河道淤泥氣泡混合土剪切流變特性研究

宋曉立

(凌源市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122500)

我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)水資源豐富，湖泊河流系統(tǒng)較為發(fā)達(dá)，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的河道淤泥[1]。經(jīng)過長(zhǎng)年累月的堆積后，其數(shù)量達(dá)到了峰值，河道淤泥不僅會(huì)影響河流的水質(zhì)，還會(huì)對(duì)排澇、通航等造成影響，因此對(duì)河道淤泥的治理成為近年來巖土工程的研究熱點(diǎn)[2]。在20世紀(jì)40年代，荷蘭的Geuze[3]率先發(fā)起流變性能方面的研究。在隨后的幾十年中，土體流變性能的研究越來越系統(tǒng)，劉學(xué)增[4]等通過理論數(shù)據(jù)進(jìn)行了粉砂質(zhì)泥巖三軸流變?cè)囼?yàn)，并得到了粉質(zhì)泥巖的流變類型受應(yīng)力大小影響的結(jié)果；丁曼等[5]研究了氣泡混合之后輕質(zhì)土的力學(xué)性能，并考察了其在工程領(lǐng)域的適用性；顧然[6]等對(duì)湘南滑層土的值剪流變性質(zhì)進(jìn)行了分析考察，并對(duì)土層的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。本文基于土體的流變性能特性，通過試驗(yàn)研究的方法，對(duì)影響河道淤泥氣泡混合土剪切流變特性的因素進(jìn)行了分析，通過改變混合土的試驗(yàn)配比以及含水量的大小，分析研究混合土剪切流變的特性。通過建立的模型對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，得到最佳的工程施工方案，為工程的實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與實(shí)施

1.1 原料土以及摻料的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)用淤泥土選取大凌河流域淤泥質(zhì)土，其主要物理性質(zhì)見表1原料土物性參考值，由表1可得，淤泥土的塑性指數(shù)較大為粘性土，利用3mm網(wǎng)篩對(duì)河道淤泥土進(jìn)行篩選，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

表1 原料土物性參考值

選用TY型動(dòng)物蛋白復(fù)配型發(fā)泡劑作為試驗(yàn)用發(fā)泡劑，其主要參考指標(biāo)見表2，以自來水作為試驗(yàn)用水，選用PO42.5普通硅酸鹽水泥作為試驗(yàn)用固化劑。

表2 TY型復(fù)配型發(fā)泡劑主要參考指標(biāo)

1.2 河道淤泥氣泡混合土直剪試驗(yàn)

選取含水量ω、水泥摻入比Ac、養(yǎng)護(hù)齡期T、氣泡摻入比Ae以及豎向荷載δ作為影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變量，并根據(jù)變量的性質(zhì)制定各因素合理的配比，試驗(yàn)配比表見表3。

表3 試驗(yàn)配比表

在制作試驗(yàn)?zāi)＞邥r(shí)，選用直徑6.25cm，高3.5cm的環(huán)刀，頂部用硬膠帶纏繞，底部用PVC板密封，模具內(nèi)部涂抹凡士林，以防模具損壞混合土。按表3所示配比稱取水泥、自來水，加入氣泡后用攪拌機(jī)攪拌，將調(diào)好的混合土分兩層加到模具中，每一層的混合土經(jīng)過振搗后放置到養(yǎng)護(hù)室硬化、養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。

試驗(yàn)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對(duì)達(dá)到試驗(yàn)齡期的土樣進(jìn)行剪切，分別選取60kPa、120kPa、240kPa以及300kPa荷載下的水平剪力制作12個(gè)試樣，并由庫侖定律確定土樣的抗剪強(qiáng)度。

1.3 河道淤泥氣泡混合土的直剪流變?cè)囼?yàn)

利用ZLB- 1型三聯(lián)流變直剪儀對(duì)河道淤泥氣泡混合土進(jìn)行剪切流變特性的研究，該儀器的精度由原來的0.02mm提高到了0.001mm，減少了試驗(yàn)帶來的誤差值[7]。試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，對(duì)每級(jí)加載時(shí)間及加荷比進(jìn)行合理的控制，以降低試驗(yàn)周期過長(zhǎng)帶來的弊端。

在對(duì)河道淤泥氣泡混合土進(jìn)行直剪流變?cè)囼?yàn)時(shí)，首先對(duì)達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的混合土土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，確定其剪峰值強(qiáng)度；然后利用三聯(lián)流變直剪儀對(duì)土樣施加不同的豎向荷載；待試樣穩(wěn)定后，采用分級(jí)加載方式施加水平剪應(yīng)力；最后等到剪切流變量小于0.02mm時(shí)，進(jìn)行下一級(jí)荷載，直至剪壞土樣[8]。

2 河道淤泥氣泡混合土的剪切流變特性研究

2.1 河道淤泥氣泡混合土的抗剪強(qiáng)度特性

將60kPa、120kPa、240kPa以及300kPa的荷載分別作用于不同養(yǎng)護(hù)齡期的土樣上，土樣配比為Ac=20%、Ae=3%、ω=120%，分別對(duì)其作剪力應(yīng)變圖，得到如圖1所示不同法向荷載下混合土的剪力應(yīng)變曲線。由圖1可得，養(yǎng)護(hù)齡期的長(zhǎng)短并不影響河道淤泥氣泡混合土剪應(yīng)力的變化規(guī)律，整體都呈上升趨勢(shì)，開始階段緩慢增長(zhǎng)，隨后的快速增長(zhǎng)以及后期的穩(wěn)定不變構(gòu)成了整個(gè)剪切過程的變化。法向荷載力越大，對(duì)土樣造成的損壞程度也越大，相對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力也隨之增大。

圖1 不同法向荷載下混合土的剪力應(yīng)變曲線

2.2 河道淤泥氣泡混合土配比對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)主要從水泥含量、氣泡含量以及含水量三個(gè)方面考察對(duì)河道淤泥氣泡混合土抗剪強(qiáng)度的影響程度[9]。對(duì)氣泡含量進(jìn)行分析檢測(cè)時(shí)，選取水泥含量為20%，含水率為100%，養(yǎng)護(hù)齡期為21d的土樣；檢測(cè)水泥含量時(shí)選取氣泡含量為3%，含水率為100%，養(yǎng)護(hù)齡期為21d的試樣；對(duì)含水量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)選取水泥含量為20%，氣泡含量3%，養(yǎng)護(hù)齡期21d的土樣。分別對(duì)三試樣進(jìn)行檢測(cè)，得到如圖2所示三種不同含量下河道淤泥氣泡混合土的剪應(yīng)力變化曲線。

圖2 三種不同含量下河道淤泥氣泡混合土的剪應(yīng)力變化曲線

由圖2可知，當(dāng)剪應(yīng)力較小時(shí)，剪應(yīng)變受氣泡含量變化的影響并不明顯。當(dāng)剪應(yīng)力增大到一定數(shù)值時(shí)，剪應(yīng)變變化較為明顯，隨著氣泡含量的增大，剪應(yīng)力會(huì)隨之增大，剪應(yīng)變的量也有所提升。這是因?yàn)橥翗芋w內(nèi)的氣孔結(jié)構(gòu)在剪應(yīng)力較小時(shí)，并未被破壞。隨著剪應(yīng)力的增大，氣泡含量的增多，土體內(nèi)氣孔結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，當(dāng)增加到某一數(shù)值時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，土樣內(nèi)部顆粒間的連接被切斷，相互作用降低，所以剪應(yīng)變的量會(huì)隨著氣泡含量的增加而變大。

同樣隨著水泥含量的增加，河道淤泥混合土抗剪強(qiáng)度大小也隨之變大，這是由于水泥作為固化劑，可以將土體內(nèi)部土顆粒緊密聯(lián)系在一起，并且摻雜水泥可對(duì)土體的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，增強(qiáng)了河道淤泥氣泡混合土抵抗外部荷載的能力。而隨著含水量的增加，河道淤泥氣泡混合土的抗剪能力明顯降低，說明水含量的高低嚴(yán)重影響土體土顆粒的水化膜厚度，阻礙了土顆粒之間的相互作用，嚴(yán)重降低了混合土的抗剪強(qiáng)度。

3 河道淤泥氣泡混合土剪切流變模型及適用性分析

3.1 河道淤泥氣泡混合土剪切流變模型的建立及其參數(shù)的確定

利用元件組合模型來分析研究河道淤泥氣泡混合土的流變模型[10]。元件模型由塑性固體、彈性固體以及粘滯液體三種流變?cè)M成，在運(yùn)用元件模型時(shí)，通常會(huì)將這三種元件以不同的方式串聯(lián)或者并聯(lián)進(jìn)行組合，利用形成的不同流變模型對(duì)材料的各種流變特性進(jìn)行分析研究。本文采用七元件非線性黏彈塑性剪切流變模型來分析河道淤泥氣泡混合土的剪切流變特性，當(dāng)作用在土樣上的剪應(yīng)力較小時(shí)，表現(xiàn)出明顯的粘塑彈性特征。作用在試樣上的剪應(yīng)力變大時(shí)，試樣的變形速度明顯增大，受到的力的作用越來越大。流變模型的本構(gòu)方程為：

ε(τ)=

(1)

式中，G—粘彈性剪切模量；η—粘滯性系數(shù)；n—流變指數(shù)；tg—土樣轉(zhuǎn)變時(shí)間。

河道淤泥氣泡混合土加速階段流變曲線如圖3所示。由圖3可知，土樣的流變過程大致可分為三部分，初始剪切流變階段流速變化明顯，穩(wěn)定剪切階段流速變化量較小，加速剪切流變階段，流速變化較大，試驗(yàn)直至試樣被剪壞，顯現(xiàn)出明顯的非線性塑性特征。

圖3 河道淤泥氣泡混合土加速階段流變曲線

對(duì)加速階段曲線進(jìn)行擬合，通過七元件粘彈塑性流變本構(gòu)模型計(jì)算出相關(guān)的變量值，擬合值的大小適中，效果較好，說明七元件粘彈塑性模型能夠合理的描述河道淤泥氣泡混合土流變特性。

3.2 河道淤泥氣泡混合土工程應(yīng)用配比優(yōu)化分析

河道淤泥氣泡混合土的抗剪強(qiáng)度、流變性能以及質(zhì)量等方面受原料摻入量大小的影響較為嚴(yán)重，在實(shí)際工程中，要對(duì)原料的摻入量進(jìn)行嚴(yán)格的把控，選取合適的配比來滿足工程的需要。河道淤泥氣泡混合土流變速率受原料摻量的變化情況見表4，由表4可知，水泥含量的改變對(duì)混合土流變性能的影響最大，水泥含量越大，混合土抗剪強(qiáng)度越大，剪切模量G也隨之變大，而粘滯性系數(shù)η則越來越小。當(dāng)水泥含量超過20%時(shí)，粘滯性系數(shù)的下降速率會(huì)明顯減小，所以，水泥含量最佳配比為20%，更能滿足實(shí)際施工的需要。

表4 河道淤泥氣泡混合土流變速率受原料摻量的變化情況

混合土中摻入氣泡后，其抗剪強(qiáng)度得到有效的提高，隨著摻入量的增加，混合土抗剪強(qiáng)度的下降程度變得越來越小，而通過對(duì)粘滯性系數(shù)η的分析以及對(duì)表中數(shù)據(jù)的理解可知，混合土穩(wěn)定階段的流變速率與η都在持續(xù)不斷的上升。氣泡含量的大小影響著實(shí)際工程的優(yōu)劣，當(dāng)含量為5%時(shí)，混合土的流變特性與抗剪強(qiáng)度都要小于其他兩個(gè)含量，所以選擇1%或者3%的氣泡含量作為最佳的配比。含水量的增加會(huì)顯著降低混合土的抗剪強(qiáng)度，由表中數(shù)據(jù)可知，含水量由80%增大到100%的過程中，混合土的流變速率以及η的變化量較小，而含水量增加到120%的過程中，其變化量有了明顯的提高，流動(dòng)性能較好，含水量為100%時(shí)更加便于施工，可作為最佳的配比。

4 結(jié)論

綜合相關(guān)理論知識(shí)，通過試驗(yàn)的方式，探究了河道淤泥氣泡混合土的剪切流變性能與水泥含量、含水量以及氣泡含量的關(guān)系，得到了以下結(jié)論：

(1)利用直接剪切試驗(yàn)分析了不同荷載下混合土的流變性能，表明河道淤泥氣泡混合土的剪應(yīng)力隨著荷載的變大而增大。水泥摻入量的增多以及氣泡含量的增大，都會(huì)明顯提高混合土的抗剪性能，而含水量的增大會(huì)降低混合土的抗剪能力。

(2)通過分級(jí)加載的方式，對(duì)河道淤泥氣泡混合土的剪切流變特性進(jìn)行研究，并基于七元件粘彈塑性剪切流變的特性建立參數(shù)模型，并對(duì)其參數(shù)分析后可知模型能夠很好地描述河道淤泥氣泡混合土的流變特性。綜合考慮實(shí)際工程的需要，得到最佳的配比，水泥含量為20%，含水量為100%，氣泡含量為3%。

[1] 趙學(xué)義. 基于物理模型試驗(yàn)的河道沖淤變化分析[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017(02): 45- 47.

[2] 任光明, 徐樹峰, 段雪琴, 等. 千枚巖的剪切流變特性研究[J]. 礦物巖石, 2012, 32(04): 1- 6.

[3] 徐輝, 胡斌, 唐輝明, 等. 飽水砂巖的剪切流變特性試驗(yàn)及模型研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(S1): 2775- 2781.

[4] 劉學(xué)增, 蘇京偉, 王曉形. 不同圍巖級(jí)別凝灰熔巖剪切流變特性的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(01): 190- 197.

[5] 丁曼, 于德萬. 團(tuán)山子水庫泥沙淤積分析計(jì)算及防治措施[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2014(04): 34- 37.

[6] 顧然, 顧歡達(dá). 河道淤泥氣泡混合輕質(zhì)土剪切流變特性及模型[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2017, 39(02): 26- 34.

[7] 鄭國(guó)兵, 顏學(xué)軍. 溫嶺市某河道工程水下土方棄置優(yōu)化方案研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2012(03): 60- 61.

[8] 楊圣奇, 徐衛(wèi)亞, 楊松林. 龍灘水電站泥板巖剪切流變力學(xué)特性研究[J]. 巖土力學(xué), 2007(05): 895- 902.

[9] 王曉東, 孫承福. 城市河道生態(tài)清淤技術(shù)探討[J]. 中國(guó)水能及電氣化, 2017(04): 68- 70.

[10] 趙正玲. 河道新型加筋土擋墻護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2012(05): 49- 51.