水下回淤物的流變特性研究

寇曉強(qiáng)，李增軍，劉文彬

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461）

0 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。目前，世界各國已將其對海洋的開發(fā)和利用能力作為衡量該國綜合科技實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)[1]。在我國跨海通道因其在提升沿海地區(qū)的陸海通達(dá)度和一體化程度的巨大貢獻(xiàn)而得到了空前的發(fā)展。在港珠澳大橋跨海通道的建設(shè)中發(fā)現(xiàn)，沉管隧道安裝前，受大回淤條件的影響，沉管下放的基槽內(nèi)會產(chǎn)生一定厚度的回淤沉積物[2]，張乃受等[3]針對港珠澳大橋和深中通道回淤物的淤泥特性開展了一系列的試驗(yàn)研究，提出了水下基槽回淤特性的研究思路。同時結(jié)合現(xiàn)有的清淤設(shè)備，確立了沉管隧道碎石基床的清淤新方法[4]。關(guān)于回淤沉積物的形成原因和條件，已取得了較為一致的認(rèn)識[5]，即細(xì)顆粒泥沙懸揚(yáng)后，隨水流運(yùn)移到基槽內(nèi)而落淤。該回淤物具有賓漢體的特性，即在一定壓力作用下會產(chǎn)生黏滯性的流動。由于較厚的回淤物不僅會影響沉管隧道的對接精度，使其無法下沉至設(shè)計(jì)高程，還會使沉管產(chǎn)生較大的不均勻沉降，危害沉管的安全，因此對于基槽底部回淤物的流變特性研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

對于流變特性的研究始于Bingham（1916）[6]，國內(nèi)外學(xué)者不斷努力以后逐漸發(fā)展演變至今（練繼建[7]，白玉川[8]，Tan[9-10]等）。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了多種有關(guān)賓漢體的本構(gòu)關(guān)系模型，其中比較常用的是Herschel-Buckley Model（簡稱H-B模型），其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：τ0為屈服應(yīng)力；η0和η1為流變參數(shù)。

1 流變試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土的特性

回淤物的流變特性與其物理力學(xué)特性密切相關(guān)，而回淤物的宏觀物理力學(xué)形狀與顆粒的大小、礦物成分、生成環(huán)境、沉積時間等諸多因素有關(guān)。

采用深中通道西人工島附近的淤泥回淤物開展回淤物流變性試驗(yàn)，確定回淤物的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。深中通道的淤泥回淤物與含水率的關(guān)系如圖1所示，其顆粒級配曲線如圖2所示。

圖1 土樣含水率與重度關(guān)系曲線Fig.1 The relationship curve of water content w and gravity densityγof soil sample

由圖1可知，淤泥回淤物的重度與含水率之間近似成二次函數(shù)關(guān)系，含水率越大，回淤物的重度越小。

圖2 土樣顆粒級配曲線Fig.2 The particle size distribution curve of soil sample

由圖2可知，深中通道西人工島附近淤泥回淤物的土顆粒主要由粒徑小于0.02 mm的黏土顆粒組成。

根據(jù)含水率不同，將回淤物制備成4種不同重度的試樣進(jìn)行回淤物的流變特性試驗(yàn)（見表1），進(jìn)一步明確回淤物流變特性與重度間的關(guān)系。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Test parameters

1.2 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

試驗(yàn)采用DV-I數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)開展，其由加載裝置和RV轉(zhuǎn)子組成。工作原理是對回淤物試樣施加剪應(yīng)力使轉(zhuǎn)子以一定的速率旋轉(zhuǎn)，根據(jù)轉(zhuǎn)子與試樣接觸面處的力矩平衡關(guān)系，測定試樣的黏度、剪切速率、剪應(yīng)力等數(shù)據(jù)，從而得到剪應(yīng)力-剪切速率關(guān)系曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)分別得到γ=14.6 kN/m3，γ=14.0 kN/m3，γ=13.6 kN/m3和γ=12.5 kN/m3共4組試樣的剪切力和剪切速率之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 4組試樣的試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The test result of 4 samples

由圖3可知，相同剪切速率條件下，淤泥回淤物所受的剪切力大小隨著回淤物重度的減小而不斷減小。每組試樣產(chǎn)生的剪切力-剪切速率曲線均滿足Herschel-Buckley模型（公式1），其應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系曲線可由兩部分組成，如圖4所示。

圖4 H-B模型圖Fig.4 Herschel-Buckley model

圖4中的H-B模型可以剪切力是否達(dá)到回淤物屈服應(yīng)力τ0為標(biāo)準(zhǔn)劃分為AB和BC兩部分。其中γy憶為達(dá)到屈服應(yīng)力對應(yīng)的剪切速率，AB段的斜率為公式（1）中的η0；BC段的斜率為公式（1）中的η1。由4種不同重度回淤物的流變曲線（剪切力-剪切速率曲線）可確定H-B模型的參數(shù)值，如表2所示。

表2 試驗(yàn)確定的H-B模型參數(shù)Table 2 Herschel-Buckley model parameters of the test

3 結(jié)果驗(yàn)證

為了確定上述試驗(yàn)中獲得的表征回淤物流變特性的H-B模型的準(zhǔn)確性，特開展小比尺試驗(yàn)與有限元相結(jié)合的辦法進(jìn)行驗(yàn)證，其主要內(nèi)容包括：1）開展室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)，測定回淤物在壓力作用下的流變特性。2）將表征回淤物流變特性的H-B模型本構(gòu)模型導(dǎo)入ABAQU有限元模型中，運(yùn)用CEL方法對小比尺試驗(yàn)進(jìn)行模擬。3）將小比尺試驗(yàn)結(jié)果同有限元結(jié)果進(jìn)行對比，確定表征回淤物特性的H-B模型的準(zhǔn)確性。

3.1 小比尺模型試驗(yàn)

室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)在1 m伊1 m伊0.8 m的試驗(yàn)槽中開展（如圖5所示），試驗(yàn)槽由標(biāo)有刻度的鋼化玻璃構(gòu)成。試驗(yàn)前，底部先鋪設(shè)粒徑5~10 mm的碎石，上部鋪設(shè)10 cm的淤泥回淤物，回淤物重度為12.4 kN/m3，采用鋼化玻璃板模擬上部沉箱的加載作用，荷載大小為0.5 kPa。

圖5 小比尺驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.5 Small-scale verification test

試驗(yàn)過程中，測量鋼化玻璃沉入泥漿底部的時間及泥漿液面的抬升高度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋼化玻璃板在1 s內(nèi)順利下沉到漿液底部。

3.2 小比尺試驗(yàn)的仿真模擬

基于上述建立的回淤物H-B流變模型，運(yùn)用CEL方法對小比尺模型試驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果如圖6所示，為了更好地展示鋼化玻璃板的下沉過程，圖中展示了一半模型。其中，深色為鋼化玻璃板，淺色為淤泥。

圖6 有限元計(jì)算結(jié)果Fig.6 The results of finite element method

由圖6可知，鋼化玻璃板在0.4 s內(nèi)穿透并到達(dá)基床表面，與試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)的結(jié)果一致。由此可知試驗(yàn)建立的H-B模型是可靠的。

4 結(jié)語

本文以深中通道的淤泥回淤物為研究對象，開展室內(nèi)回淤物的流變特性試驗(yàn)，建立了H-B流變模型，并通過室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)和有限元仿真技術(shù)，對該本構(gòu)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論如下：

1）深中通道的淤泥回淤物在壓力作用下，剪切力-剪切速率曲線均滿足Herschel-Buckley模型。且在相同剪切速率條件下，淤泥回淤物所受的剪切力大小隨著回淤物重度的減小而不斷減小。

2）根據(jù)小比尺模型試驗(yàn)結(jié)果可知，重度12.4 kN/m3的淤泥回淤物，在0.5 kPa荷載作用下，1 s內(nèi)可順利沉到基槽底部。

3）運(yùn)用H-B流變模型，并結(jié)合CEL方法可模擬重度12.4 kN/m3的淤泥回淤物在壓力作用下的擠壓清除特性，其模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。