疏浚耙齿松土机制及土体孔压响应试验

谢立全 ，王喜伟，梁 鑫，刘功勋，洪国军

（1. 同济大学 土木工程学院，上海 200092；2. 中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

1 引 言

现代疏浚工程的快速发展，使得挖掘深度变深、挖掘和吹填土方量变大，可施工区域日趋扩大并逐步远离陆地，挖掘泥土的输送距离也变得更远。这些特点决定挖泥船的疏浚能力和疏浚技术改进需求越来越高。同时，我国漫长海岸线上的主要港口与进港航道的底质复杂多变，经常会遇到密实板结粉土、细沙和硬质黏土的情况，难挖的土质直接影响挖泥船的生产效率和施工进度。例如，在施工黄骅港密实粉细砂和长江口“铁板砂”等难挖掘土类时，国内所用耙头的施工浓度一般都很低，泥浆密度在1.10 t/m3左右[1]，如何提高挖泥船的泥沙挖掘效率是一个亟待解决的问题。

耙吸式挖泥船所用耙头的性能直接影响其施工效率，耙头是耙吸式挖泥船的重要挖泥装备之一，安装在耙吸管最下端。挖泥时耙头紧贴水底泥面作业，在船的拖拽下松土挖泥，再由泥泵将泥水混合物一起吸入泥舱，达到清淤、疏浚及开挖的目的。图1为耙吸式挖泥船“新海凤”的耙头。为了提高耙头的施工效率，尤其是在我国沿海疏浚工程中经常遇到的硬质土施工效率问题，进行耙头模型试验研究是一个必不可少且行之有效的途径。耙头的松土效率直接与其耙齿的安装工艺（单齿形状、齿宽和齿间距等）、切削操作工艺参数（切削角、切削速度和切土深度等）息息相关。对土体切削阻力形成机理的研究是认识、改进耙吸式疏浚技术的关键内容之一。国内外已有一些学者对此进行研究，但主要是从二维切削理论上对饱和土体切削阻力进行计算分析[2－3]。洪国军等[4]通过模型试验的方法，综合考虑耙齿类型、负载、航速、不同位置高压冲水等因素的影响，研究了不同工况下的原型耙齿切削过程，并探讨切削阻力、切削深度、切削宽度等因素之间的关系。

图1 耙吸式挖泥船耙头及耙齿Fig.1 Draghead and teeth for trailing suction hopper dredger

借助中交上海航道勘察设计研究院疏浚技术重点实验室的疏浚实验平台，本次通过专门试验，直观再现疏浚耙齿松土全过程，并全程监测耙齿-土体接触面处的土体孔隙水压力演变过程，分析耙齿松土机制及其饱和土体切削阻力形成机制。

2 测试装置与试验原理

无论是海床土体的劈裂还是动态切削过程中，土体自身发生的变形，其所需外力做功的功率均与土体的应力状态息息相关。土体主应力越大（压为正），则改变土体变形所需的做功就会越大。这里的主应力指的是有效应力σ′，而该有效应力与孔隙水压力u息息相关。根据有效应力原理（见式2），总应力不变时孔隙水压力u越小则其有效应力σ′就越大。

试验研究孔隙水压力的演变过程，有助于找到耙齿运行阻力的内在机制。耙齿在运行中不断切削土体，被切削的土体会发生挤压、剪切等变形，其应力状态会因孔压的改变而改变，并直接决定了耙齿前行阻力的大小。本文试验直接对耙齿-土体接触面处的孔隙水压力进行动态监测见图 2，分析其演变规律。

图2 试验原理示意图Fig.2 Sketch of test principles

试验所用耙齿如图3所示。为疏浚工程中的原型凿型齿，齿面宽约11 cm、长约16 cm。耙齿固定在台车支架上（见图3（a）），耙齿的姿态和运行控制全部通过控制台车进行数字控制（见图4）。根据试验需要，随意设定试验中的耙齿倾斜角度θ、切土深度hc以及耙齿的切土速度V。

图3 原型耙齿及孔压传感器安装Fig.3 The prototype draghead tooth and pore water pressure sensor installation

图4 耙齿运行控制台车Fig.4 The trolley controlling movement of the draghead tooth

控制台车上安装有耙齿运行速度、切削阻力和齿面孔隙水压力采集系统，测力传感器系统是由安装在台车支架前端两侧的测力传感器组成，每个传感器的测量精度为±1 N，测量范围为10～10 000 N；激光传感器系统（见图5）是由激光发射接收器和激光反射板组成，其测量精度为±0.01 m/s，测量范围为 0.1～10.0 m/s。整个饱和土体耙齿切削过程中耙齿控制台车通过自带的精密数据采集系统会自动对整个切削过程中耙齿的切削阻力和 切削速度以每秒5次的数据采集进行实时监测。齿面孔隙水压力采集，是通过安装在耙齿面上的孔隙水压力传感器进行动态采集。为了减少孔压传感器安装对耙齿切削性能的影响，本文试验仅在耙齿中轴线上钻孔2个，安装了距离耙齿尖分别为2、5 cm的孔压传感器（见图3），孔压传感器最大量程为 200 kPa，测量精度为±0.01 kPa。安装孔压传感器的孔洞直径为 8 mm，传感器外表面与耙齿面齐平，可忽略其对耙齿切削工作性能和试验结果的影响。

图5 台车运行速度监测激光传感器系统Fig.5 Laser sensor system monitoring trolley’s movement

3 试验方案

（1）试验海床

本试验用土取自河北省沧州市以东90 km的渤海之滨黄骅港土体，土样粒径级配曲线如图6所示。平均粒径d50=0.078 mm，d10=0.038 mm，d30=0.053 mm，d60=0.099 mm，不均匀系数为2.61＜5，且曲率系数为0.75＞1，为级配不良的粉砂土。

试验中海床的铺设，以其干密度作为控制指标，并从所铺设的土层底部缓慢加水，至少让土体饱和48 h后进行试验。试验海床土体干密度目标值为1.59 g/cm3，相对密度为0.89，渗透系数为2.3×10－4cm/s。试验中的土槽底部铺设有透水层，材料为1～2 cm碎石，且碎石中埋设有供水管路，确保试验海床的均匀饱和效果。

图6 土的粒径级配累积曲线Fig.6 Grading curve of bed soil

（2）试验方案

试验中在耙齿切削角度θ=65°，切削深度hc=4 cm，水面深度h1=4 cm。本文中进行了两种耙齿前行速度条件下的试验：工况 1最大切削速度为0.23 m/s，工况2最大切削速度为0.54 m/s。

4 试验结果

耙齿底端一部分埋入土体中，当从试验土槽一端行进到另一端的时候，耙齿将土体切削、掀起。由于工程疏浚中单次土体切削层厚并不大，但是耙齿最高行进阻力可超过1 t，远超过耙齿前方堆积的土体自重。通过试验可以从孔隙水压力角度去解释其阻力来源。结合试验结果，以下主要对耙齿松土机制和齿面孔隙水压力演变规律进行分析。

4.1 耙齿松土机制分析

试验中对耙齿行进过程进行了高清晰度的录像，再借助视频处理软件，可以分析耙齿的松土机制。图7为饱和土体在耙齿松土过程中的典型破坏现象。从图中可以看出，（1）耙齿能沿程刨松前方土体，并向两侧堆放刨起来的土体；（2）耙齿切削土体的水下过程无法直接看见，一则水被搅浑，再则被土体掩盖；（3）被切削的土体，逐渐露出水面的过程中可以看到其完整性，并没有明显的裂缝；（4）被掀起的土体，几乎是堆积到耙齿上端才出现裂缝，使得土体破坏，可见土体切削过程中的土体破碎并不发生在切削瞬间，但堆积起来的土体一旦出现裂缝，裂缝扩散速度也很快，加速土体破碎。

图7 饱和土体的耙齿松土过程Fig.7 Dynamic loosening process of saturated bed soil

4.2 土体切削过程中的齿面孔隙水压力响应

图8为试验工况1、2的两个位置孔压和耙齿行进速度的时程曲线。工况2的耙齿行进速度要高于工况1，工况1最大速度为0.23 m/s，工况2最大速度达0.54 m/s。从图中可以看出，（1）齿面上的孔隙水压力均在耙齿很小的位移条件下发生骤降，这说明耙齿切削土体过程中出现孔隙水负压力的普遍性；（2）齿面上出现的孔隙水负压力维持在较大的真空度，工况1中的真空度为-0.4个大气压，工况2为-0.6个大气压；（3）离耙齿尖越近，其齿面上的孔隙水真空度则越大，a、b孔竖直方向的距离少于3 cm，两点静水压力差异应少于0.3 kPa，而两种工况下测得的孔隙水压力差异在20 kPa左右，可见其位置差异产生的静水压力差异可以忽略不计。另外，从图8还可以看出，孔隙水压力总体上是随耙齿行进速度增大而增加，但数值大小并不是与速度一一对应，与土体切削破坏的复杂性有关。图8（b）中耙齿行进速度在6 s以后明显降低，但其孔压的负压数值并没有立即改变，而是缓慢回退，且a孔的压力变化要快于b孔。

图8 耙齿切削过程中的齿面孔压演变时程曲线Fig.8 History curves of pore water pressure on tooth-soil interface during continuous moving of draghead tooth

4.3 土体切削阻力形成机制

耙齿切削饱和土的结果分析表明，土体在耙齿切削过程中产生了较大的孔隙水负压力，土体内存在较大的剪胀趋势，土体孔隙因不能及时补充流体（水体流动、内外交换）而产生负孔压，即吸水效应[5]。密实细砂土具有剪胀特性，本次耙齿切削试验，土体剪切破坏速度很快，可以认为是饱和密实细砂土的不排水剪切破坏，剪胀趋势越强，其产生的孔隙水负压力就越强，从而使得耙齿切削阻力成倍增加。耙齿切削过程中，除了理论切削线位置的土体被切削而劈开，还可以看到在耙齿底部位置产生一个倾斜的剪切带[6]，图9为该剪切带的形成机制。位于剪切带的土体，其孔隙率有着明显的增加趋势，正是负孔压形成的内在原因，也是土体切削阻力的重要形成机制。土体被切削后，将沿着耙齿面往上推进，其土中较大的孔隙水负压力会由于土体破裂、外部水渗入、土中水流动等原因而得以降低。因此，可推断距离该剪切带越近的地方，土体剪胀引起的负压力会越大，已在上述试验中得到了证实（见图8）。耙齿在前行过程中其背面会产生类似行船的船尾涡流，形成一定的负压，将加重土中孔隙水负压力。

图9 耙齿切削过程中的剪切带[6]Fig.9 Shear zone responding to soil cutting by draghead teeth [6]

5 结 论

（1）耙齿切削海床土体过程中土体因其快速剪切直至破坏，可以认为是土体的不排水剪切变形过程。

（2）土体在耙齿切削过程中的剪胀趋势，使得耙齿-土体界面上及受到影响范围内的土体内孔隙水压力骤降，甚至出现较大的真空度。

（3）离耙齿尖越近的位置，齿面上的孔隙水真空度越大，可以设想耙齿前方土体最大的孔隙水负压力可能位于耙齿尖，目前试验中尚难监测。

（4）耙齿-土体界面上存在较大的孔隙水负压力，为耙齿松土技术的改进提供了理论支撑，可以进一步研发新技术诸如补水式的耙齿松土技术。

[1] 洪国军, 林风, 王健. 自航耙吸挖泥船耙头模型试验研究[J]. 中国港湾建设, 2008, 28(4): 19－23.HONG Guo-jun, WANG Jian, LIN Feng. Model experiments of draghead on training suction hopper dredger[J]. China Harbour Engineering, 2008, 28(4):19－23.

[2] MIEDEMA S A. The cutting mechanisms of water saturated sand at small and large cutting angels[C]//Proceedings of the International Conference on Coastal Infrastructure Development Challenges in the 21st Century. Hong Kong: [s.n.], 2004: 40－40.

[3] 谢立全, 张佳灵, 秦少华, 等. 饱和密砂切削过程中的孔压发展规律分析[J]. 中国港湾建设, 2011, 31(4): 10－12.XIE Li-quan, ZHANG Jia-ling, QIN Shao-hua, et al.Analysis of pore pressure in the cutting of densely compacted sand under water[J]. China Harbour Engineering, 2011, 31(4): 10－12.

[4] 洪国军, 林风, 王健, 等. 耙齿切削饱和硬质土的试验研究[J]. 水运工程, 2008, 35(8): 98－104.HONG Guo-jun, LIN Feng, WANG Jian, et al. Exper imental study on cutting of satur ated hard compacted soil with draghead teeth[J]. Port & Waterway Engineering,2008, 35(8): 98－104.

[5] 张建民, 时松孝次, 田屋裕司. 饱和砂土液化后的剪切吸水效应[J]. 岩土工程学报, 1999, 21(4): 398－402.ZHANG Jian-min, TOKIMATSU Kohji, TAYA Yuhji.Effect of water absorption in shear of post-liquefaction[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1999,21(4): 398－404.

[6] QIN Shao-hua, XIE Li-quan, HONG Guo-jun, et al.Numerical studies of cutting water saturated sand by discrete element method[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, (256－259): 306－310.