运输机械荷载对土的黏着性特征影响研究

李航 张泽 金豆豆 翟金榜 杨林桢 董添春

摘要：土顆粒与水作用后黏着外部介质的性能称为土的黏着性，这种黏附外部介质能力的强弱，通常用黏着力来衡量。外部介质特征与土壤成分的改变都会使土的黏着性发生改变，其产生的黏着力会导致各种运输机械耗能增加，降低工作效率。为找寻不同外部荷载对黏着力特征影响程度，选取亚黏土、兰州黄土进行黏着力实验，分析在500、750、1 000、1 500 g加载情况下黏着力峰值的分布情况，结合图像电子化处理软件Image-ProPlus与Adobe Photoshop对试验土样微观图像处理计算的结果，得到黏着力与变形量的关联性。结果表明，随着含水率增大，黏着力呈现先上升达到峰值而后下降的变化趋势；随着外荷载增加，黏着力达到峰值所需含水率逐渐下降，且黏着力会随外荷载增大而增大；黏着力增大，接触面分离后产生的变形面积也会增大，可以通过观察变形面积去估算黏着力大小。

关键词：土黏着性；黏着力特征；图像处理；二值化；土壤表面

中图分类号：U421;TU42文献标识码：A文章编号：1006-8023（2023）02-0157-08

Study on the Influence of Transport Machinery Load

on Soil Adhesion Characteristics

LI Hang1，2，3， ZHANG Ze1，2，3*， JIN Doudou4， ZHAI Jinbang5， YANG Linzhen1，2，6， DONG Tianchun7

（1.School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 2. Institute of Cold Regions Science and

Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 3. Collaborative Innovation Center for Environment， Road

Construction and Maintenance in Northeast Permafrost Region （Northeast Forestry University）， Harbin 150040， China; 4.State Key

Laboratory of Frozen Soil Engineering， Northwest Institute of Eco-Environment and Resources， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou

730000， China; 5. School of Traffic and Transportation， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 6.Heilongjiang

Transportation Investment Group Co.， LTD.， Harbin 150001， China; 7.Qinghai-Tibet Railway Company， Xining 810000， China）

Abstract：The performance of soil particles adhering to external media after interaction with water is called soil adhesion， and the strength of this adhesion ability is usually measured by adhesion force. The change of external medium characteristics and soil composition will change the adhesion of soil， which will lead to the increase of energy consumption of various transportation machinery and the decrease of work efficiency. In order to find out the influence degree of different external loads on the adhesion characteristics， the sub-clay and Lanzhou loess were selected for adhesion experiments， and the distribution of the adhesion peak value under the loading conditions of 500， 750， 1 000 and 1 500 g was analyzed. The correlation between adhesion and deformation was obtained by combining the results of microcosmic image processing of test soil samples with Image-ProPlus and Adobe Photoshop. The results showed that with the increase of moisture content， the adhesive force increased firstly， reached the peak value and then decreased. With the increase of external load， the moisture content required to reach the peak of the adhesive force gradually decreased， and the adhesive force increased with the increase of external load. As the adhesive force increased， the deformation area generated by the separation of the contact surface would also increase. The adhesive force can be estimated by observing the deformation area.

Keywords：Soil adhesion; adhesion characteristics; image processing; binarization; soil surface

收稿日期：2022-01-08

基金项目：国家自然科学基金项目（41771078）；国家自然科学基金委员会（NSFC）与 俄罗斯基础研究基金会（RFBR）合作交流项目（42011530083）； 黑龙江省交通投资集团有限公司科研项目（JT-100000-ZC-FW-2021-0129）；青藏集团公司科技研究开发计划（QZ2021-G03）

第一作者简介：李航，硕士研究生。研究方向为寒区工程岩土学。Email： xiaotian@nefu.edu.cn

*通信作者：张泽，博士，教授。研究方向为冻土工程与环境。Email： zez@nefu.edu.cn

引文格式：李航，張泽，金豆豆， 等. 运输机械荷载对土的黏着性特征影响研究 [J]. 森林工程， 2023，39（2）：157-164.

LI H， ZHANG Z， JIN D D， et al. Study on the influence of transport machinery load on soil adhesion characteristics[J]. Forest Engineering， 2023，39（2）：157-164.

0引言

土的黏着性是土的基本物理性质之一，是土黏着（黏附）于其他材料的能力，在分离土体与外部介质时，由黏着性所产生的力，被称为黏着力[1]。对于黏着力的研究主要集中在运输工具与土体之间产生的耗能问题，该问题的解决对于在实际运输过程中，运输机械的减黏脱土及提高运输效益有着重要意义。

在实际运输中，人们通常会将黏着力产生的耗能归因于摩擦系数的作用[2]，在采取振动诱导超润滑（VIS）[3]等措施的过程中，无法解决黏着力所产生的实际影响。由于摩擦力与黏着力的产生条件不同，其影响因素也有区别，摩擦力是2个相互接触挤压的物体，当其发生相对运动或有相对运动趋势时而产生的力，而土壤黏着力是由土壤含水率决定[4]，因此土壤的含水情况可以来解释黏着力与外部介质的关系。Marani等[5]研制横向测量土壤摩擦系数和切向黏着力装置，发现外部介质材料会影响切向黏着力的大小。土壤与外部介质的接触面分为3个阶段：土壤含水率较少时，接触面主要是由摩擦力与分子间的引力作用，称为摩擦阶段；随着含水率增大，土壤与外部介质之间的水分层膨胀，接触后产生水环[6]，导致摩擦系数降低、土壤黏着力增大，接触面黏着力变为主要作用力，这一阶段称为黏着阶段；含水率继续增大使接触面水膜变为自由水存在，土壤高湿度导致黏着力降低，达到润滑阶段，同时这种高含水率情况会导致土壤承载能力变弱，外部介质作用时产生失稳。接触面的粗糙情况及土壤含水率对摩擦力与黏着力都会产生影响，但影响方式不同。含水率变化时水的润滑作用通过改变接触面的粗糙程度去影响摩擦力，而土壤表面水分是产生水膜与水环的必要因素，这一因素对于黏着力的产生及其作用方式起着决定性作用，因此在采取相应措施前，需要对黏着力做进一步的分析。任露泉等[1]对土壤黏附性的内容与其方向性进行阐述，将黏着力分为法向黏着力与切向黏着力，通过改变土质与外部介质特征进行探究，使实际运输中改善与减少黏着力的措施与方法得到进一步改进。

土壤黏着力的影响因素主要包括土壤性质、含水率和外部介质特征[7-10]。Burbaum等[11]通过设计装置，研究了土壤性质对于黏着力的影响，发现了土壤黏着力随土壤渗透性增大而增大。佟金等[12]研究了土壤分形维数对黏着力影响，发现了分形维数越大，土壤黏着力越大。在进行黏着力测定时，Saeed等[5]与Burbaum等[11]分别选用横向测定摩擦力或无法改变外荷载的装置测定黏着力，并没有对试验装置进行统一，考虑到横向装置在测定黏着力时，因土壤的流变性，无法保证土壤表面的平整，Burbaum等[11]所设计的装置可以较好地测定土壤的法向黏着力，但无法更改外部介质加载情况。关于外部介质特征对于黏着力的影响暂时还没有相关的研究，考虑到车辆种类不同，其荷载情况也不同，对于黏着力是否存在影响，若有影响，影响程度如何，同时改变外荷载与含水率对黏着力的影响是否起到促进的效果。

综上所述，本研究针对外部荷载对土的黏着力进行分析，分别选取粉质土与黏质土[13-14]作为研究对象，采用不同重量的外荷载条件，分析其黏着力的变化规律，并对外部荷载脱离后的土样表面形态特征进行分析。期望进一步了解在运输领域中[15]，因黏着力产生耗能的规律及机理，为后续黏着力试验与实际应用提供参考。

1试验样品及试验设计

1.1试验样品

试验样品选取粉质及黏质土样作为研究对象，粉质与黏质土样分别选取黄土与亚黏土作为试验对象。亚黏土来自青藏高原北麓河附近，黄土样品来自兰州市兰山附近。亚黏土液限WL=21.71%，塑限Wp=14.01%，塑性指数IP=14.07；兰州黄土液限WL=23.3%、塑限Wp=13.87%，塑性指数IP=9.43。土样粒度成分测试使用全自动激光粒度分析仪进行测定，其级配曲线如图1所示。

1.2试验装置

为了考虑运输过程中外部荷载对黏着力的影响，准确测定黏着力，本研究黏着力试验装置根据专利《滑轮式土黏着力测试仪ZL 201120445003.8》[16]进行改装。该试验装置克服了横向测量黏着力可能造成土样品发生流变的情况，采用竖直方向进行黏着力的测量。试验装置由3部分组成：Ⅰ.加载与试验部分、Ⅱ.滑轮组部分、Ⅲ.黏着力测定部分。如图2所示。

第1部分采用500 g钢制砝码（5），模拟运输机械的同时方便使用C字形配重（7）进行加载，方便调整外荷载，作用在试验土（6）上方进行黏着力测定实验；第2部分处，滑轮组为3个定滑轮（3）与牵引绳（4）设计而成，作为传导黏着力的主要组成装置，定滑轮（3）轮直径为15 mm，槽宽6 mm，牵引绳（4）选用直径1.2 mm的不锈钢丝制软绳，与定滑轮接触处均匀涂抹润滑油，减少摩擦力对实验的影响；第3部分测定处选用弹珠进行加载，弹珠（1）直径为1 mm，方便控制加载速度，同时考虑到因加载物过重产生黏着力测定误差的情况。

1.3试验内容及试验步骤

分别在外荷载500、750、1 000、1 500 g情况下对2种试验土进行黏着力测定试验，试验土样为底面直径为50 mm、高为40 mm的圆柱体。试验时在每种荷载情况下都改变含水率，当黏着力变化稳定，黏着力特征显现时停止试验。具体试验步骤如下。

1）取适量试验土和水，按照一定比例配成实验土，搅拌均匀后，制成试验土样，放入铝盒，覆盖保鲜膜后静置12 h，保证土壤各处含水量均匀。

2）取样放入实验容器中压实，将外部介质置于试验土上方，待其静置30 s后，向塑料桶内加入弹珠，直至砝码与土样脱离瞬时，停止向桶内加载，读取桶及桶内质量之和，计算黏着力。

3）将试验土取样，放置到鼓风干燥机烘干，温度调节105 ℃，8 h后取出计算土样含水率。

4）根據含水率与黏着力对应关系绘制曲线图，如图3所示。

5）通过图像电子化软件Adobe Photoshop、Image-ProPlus的综合运用对土壤微观图像进行处理计算，点击软件内Count/size选项卡，选定需要测定区域，设定轮廓显示颜色，区域选择完成后，点击count进行计算，软件自动进行计算，计算完成后点击Measure选择需要计算的参数，本研究需计算因黏着力产生的土壤变形面积，选择area，点击View选项卡，将数据导出。如图4所示。

1.4含水率测点选取

为了验证运输过程中外部荷载对于黏着力特征的影响情况。在进行试验过程中，改变含水率时，保持土壤质量与试件尺寸不变的情况下，逐步增大加水量。2种土壤各选用6种不同含水率，共计进行144组试验。

2试验结果分析

试验结果对黏着力特征从土壤、外部介质条件，以及土中含水量情况等方面对于黏着力特征的影响展开描述[17]。本研究主要研究外部荷载对黏着力特征的影响。

由图5可以发现，2种土壤在承受4种不同外部荷载时，首先黏着力随着含水量增大而增大，黏着力达到峰值后，随着含水率进一步增大，黏着力逐渐降低并趋于稳定，各土壤黏着力达到最值所需要含水率不同，兰州黄土大于亚黏土；2种试验土在改变含水率进行试验时，随着外荷载从500 g升至1 500 g，其黏着力最值也呈现上升趋势。

将各组土壤在不同外部荷载作用条件下的黏着力峰值计算平均值后汇总，其结果如图6所示，亚黏土黏着力峰值所需含水率从28.46%下降到18.1%，兰州黄土黏着力峰值含水率从39.65%下降到18.73%。亚黏土变化幅度为9.65%，兰州黄土含水率变化幅度次之，为3.87%。且2种土黏着力峰值随着外荷载增加，黏着力峰值所需含水率都呈现下降趋势，由图6可以得到，2种试验土具有相同规律：外荷载逐渐增大，达到黏着力最值所需含水率呈下降趋势。

3讨论

为了更好得到实际运输状况，探究黏着力最值产生的土壤微观变形[18]，将各土壤在不同外部荷载作用条件下的黏着力最值分离微观图进行汇总，结果如图7所示。图7为按照外荷载500、750、1 000、1 500 g排列的亚黏土与兰州黄土土壤微观图，由图7可以看出，因黏着力作用，土壤表面有不同程度的凹凸情况；随着外荷载增加导致分离时，土壤所需含水率逐渐降低，无法直接得到土壤微观表面因在不同黏着力作用下产生的实际变形大小，因此要对土壤微观图进行图像处理，得到亚黏土与兰州黄土的具体变形情况。

3.1土壤微观特征参数对比分析

通过数码显微镜获得土体微观图像后，为了有效分析图像所表达出的信息，需要对得到的图像进行处理，目前常用于对图像电子化处理的软件有Adobe Photoshop、Image-ProPlus和MATLAB等，因Image-ProPlus与Adobe Photoshop软件操作方便且处理效果较优，在处理图像方面也有广泛的应用。因此本研究选取这2种软件综合运用，进行土壤微观图像处理，并得到微观特征参数[19-23]。

微观图像处理步骤主要有：图像预处理、灰度化、阈值确定（图像二值化）、标尺校正、图像参数提取。

当砝码正常作用土壤上时，接触面积固定，黏着力为固定值，分离时产生的变形面积也固定。但因不同条件下外部荷载与含水率有所调整，外荷载情况、土壤与钢介质接触面的状态不同，产生黏着力的大小也不同，导致分离时产生变形面积大小也有所差异。所以，变形面积的情况就可以直观体现出各情况下黏着力的大小。

变形面积的选取与界定主要是通过阈值确定（图像二值化）来完成，本研究最佳的阈值主要依据Adobe Photoshop自动识别，围绕图像平均灰度经过微调后得到的最佳阈值。因分离产生变形与未产生变形在二值化后的灰度不同，在进行灰度调整后，将图中灰度值小于该值的部分灰度值调整为0，图像中代表外部介质与土壤粉粒分离后产生形状变化的土壤部分，这部分在图像内为白色：灰度值大于该值的部分灰度值调整为255，这部分代表没有因黏着力产生的变形部分，在图像内以黑色表示。

通过标尺校正与图像参数提取，将图像的像素单位转换为长度单位，计算出图中白色部分面积，即因黏着力影响而产生的土壤变形面积。

图7为2种土壤二值化处理前后对比图，在进行参数计算前，已将尺寸进行校正，计算时并未计算尺寸标注区域，所得皆为实际情况下的面积，计算出结果进行汇总，如图8所示。

图8为因黏着力而产生的土壤微观变形面积情况，计算结果保留小数点后两位，在500～1500 g中4种外部荷载作用下，变形面积分别为39.12、51.94、56.14、69.67 mm2；兰州黄土变形面积分别为29.13、36.75、55.78、76.32 mm2。在黏着力测定实验中得出亚黏土单位面积的黏着力最值为0.40、0.50、0.58、0.69 N；兰州黄土黏着力最值为0.30、0.36、0.52、0.75 N。对比黏着力试验测定结果与Image-ProPlus软件计算变形面积，可以看出外荷载与土壤微观变形面积成正比。

对500～1 000 g土壤微观图的计算结果进行分析，由图8可以看出，亚黏土变形量整体大于兰州黄土，超过1 000 g时，黄土变形量逐渐超过亚黏土，土壤微观计算所得数据与试验测定黏着力的特征情况进行比对，可以得到在500～1 500 g外荷载作用时，土壤黏着力的变化与其增量成正比。2种土壤的变形量横向比较，从土壤微观变形量的计算中可以得到与黏着力特征相似的规律。

将所测得黏着力与各变形面积情况进行汇总，如图9所示，由图9可以看出，因外荷载增加，产生的黏着力逐渐增大，当钢介质与土壤分离时，黏着力造成接触面的变形面积会随着黏着力的增加而增加，整体呈上升趋势，因此可以通过外荷载变化与土壤微观变形量进一步判定黏着力特征与情况，在实际运输过程中可考虑通过外荷载与变形情况综合估算黏着力大小。

通过Adobe Photoshop、Image-ProPlus软件对于土壤微观图进行处理与计算，计算结果既可以对黏着力测定的准确性进行比对与测定，同时也可以通过土壤微观所得变形量的计算为实际试验提供技术支撑。

通过图10水环-水膜模型[9]与土壤微观表面综合分析可以得到，土壤对钢砝码的黏着力主要3部分组成：土壤与固体材料之间的分子间力、水环张力、水膜张力[24]，黏着力的主要组成取决于土壤与钢砝码的界面状态。如果土壤和钢砝码之间的界面状态的形式主要是水环，那么土壤黏着力应该由水环吸引；如果主要是水膜的形式，那么土壤黏着力由水膜的吸引力而产生；否则，如果没有形成水环和水膜，则土壤与固体材料之间的分子间力在土壤黏着中占主要地位。由图5可以得到，黏着力达到峰值需要土壤具有一定含水率，也就是说明水环与水膜张力在黏着力达到峰值时起到主导作用。当钢砝码与试验土壤接触后，土壤颗粒与钢砝码之间形成水环，随着含水率增加，部分水环连接形成水膜，两者综合作用产生黏着力[10]。通过试验得到的是单位面积下水环与水膜产生的黏着力，那么说明黏着力会随着钢介质与土壤接触面积的改变而改变，微观上表现为水环与水膜的面积发生变化[25]。也就是说在“黏性”范围内，黏着力大小等于水膜面积和水膜张力的乘积。

4结论

本研究对亚黏土与兰州黄土分别进行不同外荷载试验研究，从土壤微观黏着力产生变形面积与黏着力特征进行对比分析，得到以下结论。

1）从2种土壤分别在外部荷载为500、750、1 000、1 500 g黏着力特征试验中发现，随着含水率逐渐增大，黏着力特征呈现先增大达到黏着力峰值，而后逐渐减小的变化趋势；黏着力整体随外部荷载增加而增加，且黏着力达到最值所需含水率逐渐下降。

2）黏着力的大小由分离后所产生的变形面积来呈现，含水率增大，分离后变形面积因受黏着力影响，其变化规律表现为先增大后减小；外部荷载增大，使土壤表面变形增大，导致钢介质与土壤表面会有更多的接触点，使土壤黏着力增大，变形面积也随之增大，因此可以通过外荷载與变形面积综合分析进一步判定各情况下黏着力的具体情况。

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