金属刀具切削黏土时黏粒含量对界面抗剪强度的影响

刘文彬，桑 伟，董宇轩，张毛林

(1.常州市中达勘察设计有限公司，江苏常州 213000)(2.河海大学岩土工程研究所，江苏 南京 210098)

水泥搅拌桩是目前广泛运用的软土处理技术，但是水泥搅拌桩在施工过程中容易出现质量问题。因水泥搅拌桩属于隐蔽工程，不易监控，控制施工质量难度较大。目前国内的水泥搅拌桩大多采用国产的轻型机施工，这些机械的质量控制装置较为简陋，施工质量很大程度上取决于机组人员的素质和责任心［1］，导致施工质量良莠不齐。大量的工程实践表明，水泥搅拌桩质量存在着不少问题，主要表现为:水泥掺量过少，抽芯不成形;水泥与土搅拌不均匀，导致局部水泥含量少或无水泥;桩长达不到设计要求或者桩身出现断桩缩颈现象［2］。其中最主要的问题可以归纳为水泥搅拌桩施工时，黏土黏附在搅拌刀具上，经常会形成黏土球，包裹搅拌刀具，严重影响水泥搅拌桩的施工质量，导致搅拌桩桩身水泥含量不均匀、局部无水泥，严重的会导致桩身断裂，这不仅会缩短搅拌桩的使用寿命，而且可能酿成工程事故(如基坑塌陷)，会造成巨大的经济财产损失，甚至危害生命安全。不仅如此，许多农用机械和土方机械也有类似黏土黏附金属的问题存在。因此，需要对黏性土与搅拌头刀片之间的受力关系及其影响因素进行探索和研究，以求解决问题。本文以室内试验为手段，从土的黏粒含量影响因素入手，探索黏土与搅拌头刀片的界面受力规律。

1 简化的二维切削

搅拌头刀片与土之间的受力状态是比较复杂的三维状态。荷兰 TU Delft的 Dr.ir.S.A.Miedema将三维状态下的刀片切土情况简化为二维状态，并且建立了刀片切削土体的二维受力数学模型(如图1所示)［3－4］，图1中 α 为刀片切削角。

图1 刀片切削土体的二维受力模型［3－4］

切削土体时作用在刀片上的力可以分为以下几种［3－4］:

1)土作用在刀片上的法向力N2;

2)由N2·tanδ引起的、土与刀片之间的切向摩擦力S2;

3)土和刀片之间切向的黏附力A，这个力的大小为黏性土黏聚力与刀土接触面积的乘积;

4)作用在刀片上的水压力W2。

刀片与黏性土之间的切向力为(A+S2)，即切向黏附力与摩擦力之和。大量试验研究表明，土与结构物之间的接触面破坏仍遵循摩尔 －库仑破坏准则［5］。τ为接触面抗剪强度，C为接触面黏聚力，φ为接触面的内摩擦角，σ为法向应力，τ=C+σtanφ，S为接触面面积。根据Miedema教授的理论有:

则有

即Miedema教授所建立的二维切削模型中，刀片与黏性土之间的切向力满足摩尔－库仑强度理论。

因此研究刀片切削土体界面的受力关系，主要就是研究对比刀片与黏土接触面的黏聚力C和内摩擦角φ。本文的试验研究也是基于这一点展开。根据这一理论，本文选择使用盒式直剪仪来进行相关试验。

2 直剪试验的准备

2.1 试验仪器

直剪试验使用的仪器是南京土壤仪器厂生产的DJY－4型四联等应变直剪仪。主要部件包括剪切容器、杠杆垂直加荷机构、水平推动座和量力环等。其他辅助设备包括百分表、天平、环刀、削土刀、不透水塑料膜、透水石等。

2.2 试验用土与金属的准备

土样取回后风干，去除杂质，风干土含水率10.2%，进行基本的物理试验，其基本性质见表1，经验证该土为本文试验所需的黏土。

搅拌头刀座一般为铸钢或铸钢焊接组合，刀片及刀齿为耐磨的合金钢或者锰钢所制。由于特殊钢材不易取材或者价格昂贵，故选用与之相近且易于取材的45号钢用来模拟搅拌头的刀片。因环刀直径为61.8mm，高度为20mm，所以制作钢块(即图2所示的用45号钢做成的圆柱体)直径为61mm，高度为10mm，公差要求±0.1mm，表面粗糙度要求控制在3.2以内。将钢块放入下土盒时，必须尽可能保证钢块上表面与剪切盒的剪切面齐平，否则会影响试验结果。

表1 土的基本性质

图2 45号钢制作的模拟刀片(表面粗糙度2.6)

3 试验方案

选择黏粒含量为 30.1%、35.2%、41.2%、52.3%的土样，按干密度1.5g/cm3、含水率30%制成足够数量的环刀样，以备试验，试验步骤同《土工试验方法标准 BG/T 50123－1999》。

4 不同黏粒含量的界面强度试验

4.1 不同黏粒含量土样的制备

颗粒分析试验的原理为不同粒径的土粒在静水中沉降速度不同。若土粒的密度相等，悬液温度是恒定的，由Stocks定律可知土粒沉降速度决定于土粒直径，粒径越大的土粒沉降越快。本次试验按以下步骤提取黏粒［6］:

第1步，准备塑料水桶若干，水桶高30cm，直径30cm。每只桶中加入3kg黏土，黏土块事先敲碎，然后加满水，此时桶中土水质量比约为1∶10。浸泡7d，期间每天充分搅拌一次，使土颗粒尽量分离。也可以通过加热煮沸的方式加速土颗粒的分散。

第2步，浸泡至第7天，经过充分搅拌后，静置两昼夜。两天后，土粒下沉，在水桶底部沉积了高约10cm的土。由于粒径越大的土粒沉降的速度越快，因此沉积土的上层大多是粒径较小的土粒。小心吸去上层清水，尽可能避免对水下土的扰动。取出10cm厚土层的上部3cm厚土层，烘干备用，经密度计实测该部分土的黏粒含量为52.3%;将剩下7cm厚土也取出，烘干备用，经密度计实测该部分土的黏粒含量为30.1%。

第3步，将黏粒含量为52.3%和30.1%的土样敲碎后按1∶1配合，得黏粒含量为41.2%的土样。

第4步，将制备好的黏粒含量为 30.1%、41.2%、52.3%的土样，加上原35.2%黏粒含量的土样都按含水率30%、干密度1.5g/cm3制成足够数量的环刀样，以备试验。

4.2 试验结果与分析

在含水率30%、干密度1.5g/cm3的前提下，黏粒含量30.1%的试样直剪试验结果见表2;黏粒含量35.2%的试样直剪试验结果见表3;黏粒含量41.2%的试样直剪试验结果见表4;黏粒含量52.3%的试样直剪试验结果见表5。绘制抗剪强度直线，如图3所示。界面剪切强度指标见表6。

表2 黏粒含量30.1%直剪试验结果

表3 黏粒含量35.2%直剪试验结果

表4 黏粒含量41.2%直剪试验结果

由图3和表6可知，随着黏粒含量的增加界面抗剪强度单调增加。因为含水率较高(30%)，界面的内摩擦角都很小，且角度几乎不变;界面的黏聚力随着黏粒含量的增加而单调增加。黏粒具有较大的比表面积和较大的表面能，带有一定负电荷，在水溶液中能形成双电层。因此，黏粒在土颗粒中具有相当的活性，黏粒含量增加，黏聚力必定增大［7］。

表5 黏粒含量52.3%直剪试验结果

图3 不同黏粒含量的界面抗剪强度直线

表6 不同黏粒含量的界面抗剪强度指标

5 结束语

本文通过试验模拟金属刀具切削黏土，得到了黏粒含量对界面抗剪强度的影响规律，对深入理解刀具切削黏土的机理，并将所得结论应用于工程中，减少黏附、提高切削效率，具有重大意义。

［1］ 何开胜.水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决方法［J］.岩土力学，2002，23(6):778 －781.

［2］ 李琦.水泥搅拌桩施工的质量控制要点［J］.铁道建筑，2013，72(3):72 －74.

［3］ Miedema S A.Mathematical modeling of the cutting of densely compacted sand under water［C］//Dredging equipment＆ dredging process.Delft:Delft University of Technology，2000:21 －24.

［4］ Miedema SA.New developments of cutting theories with respect to dredging，the cutting of clay［C］//Dredging equipment ＆dredging process.Holland:Delft University of Technology，2000:53－57.

［5］ 杨丽君，王伟，卢廷浩.桩－土接触面剪切性质室内单剪试验研究［J］.公路，2008(8):209－212.

［6］ 冯志超.粘粒含量对淤泥固化效果的影响及其机理研究［D］.南京:河海大学，2006:17－19.

［7］ 殷宗泽，王保田，余湘娟，等.土工原理［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.