劉正日，王樹(shù)英,2，王海波，鐘嘉政，瞿同明

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2. 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙，410075；3. 斯旺西大學(xué)辛克維奇工程計(jì)算中心，英國(guó)斯旺西，SA1 8EP)

盾構(gòu)在砂性土地層中施工時(shí)，常采用改良劑提高渣土的塑流性以保證其能夠順利掘進(jìn)，其中，泡沫是最典型的改良劑。砂性土是顆粒性明顯的散體材料，與泡沫混合后形成具有一定塑性的黏聚體[1-4]。泡沫改良砂性土宏觀性質(zhì)的變化是由其細(xì)觀尺度上接觸力學(xué)關(guān)系改變引起的，研究者大多采用能進(jìn)行細(xì)觀尺度分析的離散元數(shù)值模擬方法對(duì)其進(jìn)行研究[5-6]。離散元方法可有效表征砂土孔隙壓力特征[7]，通過(guò)觀察試樣內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可解析砂土受剪破壞時(shí)其剪切帶形成的微觀機(jī)制[8]，能夠較好地應(yīng)用于散體材料模擬，解釋相關(guān)過(guò)程的力學(xué)機(jī)理[9-10]。就泡沫改良砂土而言，加入泡沫后，土體中的細(xì)觀接觸關(guān)系由單一的砂土-砂土顆粒間接觸轉(zhuǎn)變?yōu)樯巴?砂土、砂土-泡沫、泡沫-泡沫這3 種顆粒間接觸共存。為實(shí)現(xiàn)泡沫改良土的精細(xì)化模擬，需選擇合適的本構(gòu)模型及對(duì)應(yīng)細(xì)觀參數(shù)來(lái)反映這3 種接觸關(guān)系。其中，砂土-砂土顆粒間的接觸力學(xué)行為主要是線彈性行為，可選擇線性接觸模型作為其本構(gòu)模型[11]。相對(duì)而言，泡沫-泡沫及砂土-泡沫顆粒間存在一定的黏結(jié)力，因此，需選擇可體現(xiàn)顆粒間黏結(jié)作用的平行黏結(jié)模型[12]。泡沫顆粒的引入使土體中出現(xiàn)黏結(jié)力，從而改變了砂土的塑流特性，因而，合理確定顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度參數(shù)對(duì)模型準(zhǔn)確反映泡沫改良土的真實(shí)特性有至關(guān)重要的作用。

反演法是應(yīng)用最廣泛的參數(shù)確定方法[13]，但此方法需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間[14]。為提高參數(shù)標(biāo)定效率，RACKL 等[15]基于拉丁超立方體抽樣和克里格法提出了一種顆粒材料的標(biāo)定方法，有效減少了離散元細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定時(shí)間。FALKE 等[16]建立了一套僅靠簡(jiǎn)單環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果便可自動(dòng)確定離散元細(xì)觀參數(shù)的程序，所提出的參數(shù)化方法能夠較好地對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)識(shí)別，從而不需對(duì)數(shù)值參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。YE等[17]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了離散元細(xì)觀參數(shù)與顆粒宏觀特性間的非線性關(guān)系，通過(guò)訓(xùn)練后可高效、精確地確定離散元模型參數(shù)。QU等[18]通過(guò)推導(dǎo)顆粒系統(tǒng)宏觀參數(shù)與細(xì)觀參數(shù)間的解析關(guān)系得到模型線性接觸剛度的近似值，再結(jié)合梯度下降算法獲得較可靠的估計(jì)值。CHENG等[19]提出了考慮細(xì)觀參數(shù)耦合作用的標(biāo)定程序來(lái)確定砂土的細(xì)觀參數(shù)。盡管上述方法都可用于標(biāo)定模型細(xì)觀參數(shù)，但其結(jié)果沒(méi)有直接的物理基礎(chǔ)[20]。

當(dāng)前，對(duì)于盾構(gòu)砂性渣土改良，多基于常壓條件下進(jìn)行坍落度試驗(yàn)來(lái)確定盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中渣土改良參數(shù)[21]，本文作者對(duì)常壓條件下泡沫改良土中砂土-泡沫顆粒及泡沫-泡沫顆粒間的黏結(jié)作用進(jìn)行研究?；陬w粒力學(xué)角度，推導(dǎo)顆粒間抗拉強(qiáng)度的理論計(jì)算式，并采用顆粒間抗拉強(qiáng)度測(cè)定裝置探究泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及泡沫顆粒半徑對(duì)泡沫-泡沫及砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，最后，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論公式的可靠性。

1 顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度理論計(jì)算

1.1 泡沫-泡沫顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度解析式

為確定泡沫混合土中顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度這一關(guān)鍵細(xì)觀參數(shù)，對(duì)泡沫-泡沫及砂土-泡沫顆粒間的黏結(jié)破壞過(guò)程進(jìn)行分析，從而推導(dǎo)出顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度的理論解析式。圖1所示為泡沫分離過(guò)程的示意圖及幾何關(guān)系，其中，圖1(a)所示為兩泡沫顆粒分離狀態(tài)，圖1(b)所示為兩泡沫顆粒接觸狀態(tài)，圖1(c)和圖1(d)所示為接觸狀態(tài)下兩泡沫顆粒幾何關(guān)系。

考慮到試驗(yàn)在常溫、常壓條件下進(jìn)行，假設(shè)試驗(yàn)過(guò)程中大氣壓強(qiáng)和溫度保持不變。由于兩泡沫顆粒在接觸及分離過(guò)程中僅接觸界面相融合，接觸面之外泡沫仍保持球形曲面形態(tài)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可知兩泡沫顆粒在接觸融合與分離過(guò)程中其體積保持不變，其相關(guān)幾何參數(shù)為

式中：V1，R1和S1分別為非接觸下單個(gè)泡沫顆粒的體積、半徑及表面積。

根據(jù)圖1(d)幾何關(guān)系可得：

式中：R2為接觸狀態(tài)下泡沫顆粒的半徑；R3為兩顆粒接觸界面半徑；H為接觸狀態(tài)下泡沫顆粒中心至接觸界面的距離。

泡沫-泡沫顆粒分離過(guò)程中單個(gè)泡沫顆粒體積不變，故

接觸泡沫分離后單個(gè)泡沫顆粒增加面積S增為

兩泡沫接觸時(shí)由一層公共界面分隔，當(dāng)兩泡沫分離后,公共界面分離為2 個(gè)單獨(dú)界面，因而，泡沫液膜生成新表面，其所需外界提供的能量E1為

式中：γ為溶液表面張力；S增1為分離后單個(gè)泡沫表面積增量。

由于泡沫顆粒發(fā)生形變后，能恢復(fù)原來(lái)的大小和形狀，可視為彈性體[22]，顆粒間分離過(guò)程中可視其發(fā)生彈性變形，因此，可得兩泡沫顆粒形心發(fā)生位移所需的作用力F1與相對(duì)位移s1的關(guān)系式為

式中：k1為泡沫顆粒變形剛度。

泡沫顆粒分離過(guò)程中外力對(duì)泡沫系統(tǒng)所做的功為

式中：E1為泡沫顆粒分離所需的能量；W位移1為兩泡沫顆粒分離過(guò)程中形心總相對(duì)位移。

根據(jù)能量守恒定理，聯(lián)立式(7)和式(8)可得

則泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度σ1為

式中：F極限1為顆粒間分離力；S界面1為顆粒間接觸界面面積。

1.2 砂土-泡沫顆粒間黏結(jié)鍵強(qiáng)度解析式

砂土-泡沫顆粒間分離過(guò)程與泡沫-泡沫顆粒間的分離過(guò)程類(lèi)似。圖2 所示為單個(gè)砂土-泡沫顆粒在分離過(guò)程中的示意圖。

由于泡沫顆粒在與砂土顆粒接觸及分離過(guò)程中保持完整，且試驗(yàn)過(guò)程中外界壓強(qiáng)及溫度不變，因此，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可假設(shè)泡沫顆粒與砂土顆粒在接觸融合與分離過(guò)程中體積變化忽略不計(jì)。

由于泡沫顆粒與砂土顆粒接觸前后體積不變，故接觸前后泡沫顆粒半徑關(guān)系為

式中：R4為泡沫-砂土顆粒非接觸狀態(tài)泡沫顆粒半徑；R5為接觸狀態(tài)下泡沫顆粒半徑。

砂土和泡沫接觸后，泡沫顆粒呈半球體，因此，接觸泡沫分離后單個(gè)泡沫顆粒增加面積S增2為

當(dāng)砂土-泡沫分離后，泡沫液膜生成新表面，其所需外界提供的能量為

式中：E2為泡沫與砂土顆粒分離所需提供的能量；S增2為分離后泡沫顆粒表面積增量。

泡沫顆粒可視為彈性體，顆粒間分離過(guò)程中可視其發(fā)生彈性變形，因此，可得泡沫與砂土顆粒分離所需的作用力F2與相對(duì)位移s2的關(guān)系式為

式中：k2為顆粒變形剛度。

泡沫與砂土顆粒分離過(guò)程中外力對(duì)系統(tǒng)所做的功為

式中：W位移2為泡沫-砂土顆粒分離過(guò)程中兩顆粒形心的總相對(duì)位移。

根據(jù)能量守恒定理，聯(lián)立式(13)和式(15)可得

則砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度σ2為

式中：F極限2為泡沫-砂土顆粒間分離力；S界面2為泡沫-砂土顆粒間接觸界面面積。

綜上可知，在泡沫改良土的離散元數(shù)值模型中，只需測(cè)得泡沫的表面張力及確定模型中泡沫顆粒粒徑，便可根據(jù)式(10)及(17)確定泡沫-泡沫顆粒及砂土-泡沫顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度。為驗(yàn)證該解析式的可靠性，采用顆粒間抗拉強(qiáng)度測(cè)定裝置測(cè)定泡沫-泡沫顆粒及砂土-泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度，并探究泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及泡沫顆粒半徑對(duì)泡沫-泡沫及泡沫-砂土顆粒間抗拉拔強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

砂土地層盾構(gòu)掘進(jìn)常采用通用型泡沫劑作為改良劑，試驗(yàn)選擇以該類(lèi)型泡沫劑為溶質(zhì)的泡沫溶液作為泡沫發(fā)生試劑，其主要成分為陽(yáng)離子表面活性劑十二烷基三甲基氯化銨、復(fù)配有陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉以及非離子表面活性劑氯代十二烷等，屬于陰陽(yáng)離子復(fù)配型泡沫劑。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

為了測(cè)定泡沫-泡沫、砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度，設(shè)計(jì)顆粒間抗拉強(qiáng)度測(cè)定裝置，如圖3 所示，裝置由精度為0.001 g 的高精度電子秤(a)、升降支架(b)、上部泡沫固定管(c)、下部泡沫(土顆粒)固定管(d)組成。上部泡沫固定管(c)垂直固定于升降支架的伸臂上，可通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕隨伸臂上下運(yùn)動(dòng)；下部泡沫固定管(d)垂直固定于鐵墊片之上并將其整體放置于電子秤中部。

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 顆粒間抗拉強(qiáng)度測(cè)定

泡沫顆粒接觸狀態(tài)及分離狀態(tài)圖片如圖4 所示。測(cè)定泡沫-泡沫、砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度的具體試驗(yàn)步驟如下。

1)配制特定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的泡沫溶液。泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為泡沫劑在泡沫溶液中的質(zhì)量占比。

2)根據(jù)被測(cè)泡沫粒徑選擇合適管徑的泡沫固定管垂直固定于升降支架的伸臂之上，將另一泡沫固定管垂直固定于鐵墊片上，使固定管中心軸與墊片平面保持垂直。然后，將墊片連同固定管放置于電子秤上。試驗(yàn)時(shí)，兩泡沫固定管的豎向中心軸線保持重合。

3)往注射器中吸入與目標(biāo)泡沫顆粒體積相同的氣體，尖端蘸取適量的泡沫溶液，生成具有目標(biāo)體積的泡沫顆粒。將泡沫顆粒導(dǎo)引至上部泡沫固定管下端。當(dāng)測(cè)定泡沫-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度時(shí)，將泡沫顆粒導(dǎo)引至下部泡沫固定管上端；當(dāng)測(cè)定砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度時(shí)，將砂土顆粒置于下部固定管上端。

4)對(duì)電子秤的質(zhì)量讀數(shù)清零，旋轉(zhuǎn)升降支架旋鈕使2個(gè)泡沫(或泡沫與砂土顆粒)相互接觸并在接觸面處融合，之后適當(dāng)旋轉(zhuǎn)旋鈕使電子秤讀數(shù)為0。

5)拍攝記錄泡沫接觸且電子秤讀數(shù)為零時(shí)的圖片，用于后期獲得兩顆粒間接觸面的直徑(圖4(a))。

6)將升降支架勻速緩慢向上運(yùn)動(dòng)，使上部泡沫固定管隨伸臂緩慢升高直至2個(gè)顆粒相互分離并拍照(圖4(b))，電子秤自動(dòng)記錄2 個(gè)泡沫顆粒分離過(guò)程中的峰值讀數(shù)，此即為使泡沫-泡沫(或砂土-泡沫)顆粒分離所需的拉力。

泡沫-泡沫(或砂土-泡沫)顆粒間的抗拉強(qiáng)度σ為兩泡沫顆粒間分離時(shí)所能承受的拉力F極限與顆粒間接觸界面面積S界面的比值，其計(jì)算式為

在顆粒接觸過(guò)程中，假定體積不變而且近似球形。

2.3.2 溶液表面張力測(cè)定

泡沫溶液表面張力采用JZHY-180型表面張力儀測(cè)量(見(jiàn)圖5)，具體測(cè)量步驟為：將鉑金環(huán)裝在吊桿臂上，把被測(cè)溶液倒在玻璃杯中，液面高為20～25 mm，將此玻璃杯放在樣品座A 的中心位置，旋轉(zhuǎn)底端螺母B，玻璃杯便與樣品座A一起上升，使鉑金環(huán)浸入溶液中，且使臂上的指針與鏡片上的紅線重合；旋轉(zhuǎn)蝸輪手柄C 增加鋼絲的扭力，當(dāng)液體表面被鉑金環(huán)拉得很緊時(shí)，指針L始終保持與紅線相重合。繼續(xù)施加這2個(gè)力，直到液體薄膜破裂，刻度盤(pán)上指針的讀數(shù)就是被測(cè)液體的表面張力。

2.4 試驗(yàn)工況

泡沫液膜的性質(zhì)主要由排列在界面的表面活性劑分子決定。當(dāng)泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高時(shí)，分布在液膜界面上的表面活性劑分子數(shù)量隨之增加[23]，使得溶液表面張力相應(yīng)減小。因此，泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化改變了溶液表面張力，進(jìn)而對(duì)泡沫的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較明顯影響。此外，由于試驗(yàn)過(guò)程中存在測(cè)量誤差，當(dāng)泡沫顆粒粒徑較小時(shí)，測(cè)量誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響會(huì)更大。另外，根據(jù)式(10)和式(17)，顆粒間抗拉強(qiáng)度與粒徑之間存在一定聯(lián)系，因此，可在試驗(yàn)中放大顆粒粒徑并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到粒徑與作用力之間的關(guān)系式，從而得到全粒徑范圍內(nèi)顆粒間作用力。試驗(yàn)中，通過(guò)生成不同體積的泡沫顆粒得到對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑，最小泡沫顆粒體積為0.5 cm3，最大泡沫顆粒體積為3 cm3，以0.5 cm3的增量逐次遞增，對(duì)應(yīng)泡沫顆粒半徑范圍為0.49～0.89 cm，并且分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，3%和5%的泡沫溶液進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)每種粒徑工況進(jìn)行5組重復(fù)性試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

為探究泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及泡沫粒徑對(duì)泡沫-泡沫、砂土-泡沫顆粒間作用力的影響，試驗(yàn)工況分別如表1和表2所示。

表1 泡沫-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions of tensile strength between foam and foam particles

表2 砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions of tensile strength between sand and foam particles

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 泡沫-泡沫顆粒間接觸力學(xué)特性

3.1.1 泡沫粒徑對(duì)泡沫顆粒間接觸界面半徑的影響

圖6所示為兩等粒徑泡沫顆粒間接觸面半徑與泡沫顆粒半徑間的關(guān)系，可以得到泡沫顆粒間接觸界面半徑與顆粒半徑間大致呈斜率為0.842的線性關(guān)系。由此可知，兩等粒徑泡沫顆粒在不受外力的條件下接觸，顆粒接觸界面與單個(gè)泡沫顆粒半徑的比值為定值。由此可得兩泡沫顆粒接觸界面半徑僅與泡沫顆粒本身粒徑相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，只需測(cè)得泡沫顆粒的粒徑便可通過(guò)對(duì)應(yīng)關(guān)系得到兩泡沫顆粒相接觸時(shí)的接觸界面半徑。

3.1.2 泡沫粒徑對(duì)泡沫顆粒間分離拉力的影響

圖7所示為泡沫顆粒間分離拉力與顆粒半徑間的關(guān)系曲線。從圖7可知：等粒徑泡沫顆粒間的分離拉力隨泡沫顆粒半徑增加而增加，兩者之間大體上呈線性關(guān)系。根據(jù)泡沫顆粒間接觸面半徑及泡沫顆粒間分離拉力與泡沫粒徑間的關(guān)系曲線(圖6和圖7)，可得泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度與顆粒半徑間的關(guān)系曲線如圖8所示。根據(jù)圖8可知：泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度與泡沫顆粒半徑大體上呈反比例關(guān)系；隨著泡沫顆粒半徑增加，泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度隨之減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是兩泡沫顆粒在接觸界面處融合后，泡沫液膜表面氣-液界面張力轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w本身液-液界面張力，泡沫顆粒間所能承受的拉力絕大部分由沿泡沫顆粒間接觸界面分布的氣-液界面張力承擔(dān)，泡沫顆粒間整體所能承受的主要拉力隨顆粒界面半徑呈一次方的線性關(guān)系增加，而泡沫顆粒間接觸界面面積與界面半徑的二次方呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)泡沫顆粒半徑增加時(shí)，顆粒間界面面積的增長(zhǎng)量為半徑的2 次方，拉力增長(zhǎng)量為半徑的1次方，因此，泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度與顆粒半徑呈反比例關(guān)系。

3.1.3 泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度的影響

圖9所示為泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度與泡沫劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系。從圖9可見(jiàn)：隨泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度有所減小。這是由于泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高可使溶液中表面活性劑分子數(shù)量增加，使得泡沫顆粒氣-液界面間的表面活性劑分子數(shù)量增加，從而有效減小泡沫顆粒氣-液界面間的張力，而泡沫顆粒間所能承受的拉力主要由顆粒氣-液界面間的張力提供，所以，增大泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)使泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度減小。泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表面張力間的關(guān)系如圖10所示。從圖10中不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下泡沫溶液的表面張力曲線可知[23]，初始添加表面活性劑時(shí)，表面活性劑分子分布在溶液表面使其表面張力急劇減小，然而，溶液表面所能填充的表面活性劑分子數(shù)量有限，當(dāng)泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增至5%時(shí)，排布于溶液表面的表面活性劑分子數(shù)量略有增加[24]，因此，溶液表面張力僅較小下降，這與增大泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)后泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度略微減小相符。

此外，泡沫顆粒粒徑越大，泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其抗拉強(qiáng)度的影響越小。這是由于顆粒間的抗拉強(qiáng)度與溶液表面張力成正比，與顆粒間半徑成反比，當(dāng)泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，較小粒徑的泡沫顆粒黏結(jié)強(qiáng)度下降更大。

3.2 砂土-泡沫顆粒間接觸力學(xué)特性

3.2.1 泡沫顆粒粒徑對(duì)砂土-泡沫顆粒間接觸界面半徑的影響

圖11所示為砂土-泡沫顆粒間接觸界面半徑與泡沫顆粒半徑間的關(guān)系。從圖11 可知：隨泡沫顆粒半徑增加，顆粒間接觸界面半徑大致呈線性增加，其斜率約為1.32；當(dāng)泡沫顆粒與砂土顆粒接觸后，泡沫顆粒由于界面力的影響發(fā)生了明顯變形。由于液膜在四周受到相等的氣壓作用，因此，其與空氣接觸的部分保持為球形，使得液膜整體為球體的一部分。考慮到在變形過(guò)程中，泡沫顆粒依然保持完整且外界大氣壓強(qiáng)及環(huán)境溫度不發(fā)生變化，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得泡沫顆粒整體體積不變時(shí)，變形前與變形后泡沫顆粒的粒徑比值為1.26，與試驗(yàn)結(jié)果較接近，表明試驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確。

3.2.2 泡沫顆粒半徑對(duì)砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度的影響

圖12所示為砂土-泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度與泡沫顆粒半徑間的關(guān)系。從圖12 可知：顆粒間抗拉強(qiáng)度隨泡沫顆粒半徑增加而減小，兩者間大體上呈反比例關(guān)系。砂土-泡沫顆粒接觸界面間黏結(jié)力主要由固-液界面張力及邊界處固-液-氣三相界面張力組成，顆粒間受拉時(shí)，泡沫-砂土顆粒間的抗拉強(qiáng)度也由這兩部分提供。當(dāng)泡沫顆粒半徑增加時(shí)，邊界處固-液-氣三相界面張力隨泡沫半徑增加呈線性增大，接觸面面積與顆粒半徑的平方呈正比，固-液-氣三相界面張力對(duì)界面張力的貢獻(xiàn)與泡沫顆粒半徑呈反比例關(guān)系。固-液界面張力對(duì)抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)部分不發(fā)生變化，因此，砂土-泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度隨泡沫顆粒半徑增加而減小，并且當(dāng)半徑增大到一定程度時(shí)，強(qiáng)度受半徑的影響程度逐漸減弱。

3.2.3 泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度的影響

為分析泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，3%和5%這3 種泡沫溶液砂泡間抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示，從圖13 可見(jiàn)：砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度隨泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而略有減小。由于泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加使得固-液界面及邊界處固-液-氣三相界面處表面活性劑分子數(shù)量增加，界面張力隨之減小。而泡沫與砂土顆粒間的抗拉強(qiáng)度主要由界面張力產(chǎn)生，因此，砂土-泡沫顆粒間界面張力隨泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減小。界面張力僅產(chǎn)生于泡沫與砂土顆粒接觸界面的邊界上，其與泡沫顆粒半徑呈線性關(guān)系。隨著泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，界面張力隨之減小，從而造成顆粒間抗拉強(qiáng)度減小。然而，由于抗拉強(qiáng)度與接觸面面積呈反比例關(guān)系，在界面張力減小幅度相同的條件下，泡沫顆粒粒徑越大，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)顆粒間抗拉強(qiáng)度的影響就越小。

4 顆粒間抗拉強(qiáng)度理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證顆粒間抗拉強(qiáng)度解析式是否合理，對(duì)顆粒間抗拉強(qiáng)度的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖14 和圖15 所示分別為泡沫-泡沫和砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度對(duì)比，所用的泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，與前面試驗(yàn)工況相吻合。從圖14和圖15 可見(jiàn)：除個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，顆粒間抗拉強(qiáng)度的理論值與實(shí)測(cè)值隨泡沫顆粒半徑的增大趨勢(shì)一致，且兩者相對(duì)誤差不超過(guò)10%，因此，可以分別采用式(10)和式(17)計(jì)算泡沫-泡沫顆粒間和砂土-泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度。造成兩者差異的原因主要是基于能量守恒原理進(jìn)行顆粒間抗拉強(qiáng)度計(jì)算時(shí)忽略了顆粒分離過(guò)程中的能量損耗，然而，實(shí)際上，顆粒分離過(guò)程中存在能量損失。

5 結(jié)論

1)基于能量守恒原理，推導(dǎo)了泡沫-泡沫及砂土-泡沫顆粒間抗拉強(qiáng)度與泡沫顆粒粒徑及溶液表面張力相關(guān)的理論計(jì)算公式。

2)泡沫-泡沫、砂土-泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度主要受泡沫顆粒半徑及泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，顆粒間的抗拉強(qiáng)度隨泡沫顆粒半徑增加而明顯減?。浑S泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，顆粒間的抗拉強(qiáng)度有所減小。

3)泡沫溶液的表面張力主要受溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響，在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減小。而顆粒間抗拉強(qiáng)度主要受泡沫液膜的表面張力影響，因此，泡沫溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)顆粒間抗拉強(qiáng)度有較明顯影響，增加泡沫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)可有效減小顆粒間抗拉強(qiáng)度。

4)顆粒間抗拉強(qiáng)度的理論值與實(shí)測(cè)值較吻合，采用理論計(jì)算式可較好反映顆粒間的抗拉強(qiáng)度。

5)需說(shuō)明的是，本文試驗(yàn)僅測(cè)定了等粒徑泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度，未考慮不同粒徑顆粒間的抗拉強(qiáng)度特性，結(jié)果有一定局限性，并且在推導(dǎo)抗拉強(qiáng)度理論式時(shí)，忽略了顆粒間化學(xué)鍵等內(nèi)在因素對(duì)分離過(guò)程能量損耗的影響，使理論值與實(shí)測(cè)值存在一定差異。然而，在離散元數(shù)值模型中，受計(jì)算能力限制，常常在簡(jiǎn)化模型中采用等粒徑顆粒表征泡沫，所以，獲得的泡沫-泡沫及砂土-泡沫顆粒間的抗拉強(qiáng)度理論計(jì)算公式可較好應(yīng)用于離散元數(shù)值模型。在已知模型中泡沫顆粒粒徑及對(duì)應(yīng)溶液表面張力時(shí)，通過(guò)理論公式可方便地確定泡沫改良砂性土離散元模型中黏結(jié)鍵強(qiáng)度參數(shù)，且該參數(shù)選取方式有物理依據(jù)，取值結(jié)果較合理，可為建立精細(xì)化泡沫改良砂土離散元數(shù)值模型提供參考依據(jù)。