河道淤泥氣泡混合輕質土剪切流變特性及模型

顧然　顧歡達

摘要：

利用剪切流變試驗對以水泥為固化劑的河道淤泥氣泡混合輕質土的流變特性進行了試驗研究。試驗結果表明，經(jīng)固化處理的河道淤泥氣泡混合輕質土在荷載作用下具有類似于硬粘性土的流變特征。剪切流變可以分為3個階段：在剪應力水平較低時，剪切流變曲線呈衰減穩(wěn)定型；隨著剪應力水平的提高，剪切流變曲線呈非穩(wěn)定的等速型；當剪應力水平增大到一定程度時，剪切流變曲線呈加速型。河道淤泥氣泡混合輕質土的流變性隨著混合輕質土強度的提高而降低。根據(jù)試驗所呈現(xiàn)的剪切流變規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)河道淤泥氣泡混合輕質土的剪切流變符合七元件黏彈塑性剪切流變模型，模型能夠比較好地描述河道淤泥混合輕質土在各種剪應力水平下的衰減、等速以及加速流變過程。

關鍵詞：

河道淤泥；剪切流變；流變特性；剪切流變模型

中圖分類號：TU411

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）02002609

Abstract：

The rheological properties of river sludge mixed with cement and air foam were studied by shear rheological test. The test results showed that under the load the mixed lightweight soil by curing process was similar to the rheological characteristics of hard clay. The soil rheological curve of air foamed soil using river sludge mainly presented three models. When the shear stress level was low， the theological curve appears as attenuation stable； When the shear stress levels continued to increase， the form of the rheological curve was not stable but constant speed type； When the shear stress increased to a certain extent， the rheological curve type was accelerated. With the improvement of the strength of the mixed lightweight soil， the rheological properties of river sludge mixed with cement and air foam is reduced. According to the test， the mixed lightweight soil shear rheological conformed to the sevencomponent viscoelastoplastic shear rheological model. Using the model can reasonably and reliably describe the rheological process include attenuation， velocity and acceleration of the mixed lightweight soil under various shear stress levels.

Keywords：

river sludge； shear rheological； rheological behavior； shear rheological model

中國長江三角洲地區(qū)河流交錯，池湖密布，經(jīng)常年積累，在河道湖泊內產生了大量淤泥。這些長期沉積的淤泥不僅影響了水質，也影響了防洪、排澇、通航等各項功能的正常發(fā)揮。為了解決這些問題，需定期或不定期地對河道湖泊進行清淤，由此導致了大量疏浚淤泥產生。如何合理有效地循環(huán)利用這部分疏浚淤泥是當前環(huán)境巖土工程正在興起和發(fā)展的主要研究方向之一。

河道淤泥土屬于軟粘土范疇，考慮到流變現(xiàn)象廣泛存在于各種土體之中，特別是軟粘土中流變現(xiàn)象更為顯著，隨著時間的增長，土體中的應力和變形將產生不容忽略的變化。因此，有必要對軟粘土流變特性進行研究。孫鈞等[1]介紹了上海地區(qū)幾種典型飽和軟粘土的主要流變特性，并建立了反映流變和應力松弛統(tǒng)一的非線性流變經(jīng)驗本構關系；雷華陽等[2]介紹了在不同豎向載荷以及不同加荷比條件下，濱海地區(qū)軟土剪切流變性狀的結構性效應和影響因素；張先偉等[3]對黃石地區(qū)淤泥質土流變特性進行了研究，并建立了相應的本構方程；Dobrov[4]對剪切流變引起的粘性土質量參數(shù)變化進行了研究；Lei等[5]對自然加速流變條件下軟土的微觀結構進行了分析研究。

目前，參考氣泡混凝土技術，利用河道淤泥含水率高及流動性好的特點，將其作為原料土制成具有流動特征的混合輕質土，是疏浚淤泥一種效果比較好的利用方式。對于混合輕質土，學者們已經(jīng)進行了較多研究，Yajima等[6]對經(jīng)氣泡混合處理后輕質土的物理力學特性進行了研究；Takashi等[7]、Puppala等[8]考察了輕質土在工程領域內的適用性。中國在相關領域的研究開展比較晚，研究的輕質化材料也主要以塑料發(fā)泡顆粒為主，對于氣泡這種較難加入土體的輕質材料研究較少。顧歡達等對于氣泡混合輕質土的制作工藝、物理力學性質及工程應用方面進行了比較深入的研究[914]?；谟行аh(huán)利用河道疏浚淤泥的目的，在顧歡達等對河道淤泥氣泡混合輕質土研究[9，12]的基礎上，對其在不同條件下的剪切流變特性進行了考察研究。

1試驗方法

1.1原料土的性質及土樣制備

試驗原料土取自蘇州某河道淤泥質土，選用5 mm的網(wǎng)篩過篩，剔除淤泥中的大顆粒和其它異物，用攪拌機將其攪拌均勻，通過試驗測得原料土的基本物理性質指標（見表1）。

1.2試驗方法

試驗用的主要儀器有應變控制式ZJ型直剪儀及應力控制式ZLB1型三聯(lián)流變直剪試驗儀。

試驗步驟：1）對土樣進行常規(guī)直剪試驗，確定其直剪峰值強度τs；2）流變試驗采用分級加載方式，每一級水平剪應力τ=τs/n，荷載級數(shù)n選取5～6級，試驗數(shù)據(jù)由人工定時采集。

2試驗結果及分析

2.1不同剪應力條件下剪切流變特性

圖1為在氣泡含量為2%，含水率為110 %，豎向固結應力為100 kPa，養(yǎng)護齡期為28 d，僅改變土樣水泥含量的條件下，分級施加剪應力后得到的剪切流變曲線。

從圖1（a）中的剪切流變曲線可以看出：土樣在豎向固結穩(wěn)定以后，施加各級剪應力的瞬間均會產生較大的瞬時剪切變形；在低剪應力水平作用下，τ≤24.70 kPa時，流變變形隨時間的增長很快趨于穩(wěn)定，變形量很小，流變曲線呈現(xiàn)為衰減型；在中等剪應力水平作用下，24.07 kPa<τ≤49.40 kPa時，流變變形趨于穩(wěn)定所需的時間有所增長，變形量以穩(wěn)定速率增加，流變曲線呈現(xiàn)為等速型；在較高剪應力水平作用下，τ>49.40 kPa時，短時間內，流變變形就會急劇增長，流變曲線呈現(xiàn)為加速型，土樣很快破壞。

為了進一步分析不同剪應力條件下穩(wěn)定階段流變速率與等時流變增量，結合圖1（a）中前4級載荷水平下剪切流變曲線，繪制出圖2、圖3。由于土樣受到荷載作用后，為了抵抗外力，內部土顆粒之間發(fā)生了相對位移。而這些位移一方面使部分顆粒間的連結更為緊密，減小了結構缺陷的尺寸和數(shù)量，對土體起硬化作用；另一方面使部分顆粒間的連結破壞，產生新的結構缺陷，對土體起軟化作用[1]。這兩種作用在土體流變過程中同時進行，結合圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，流變進入穩(wěn)定階段后，當剪應力水平較低時，硬化作用占主導地位，流變速率較小，隨時間發(fā)展很快衰減，等時流變量較少；當剪應力水平較高時，軟化作用很快占主導地位，并且其主導程度隨著剪應力水平的提高不斷增大，土樣的流變速率隨剪應力水越高，增加的越快，與之對應的等時流變量也會有大幅增加。

綜上可知，隨剪應力水平的提高，河道淤泥氣泡混合輕質土產生的流變量也會提高。在工程應用上應該注意，所加載的應力水平應該使土樣的硬化過程占主導地位，否則隨時間的增長，土樣會產生較大的流變，從而對工程結構產生不利的影響。

2.2考慮水泥含量因素對剪切流變性質的影響

圖4、圖5為根據(jù)圖1數(shù)據(jù)提取出來的不同水泥含量條件下等時流變增量曲線及穩(wěn)定階段流變速率曲線。結合圖1、圖4和圖5可以看出：1）在低剪應力水平下，當水泥含量較低時，即Ac≤25%時，等時流變變形較大；而水泥含量較高時，即Ac>25%時，等時流變變形則明顯減小。2）在高剪應力水平下，不論水泥含量的高低，土樣的流變變形都十分顯著。3）同等剪應條件下，水泥含量越高，等時流變變形量越小。4）水泥含量的增大，首先使得土樣流變破壞時所需加載的剪應力有明顯的增大，土樣破壞形式由塑性破壞向脆性破壞轉變，土樣的抗剪能力獲得較大提高；其次，也使得土樣在同等應力條件下，穩(wěn)定流變速率有明顯降低，且減緩了土樣穩(wěn)定流變速率的增長。

由此可見，水泥的摻入，使混合輕質土內部顆粒間的連結更為緊密，結構強度及穩(wěn)定性明顯提高，同時削弱了河道淤泥的高流塑性。從蘇州地區(qū)河道淤泥質土的工程應用角度來看，選用水泥含量為25%左右的混合輕質土最為合適。因為25%含量的混合輕質土與水泥含量為15%的混合輕質土相比，在具備一定流動性的基礎上，具有更高的強度及穩(wěn)定性；而與水泥含量為35%的混合輕質土相比，具有更好的流動性，便于施工，且其延性較好，不容易發(fā)生脆性破壞，這符合工程結構的安全設計要求。對于不同土質條件地區(qū)的淤泥類軟土，最佳水泥摻入量則需要通過試驗進一步驗證。

2.3養(yǎng)護齡期對剪切流變性質的影響

圖6以及圖1（b）為在氣泡含量為2%，含水率為110%，豎向固結應力為100 kPa，水泥含量為25%，僅改變土樣養(yǎng)護齡期條件下，分級施加剪應力后得到的剪切流變曲線。

對比圖1（a）及圖6（a）、（b）3組流變曲線可以看出，隨養(yǎng)護齡期的增長，土樣流變破壞時所需加載的剪應力也相應的增加，但沒有隨水泥的含量增加，抗剪能力增加的那么明顯，特別是當養(yǎng)護齡期T≥28 d樣抗剪能力幾乎不再增強。

為了進一步分析養(yǎng)護齡期對土樣剪切流變性質的影響，根據(jù)圖1（a）及圖6（a）、（b）3組流變曲線及相關試驗數(shù)據(jù)，繪制出不同養(yǎng)護齡期條件下的等時流變增量曲線，如圖7。圖7反映了在剪應力水平和水泥含量相同的情況下，隨著養(yǎng)護齡期的增長，土樣等時流變量有較為明顯減少，流變性能降低。

分析導致這一現(xiàn)象的原因可知，養(yǎng)護齡期的增加，會使得河道淤泥混合輕質土中水泥的水化作用逐漸增強。由于水化作用主要沿固體顆粒表面和顆粒孔隙間進行，所以，顆粒間的孔隙變小，孔隙率降低，抗剪能力及抗變形能力提高，從而混合輕質土的流變性能隨養(yǎng)護齡期增長而降低了。

3剪切流變模型及其參數(shù)的確定

3.1剪切流變模型的選取

對圖1中混合輕質土流變試驗曲線分析可知，土樣在剪應力施加的瞬間均出現(xiàn)瞬時應變，說明流變模型中存在彈性元件；在加載的過程中，土樣的流變變形量還會隨著時間的增長而變大，說明流變模型中存在粘性元件；當剪應力大于某一值時，流變曲線由等速型變?yōu)榧铀傩?，流變變形迅速增大，說明流變模型中還應存在塑性元件。

通過對現(xiàn)有的剪切流變模型對比分析[1518]可知，當施加在土樣上的剪應力小于或等于破壞剪應力時，即τ≤τs時，流變曲線表現(xiàn)出典型的黏彈性特征，此時可選用徐衛(wèi)亞等提出的五元件黏彈性剪切流變模型[19]（如圖8）來進行描述。當施加在土樣上的剪應力大于破壞剪應力時，可進一步選擇七元件黏彈塑性剪切流變模型[20]（如圖11）來描述試驗結果。

3.2五元件黏彈性剪切流變模型識別及參數(shù)計算方法

當土體處在黏彈性階段時，采用包含在七元件模型中的五元件黏彈性剪切流變模型來描述試驗結果，該模型包含3個彈性元件，2個粘性元件，組合結構如圖8所示。

由圖9可以看出，擬合曲線與試驗結果具有較高的擬合度。另外，表3中的R2反映的是擬合度，從其結果看都接近于1，這也說明了擬合效果非常良好。由此可見，五元件黏彈性模型能夠很好的吻合河道淤泥混合輕質土處于黏彈性階段時的流變試驗曲線。從表3中還可以看出，剪切模量G1、G2、G3在同一數(shù)量級上變化，波動比較小，但是沒有明顯的規(guī)律性，造成剪切模量波動的原因還有待進一步研究。表3中粘滯性系數(shù)η1、η2的波動比較大，說明在同一種水泥含量條件下，隨著剪應力水平的提高，土樣的粘滯性系數(shù)明顯增大。

3.4七元件黏彈塑性剪切流變模型的識別

當施加在土樣上的剪應力大于破壞剪應力時，即τ>τs時，土樣變形急劇增加，很快被剪壞，如圖1（a）和圖2。限于篇幅，現(xiàn)選取圖1（a）中的最后一條流變曲線單獨分析，見圖10。由圖10可以看出，土樣的3個流變階段很明顯。初始剪切流變階段AB段，時間很短，流變速率衰減很快；等速剪切流變階段BC段，時間較長，流變速率基本保持不變；加速剪切流變階段CD段，時間較短，流變速率迅速增大，直至試樣發(fā)生破壞，這一階段表現(xiàn)出了明顯的非線性塑性特征。

對于圖10所示的3階段流變曲線而言，需要進行分段處理，處理及計算過程如下：當t≤tg時，可采用五元件黏彈性模型對AC段流變曲線進行擬合，得到G1、G2、G3和η1、η25個流變參數(shù)；再利用五元件黏彈性模型和已獲得的參數(shù)，求出3組t>tg時黏彈性條件下剪應變的理論解，進而計算出理論值與試驗值之間的差值，計算結果見表4；最后，對表4中剪應變理論值與試驗值間的差值及其相對應的時間t進行非線性回歸分析，得到七元件黏彈塑性剪切流變模型的流變參數(shù)η3與n。七元件黏彈塑性剪切流變模型的流變參數(shù)求解匯總見表5。

4結論

1）直剪流變試驗結果表明，河道淤泥混合輕質土的流變曲線主要分為3種模式：當剪應力水平較低時，流變曲線呈衰減穩(wěn)定型；當剪應力水平繼續(xù)增大時，流變曲線呈非穩(wěn)定的等速型；當剪應力增大到一定程度時，流變變形急劇增加，試樣很快就被剪壞，流變曲線呈加速型。

2）剪應力水平的提高，河道淤泥氣泡混合輕質土的等時剪切流變變形量增大。工程應用上要使所加載的應力水平令土樣的硬化過程占主導地位，否則隨時間的增長，土樣會產生較大的流變，從而對工程結構產生不利的影響。

3）隨著水泥含量的提高，在其它同等條件下，土樣的流變變形量明顯減小，流變達到穩(wěn)定所需的時間也大幅減小。說明水泥的摻入使混合輕質土的構強度及穩(wěn)定性明顯提高，同時削弱了作為原料土的河道淤泥的高流塑性。蘇州地區(qū)河道淤泥質土的工程應用方面，選擇水泥含量25%左右的混合輕質土比較合適，其既具備一定流動性，便于施工，又具有更高的強度及穩(wěn)定性，且延性也比較好，有利于工程結構的安全。對于土質條件不同的地區(qū)，最佳水泥摻入量還需進一步研究。

4）養(yǎng)護齡期的增加，使得水泥的水化作用得以充分發(fā)揮，從而河道淤泥混合輕質土抗剪能力及抗變形能力得到提高，導致了混合輕質土的流變性能的降低。綜合流動性、穩(wěn)定性及時效性3方面考慮，28 d的養(yǎng)護齡期更適合工程應用要求。

5）采用了包含五元件黏彈性模型的七元件黏彈塑性剪切流變模型來擬合流變曲線。擬合結果表明該模型能合理可靠地描述河道淤泥混合輕質土在各種剪應力水平下的流變全過程曲線，具有一定的推廣價值。

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（編輯胡英奎）