压力(KC=1)时，采用全幅值应变5%;非均等固结压力(KC＞1)时采用累积应变5%．

2 试验结果与讨论

2．1 循环荷载作用下氟石粉的变形特征分析

图3为氟石在含水率10%时，不同动应力下动应变εd随着振动次数N的变化曲线．其中η为动应力比，即η=σd/2σ3，σd为动应力，σ3为围压．可以看出，氟石的动应变随振动次数的增长而累积增长，不论动应力的大小如何，动应变主要发生在最初的几次振动中，随着振动次数的增加，变形速度逐渐缓慢，应变曲线愈趋平缓．不同动应力时，试样达到累积应变5%时所需的振次不同;随着动应力的增加，振动次数越小，说明试样在动应力大时愈易破坏，动应力愈小时，愈不容易发生破坏．从图中还可以看出，同一含水率、相同振次下，动应变随着动应力的增大而增大．

图3 10%时不同动应力εd～N曲线图

2．2 动孔压分析

考虑到非饱和土中影响其抗剪强度的重要因素－基质吸力，在循环荷载的作用下试样很难达到气液平衡，难以测出．因而引入动孔压来近似反映氟石粉在振动过程中其孔压的变化情况．由于振动时排水阀门紧闭，气体消散不出，所以传感器采集的是水和气共同作用的压力．随着振动时间的积累，水和气慢慢的积聚，由于水不可压缩，所以气体承担了相当部分压力，且会有部分气体溶于水中，所以采集的动孔隙水压上升的值较小．采集动孔隙水力主要体现在不同的含水率下氟石粉内部的宏观响应．动孔压曲线如图4、图5所示．

下面以动应力比η为0．3为例说明在同一动应力比下，不同含水率的动孔压的响应情况．

图4 η=0．3不同含水率下动孔压与振次曲线

从图中可以看出，在同一应力比的条件下，氟石试样在循环振动中动孔压随着含水率的增加而增加，说明含水率的变化对氟石粉的流态化行为有着重要影响．当含水率越高时，其饱和度也就越高，其动孔压上升的速率越快，幅值也越大，即其孔压响应也就越厉害;而含水率低时，动孔压上升的值则较小．单从含水率上对氟石粉破坏上说明，含水率大的试样其振动的响应越为厉害．

另外在同一固结状态(即σ3和KC均相同)下，动应力的大小对氟石粉的破坏也有着重要的影响．下面以含水率为10%为例，阐述动孔隙水气压与循环振次之间随动应力比的不同而不同．

图5 10%时不同动应力动孔压与振次曲线

可以看出:同一含水率下，不同动应力下的氟石试样其动孔压均随着振动次数的增加而增加．在动荷载施加后，前期其动孔压的增长较快，后期，则增长缓慢．动孔压发展速率随着动应力比的增大而提高．由于前述动孔压是有气压力，时程曲线上动孔压上升幅值是很小的，因而不能用孔压上升来判别试样的流态化行为标准．试验中通过试样的轴向累积应变达到5%，认定试样已经发生破坏，判别其失稳的标准为应变控制标准．当氟石样轴向累积应变始终达不到5%，随着循环荷载的振动，氟石样只会越来越密实，不会发生破坏，这对于实际运输是偏安全的，而一旦累积应变达到5%时，则氟石粉已经破坏，此时氟石粉失去抗剪强度，从而会引起失稳，从而形成流态化，这对于工程实际是不利的．

2．3 动强度曲线分析

动剪应力:τd=1/2 σd，η=τd/σ3式中的σd为应变达到5%时对应的轴向动应力值，η为动应力比．不同含水率下氟石试样的动剪应力曲线见图6所示．

图6 不同含水率下氟石粉τd～N曲线

从图中可以看出，氟石试样的动强度在非等压固结条件下与含水率的变化有着非常密切的联系．含水率的改变会使得应力条件相同的氟石试样表现出不同的承受动荷载的能力．在同一振动频率作用下，动强度的变化规律:氟石的动强度随着振动次数的增大而减小，并逐渐趋于稳定值，该稳定值随着含水率的增大而减小．经查文献[8]，黄河三角洲埕北海域中散装矿粉受50年一遇的最大波浪压力在水深4，5，6米处产生的动应力(包括波浪荷载的拍击与船体的摆动)为20－30kPa范围内．从上图看出，当动应力在20－30kPa时:含水率为6% ～8%时，随着振次的增加，氟石样的轴向累积应变始终达不到5%的破坏应变，此时氟石只会越振越密实，因而是属于偏安全的范围．含水率在12%～14%时，随着振次的增加，氟石样会在短时间内迅速达到累积应变5%，达到破坏，试验后通过观察破坏的氟石样表面析出一层水，说明在振动过程中高饱和度的氟石试样越易泌出水，而这对实际的船运是非常不利的，因此控制氟石粉的含水率至关重要．而含水率在10%左右，按照曲线的趋势图，振次约至在5000次以后时，会逐渐接近破坏的可能．因而从实际海运上考虑，氟石粉的含水率应远远控制为10%以下，此时当波浪荷载在20－30kPa的动应力范围内，氟石粉是偏安全的．

3 结论

本文通过室内动三轴试验，研究了海运氟石粉的动力特性．根据试验数据处理和分析，结合船运过程中的现实情况，探讨了含水率以及动应力对船运氟石粉的重要影响，从而结合实际，提出了控制氟石粉海运的含水率限值，同时也为更好的研究氟石粉的流态化机理提供了可靠性的研究基础．试验中得出结论如下:

(1)从εd～N曲线中得出，不论动应力的大小如何，动应变主要发生在最初的几次振动，随着振动次数的增加，变形速度逐渐缓慢，应变曲线愈也趋平缓．

(2)在同一应力比的条件下，氟石试样在循环振动中动孔压随着含水率的增加而增加．含水率越高时，动孔压上升的速率越快，幅值也越大，孔压响应也就越厉害．另外在同一含水率下，动孔压发展速率随着动应力比的增大而提高．本试验的氟石破坏标准采用应变控制标准．

(3)从τd～Nf曲线得出氟石的动强度随着振动次数的增大而减小，并逐渐趋于稳定．氟石试样在一定的动应力的荷载作用下，不同含水率的响应是不同的，含水率在12% ～14%，在短时间内，会达到5%的应变破坏，在6% ～8%时，是属于偏安全的范围，而10%含水率的试样则在振动次数为5000次以后，也可能会发生破坏．当波浪荷载在20－30kPa的范围内时，氟石粉的含水率应远远控制在10%以下，氟石粉是偏安全的．

(4)由于对海运中散装矿粉流态化的研究处于摸索和探究探究阶段，因而本文没有考虑波浪荷载的频率和氟石试样的干密度影响，也没有考虑围压和固结比的影响，因此对于氟石的液化机理仍需进一步的研究，本文也为进一步的研究提供了一定的理论基础和指导．

[1] The Committee on Soil Dynamics of Geotechnical Engineering Division，ASCE．Definition of Terms Related to Liquefaction．J Geotech Engng Div，ASCE，1979，104(GT9):1197－1200．

[2] MSC 79/23/Add．4．Code of Safe Practice for Soild Bulk Cargoes，2004．

[3] 凌华，殷宗泽．非饱和土的应力－含水率－应变关系试验研究[J]．岩土力学．29(3)．2008:651－655．

[4] 贾其军，赵成刚，韩子东．低饱和度非饱和土的抗剪强度理论及其应用[J]．岩土力学．26(4)，2005:580－585．

[5] 孙德安．饱和度对非饱和土力学性质的影响[J]．岩土力学．2009，30(S2):14－16．

[6] 杨国林，黄向京．武广客运专线非饱和红粘土动三轴试验成果及分析[J]．湖南工业大学学报，2007，21(1):16－19．

[7] 南京水利科学研究院．土工试验规程(SL237－1999)[M]．北京:中国水利水电出版社，1999．

[8] 冯秀丽，沈渭铨，杨荣民．现代黄河水下三角洲砂土液化模式[J]．青岛海洋大学学报，1995，25(2):221 －228．

[9] 王汝恒，贾彬，邓安富，等．砂卵石土动力特性的动三轴试验研究[J]．25(2)，2006:4060－4064．

[10] 凌华，殷宗泽．非饱和土强度随含水量的变化[J]．岩石力学与工程学报，2007，25(7):1499－1503．

[11] 杨庆，贺洁，栾茂田．非饱和土红黏土和膨胀土抗剪强度的比较研究[J]．岩土力学，2003，24(1):13－16．

[12] Drumright E E，Nelson J D．The Shear Strength of Unsaturated Tailings Sand[C]．The 1st International Conference on Unsaturated Soils，1995．45－50．

[13] Rohm S A，Vilar O M．Shear Strength of Unsaturated Sandy Soil[C]．The 1st International Conference on Unsaturated Soils，1995．189 －195．