含水率對海運鐵礦粉穩定性影響的模型試驗

李 寧 李 晨 王 偉 周 健

1. 上海出入境檢驗檢疫局；2. 同濟大學地下建筑與工程系

0 引言

近年來，我國沿海和公海水域連續發生了多起載運精選礦粉和含水礦產品船舶傾覆事故，造成了較大人員傷亡和巨大財產損失，給水上交通安全監管工作帶來了較大壓力。當前，國際海事組織（IMO）規定精選礦粉的FMP的90%作為其適運水分限。所謂的 FMP ( Flow Moisture Point)，稱為流動水分點，即礦粉發生流態化現象的臨界含水量。國際上對散裝礦粉的研究主要集中在測其FMP的操作方法上,安全委員會制定的《固體散貨安全操作規則》中敘述了三種測FMP的方法，分別為流盤實驗法、軌梭實驗法及針入度實驗法[1]。Gallagher[2]等討論了兩種實驗方法測得FMP的差別及時間因素對FMP的影響，介紹一些影響因素如粒子均勻度、粒徑、相對密度等可能對鐵礦粉的FMP產生影響，但未做詳細討論，仍不能明確哪些因素是影響鐵礦粉FMP的主要因素。國內1996年沈倫田[3]提出了海上安全運輸的問題，主要集中在提醒船主在運輸途中需要注意的；隨后十幾年關于礦粉的討論也只是集中在節約寶貴資源上，對為什么會發生流態化的現象和礦粉發生失穩的機理沒有提及?？偟膩碚f，關于鐵礦粉流態化現象的影響因素及其流態化機理的研究尚處在探索階段，仍需進行深入的基礎性研究。

關于波浪荷載作用下的模擬試驗，國內外學者做過很多相關研究，大都是針對飽和狀態下的試樣。本文側重不同含水率下的鐵礦粉，因而可以參考和借鑒前人的研究成果。如李曉東、劉紅軍等[4]對黃河河口粉質海床土在波浪荷載下的粗化現象。馮秀麗、陳靜等[5]探討波浪荷載作用下的粉土孔壓變化影響海床土體的穩定性，通過室內波浪作用下的粉土孔壓響應模型試驗探討了孔壓與波浪之間的關系。張晨明、董秀竹等[6]采用土工靜力-動力液壓三軸-扭轉多功能剪切儀對海床砂土進行三軸-扭轉耦合剪切試驗，研究了海床砂土在波浪荷載下的變形特征及其對砂土初始密度和固結壓力的依賴性。張民生、劉紅軍[7]利用室內水槽試驗，觀察波浪作用下土體產生的振蕩現象，分析土體內孔隙水壓力的變化及波浪作用后土體強度變化特征，從而研究波浪荷載下黃河口粉土粒徑粗化和“鐵板砂”的形成過程。本文針對鐵礦粉流態化現象進行模型試驗，主要探究含水率這一重要因素對鐵礦粉流態化現象產生的影響，補充了前人對鐵礦粉的研究方法，具有很好的參考價值和實際意義，并為以后關于散裝礦粉的流態化研究奠定基礎。

1 模型試驗系統

模型試驗系統由自行設計的水平單向振動臺和模型箱、動態采集儀、孔隙水壓力計、攝像機組成。

水平單向振動臺主要部分采用曲柄滑塊機構提供振動相應的速度和加速度（曲柄滑塊機構如圖1所示）。

滑塊端的速度與加速度表達式為

圖1 曲柄滑塊機構示意圖

式中：R— 為曲柄長度；

L— 連桿長度；

X— 曲柄軸中心到滑動軸中心的距離；

α—R與水平方向的逆時針夾角；

β—L與水平方向的逆時針夾角；

ω— 轉動的角速度。

試驗中調節振動臺的振幅R，由加速度的公式可以設定一定的水平振動力，利用這一振動力來模擬海上運輸波浪對船舶的水平的動應力。模型箱振動臺以及孔隙水壓力計的實物如圖2和圖3所示 。

圖2 模型箱振動臺

圖3 動態采集儀和孔隙水壓力計

2 試樣制備、試驗方法

試驗前將鐵礦樣全部曬干、稱重，按一定含水率加入水充分攪拌，密封后擱置一天，使其水分充分均勻，然后用鏟子使其自由灑落在模型箱里，同時在模型箱底部放置一環刀。裝樣完成后，取出環刀，稱重，測得其初始干密度。環刀試驗測其試驗前的干密度ρd= 2.445 g/cm3（環刀試驗如表1所示）。

不同含水率試驗時，保持試樣自然沉積的總高度一致，從而使得每次試驗的干密度相同。鐵礦粉裝樣高度為55 cm，孔壓探頭分別埋設在距箱底10 cm、20 cm處。同一深度放置兩個孔壓計以示對比。鐵礦粉的顆粒級配曲線如圖4所示。

振動臺的頻率設定為1 Hz用來模擬波浪荷載作用于鐵礦粉。振動試驗過程中，不同飽和度的鐵礦粉孔隙逐漸減少，非飽和狀態向飽和狀態轉變，因而試驗采用孔隙水壓力計，來近似采集鐵礦樣在不同含水率下，孔壓變化的累積和消散過程。試驗配置的含水率分別為6%（Sr=29%）、8%（Sr=38.7%）、10%（Sr=48.3%）、12%（Sr=58%）、14%（Sr=67.6%），Sr為飽和度。

表1 鐵礦粉環刀試驗

圖4 鐵礦粉的顆粒級配曲線

3 討論與分析

3.1 振動現象分析

圖5為鐵礦粉在低含水率6%和高含水率12%試樣振前與振后的宏觀現象對比圖。可以發現，6%時的試樣振后，表面析出的水不是很明顯，主要呈泥漿狀；而12%的試樣振后表層有大量的水析出，說明在鐵礦粉含水率高時，鐵礦粉的振動響應更為明顯。當含水率低時，排水不是很明顯，會沿著不連續的排水通道排出，并且在水排出中摻雜著粒徑較小的黏粒含量。黏粒含量慢慢沉積在礦粉的表面，形成一層渾濁物，即呈泥漿狀?？梢越忉尀樵嚇訉拥撞渴遣慌潘?，孔隙水壓力只能向表層排出，振動使試樣內部的孔隙水壓力沿深度逐漸增大，下層的試樣不斷地排水固結，上覆土層也會不斷地密實，孔隙比減小，因而孔隙水在壓力差的作用下沿著排水通道相對于骨架向上運動，形成滲流，為細顆粒遷移提供動力。脫離骨架的細顆粒向上遷移并在表層聚集，即試驗中觀察到的渾濁沉積物。當含水率逐漸增大時，在同一振動下，試樣內的排水通道逐漸清晰，沿著排水通道溢出的水也會增多，并且隨著含水率的增大，水排出的時間就越短（如圖6所示），含水率為12%時，礦粉表面有大量的水析出。從這一宏觀現象，可以知道含水率控制的必要性。另外通過試驗的觀察，可以發現，礦粉的排水通道往往在四周最先形成，究其原因，模型箱的四周與鐵礦粉之間為剛性接觸，水更易溢出。同時，通過分析可知，鐵礦粉內的細顆粒含量的總量一定，當一部分的細顆粒隨著排水通道逐漸沉積在表面時，底部和中部的細顆粒含量會逐漸減少，因而在底部鐵礦粉的平均粒徑會增加，即產生粗化現象。

圖5 模型試驗箱示意圖

圖6 6%和12%鐵礦粉振后對比

3.2 孔隙水壓力變化

在水平振動作用下，含水率逐漸增加的過程中，鐵礦粉內的孔隙水壓力發生相應的變化。通過模型箱中埋設的孔隙水壓力傳感器記錄了試樣中孔隙水壓力的變化。試驗共觀測了6%、8%、10%、12%、14%等5組不同含水率下的孔隙水壓力。

圖7為試驗20 cm深處鐵礦樣的孔隙水壓力變化曲線。

可以看出，孔壓不是瞬間上升的，而是緩慢上升的一個過程。即隨著振動次數的增加，表層渾濁沉積物不斷增加，下層的粒徑粗化。大顆粒進行重排直至重新達到穩定結構，排水通道開始逐漸清晰，水則會溢出，表層一定厚度的沉積物也起到孔壓上升的封堵作用，因而孔壓緩慢上升。

通過試驗曲線表明，孔壓上升的峰值隨著含水率的增大而增大，出現峰值的振次則隨著含水率的增大而減小。即低含水率的情況下，要使得試樣達到液化點，需要的振動次數也就越多。

圖7 埋深20 cm的孔壓計的孔壓變化曲線

不同含水率鐵礦粉的孔壓響應是不一樣的。在低含水率6%、8%時，孔壓上升有一個緩和區，即孔壓上升得很慢的區段，這是因為低含水率的鐵礦飽和度較低的緣故。振動開始后，孔隙比開始減小，試樣的密實度增加，隨著振動次數增加，鐵礦粉的孔壓上升速率開始加快，但最大幅值有限，即不會出現明顯的液化現象。隨著含水率的增大，孔壓的上升呈現不同的趨勢，尤其含水率為12%、14%時，孔壓上升基本上沒有轉點，振動開始，孔壓迅速上升，很快達到峰值，通過拍攝，發現振后試樣表面積聚大量的水。當含水率為10%時，其孔壓變化介于8%和12%之間，隨著振動，內部的孔壓會逐漸上升。通過孔壓變化曲線證明：低含水率下，孔壓響應不是很明顯；含水率高，孔壓響應越厲害?？讐阂坏┧查g上升，則水會短時間地積聚，形成大量的析水（實際海運中，一旦出現類似情況，則沒有充分的時間準備排水，極易引發沉船事故），而含水率低，隨著振動，礦粉會出現振密的現象（對于實際的海運則是安全的，可不考慮）。綜合考慮，含水率應控制在10%之下。

圖8為含水率10%時同一深度兩孔壓計的孔壓變化曲線，基本是相似的。

4 結論

本文采用同濟大學土動教研室的模型箱振動臺對鐵礦粉的動力特性進行了室內模型試驗。通過試驗觀察和孔壓采集結果分析，得出如下結論：

（1）通過觀察振后低含水率為6%的鐵礦粉表面出現一層渾濁沉積物，析出的水不是很明顯。當含水率為10%時，隨著振動時間增加，水開始逐漸增加，而含水率12%時則振后表面會析出大量的水，且14%的含水率析出水的時間更短，在模型箱底部鐵礦粉顆粒出現粗化現象。

圖8 同一深度處的孔壓變化曲線

（2）不同含水率下，鐵礦試樣的表現是不一樣的，低含水率在振動過程中，鐵礦粉會越來越安全，不會形成表層水積聚的現象。而高含水率下，鐵礦試樣表面析出大量的水，隨著振動來回擺動，對工程非常不利，極易引起船舶的失穩和沉船事故。

（3）孔壓上升的峰值隨著含水率的增大而增大，出現峰值的振次隨著含水率的增大而減小。即低含水率6%和8%的情況下，振動會出現振密現象，孔壓上升慢，表面不會出現很明顯的水。含水率為12%和14%時，孔壓響應越厲害，上升的幅值較大，表面析出的水積聚多，且所需時間較短，即發生流態化的可能性會增大。含水率為10%，其孔壓響應介于8%和12%之間。綜合考慮，建議出行的鐵礦粉的含水率應遠遠控制在10%之下，這樣對于實際海運是比較安全的。

（4）試驗著重探究了含水率對鐵礦粉海運安全的影響，在實際海運中影響鐵礦粉失穩的因素很多，因而在對鐵礦粉流態化行為的研究上還可以深入。

[1] Mediterranean Shipping Company S A. 79/23/Add 4，Code of Safe Practice for Soild Bulk Cargoes[S]. International Maritime Organization, 2004.

[2] Benjanmin Gallagher, Stephanie Stogsdill, Richard W Stephenson.Influence of Ore Physical Properties on the Transportable Moisture Limit for Barged Materials[R/OL]. （2008-06-20）[2011-06-06].http: //utc.mst.edu/research/r156.html.

[3] 沈倫田.氟石粉安全運輸的探討[J]. 航海技術. 1996(2): 15-16.

[4] 李曉東，劉紅軍，張民生，等. 波浪作用下黃河口粉土海床粗化室內模型試驗研究[J]. 海洋科學, 2009, 33(6), 46-50.

[5] 馮秀麗，陳靜，林霖. 波浪作用下粉土中的孔壓響應及其在粉土海床穩定性評價中的應用[J]. 海洋科學, 2006, 30(3), 1-4.

[6] 張晨明，董秀竹，郭瑩，等. 波浪荷載作用下砂土變形特性的模擬試驗研究[J]. 地質工程與工程振動. 2005, 25(2), 155-159.

[7] 張民生，劉紅軍，李曉東，等. 波浪作用下黃河口粉土液化與“鐵板砂”形成機制的模擬試驗研究[J]. 巖土力學，2009, 30（11）: 3347-3356.