不同含水率對(duì)海相黏土流變特性和流變參數(shù)的影響

李 偉，劉叔灼,2，單 毅，孫尉翔

不同含水率對(duì)海相黏土流變特性和流變參數(shù)的影響

李 偉1，劉叔灼1,2，單 毅3,4，孫尉翔5

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；3.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 511442；4.帕多瓦大學(xué)地球科學(xué)系，帕多瓦 35122；5.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

【目的】研究不同含水率對(duì)海相黏土流變特性的影響規(guī)律，分析其流變特性的作用機(jī)理?！痉椒ā拷柚笳袷幖羟性囼?yàn)，從儲(chǔ)能/損耗模量、非線性黏彈性、屈服應(yīng)力、塑性黏度等不同角度，研究含水率對(duì)海相黏土流變特性的影響?！窘Y(jié)果】?jī)?chǔ)能模量數(shù)值、損耗模量峰值與含水率敏感性保持一致。利用數(shù)值擬合獲得海相黏土的塑性黏度、屈服應(yīng)力隨含水率的變化規(guī)律。【結(jié)論】海相黏土的非線性黏彈性可通過Lissajous曲線來表征，含水率對(duì)海相黏土流變特性有很大影響，增加含水率可削弱其非線性黏彈性，土樣更易屈服，黏度降低。

流變學(xué)；海相黏土；含水率；非線性黏彈性

全球（不含南極洲）海岸線總長(zhǎng)度為2 259 617.64 km[1]，全球范圍內(nèi)海岸線變遷較為頻繁，目前總體呈增加趨勢(shì)。海相軟土在典型河口三角洲海岸、海域分布廣泛。海岸土受到海浪和潮汐等動(dòng)荷載作用，在海岸線范圍內(nèi)會(huì)引發(fā)海岸滑坡，甚至引發(fā)海岸線侵蝕，海岸線的侵蝕與增長(zhǎng)已成為全世界廣泛關(guān)注的問題之一[2]。

前人通過三軸蠕變?cè)囼?yàn)研究土的蠕變規(guī)律[3-5]。然而海相黏土在海浪和潮汐等外在動(dòng)力驅(qū)逐下，土與波浪形成相互作用，土壤內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)[6]，使用蠕變?cè)囼?yàn)研究土樣的動(dòng)力響應(yīng)不符合海相黏土的應(yīng)用場(chǎng)景，故需選擇一種合適的測(cè)試方法研究海相黏土的動(dòng)力蠕變響應(yīng)。學(xué)者們采用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試材料的流變特性[7-8]，進(jìn)而研究其振蕩流變學(xué)。近年來，一些學(xué)者開始利用流變儀進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)對(duì)土壤的振蕩流變性質(zhì)進(jìn)行研究。沈壽長(zhǎng)[9]利用環(huán)形錐板式流變儀研究泥石流流體的流變特性。胡華[10]通過同軸圓筒旋轉(zhuǎn)流變儀試驗(yàn)分析不同粘粒含量土的流變特性。Markgraf等[11]利用振幅掃描試驗(yàn)研究有機(jī)碳含量對(duì)土壤流變性的影響。Baumgarten等[12]使用平行板式旋轉(zhuǎn)流變儀在振蕩模式下研究不同鹽度河岸土壤的流變特性和參數(shù)影響規(guī)律。因此，使用旋轉(zhuǎn)流變儀來研究海相黏土的流變特性是一種合適的測(cè)試方法。

土壤含水量是工程地質(zhì)中常用的土壤參數(shù)。軟土含水量對(duì)流變特性和流變參數(shù)有很大影響[13]，但研究多集中低于液限的土壤[14-16]，很少涉及高于液限的海相黏土。在土樣高于液限的條件下，研究不同含水量對(duì)海相黏土流變特性和流變參數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)海相黏土的流變學(xué)研究有實(shí)際指導(dǎo)意義。本研究采用大振蕩剪切試驗(yàn)，在大應(yīng)變條件下，探討不同含水量下海相黏土的流變特性，分析其流變特性的作用機(jī)理，以期為研究動(dòng)荷載對(duì)土的流變特性的影響、評(píng)估海岸邊坡穩(wěn)定及河道口安全乃至海底邊坡穩(wěn)定性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試樣制備

對(duì)典型河口三角洲海相黏土的流變特性進(jìn)行研究，需要嚴(yán)格控制試樣的初始條件，同時(shí)避免顆粒尺寸、陽陰離子等其他因素的干擾，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。因此，試驗(yàn)前對(duì)礦物進(jìn)行顆粒級(jí)配和XRD測(cè)試，保證礦物純度滿足試驗(yàn)要求和50在相同水平，且測(cè)試的全過程均采用去離子水。根據(jù)此前調(diào)查和試驗(yàn)[17-18]，制備人工黏土土樣時(shí)，采用石英（Q）、長(zhǎng)石（F）、蒙脫石（M）、高嶺石（K）4種礦物，按照每20 g土樣中礦物的質(zhì)量比（Q∶F∶M∶K= 8∶2∶5∶5）確定土樣Q8F2M5K5的礦物組成。采用激光粒度儀對(duì)組成試樣的4種礦物顆粒測(cè)試顆粒級(jí)配，測(cè)試結(jié)果見圖1。同時(shí)，利用X射線衍射試驗(yàn)、相對(duì)密度試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、比表面積試驗(yàn)分別測(cè)試礦物的純度、相對(duì)密度、液限、比表面積，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1 組成海相黏土的4種礦物顆粒級(jí)配

表1 試驗(yàn)礦物基本參數(shù)和物相分析結(jié)果

為測(cè)試不同含水率對(duì)海相黏土流變特性的影響，人工制備1.0倍、1.25倍、1.5倍、2.0倍液限的土樣。去離子水采用蒸餾法制備，并儲(chǔ)存冷卻備用。在制備土樣前，對(duì)礦物進(jìn)行干燥處理，放入烘箱12 h，設(shè)置溫度為105 ℃。待礦物烘干完畢，采用電子天平稱量設(shè)計(jì)質(zhì)量比的礦物，并將稱量后的礦物放入玻璃容器中以待混合。機(jī)械攪拌5 min，以使礦物混合充分。制備不同含水率的土樣，在玻璃容器中加入設(shè)計(jì)含水率的去離子水，分2次將土樣和去離子水混合均勻，每次機(jī)械攪拌3 min。最后將混合好的模擬土壤密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 大振蕩剪切試驗(yàn)方案

采用TA-Instruments公司（美國(guó)）開發(fā)的應(yīng)變控制流變儀（ARES-RFS）測(cè)試土樣的流變特性，使用的流變儀系統(tǒng)為葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。流變測(cè)試全程采用恒溫器控制溫度在25 ℃。試驗(yàn)順序如下：1）測(cè)試前，設(shè)置儀器的流變測(cè)試參數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的頻率為每10倍記錄5個(gè)點(diǎn)，等待調(diào)節(jié)溫度的時(shí)間為300 s；2）為使樣本處于相同的初始條件，試驗(yàn)裝樣后先靜置10 min；3）設(shè)置大振幅掃描試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描角頻率，即恒定2.5 rad/s（0.4 Hz），施加振幅增加的振動(dòng)剪切應(yīng)變（在1% ～ 100%之間改變施加的剪切應(yīng)變振幅），每個(gè)應(yīng)變幅值循環(huán)10次。大振蕩剪切流變?cè)囼?yàn)及其相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 海相黏土大振蕩剪切流變?cè)囼?yàn)及其相關(guān)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)流變特性的影響

大振蕩剪切流變?cè)囼?yàn)的應(yīng)力和應(yīng)變振幅的關(guān)系式[19]為

土樣的流變特性主要受含水量的影響[20]，不同含水量對(duì)海相黏土流變特性的影響可歸結(jié)于礦物顆粒固體之間的作用。土樣由非黏土礦物（石英、長(zhǎng)石）和黏土礦物（蒙脫石、高嶺土）組成，這些礦物顆粒團(tuán)聚體之間存在空隙，而這些空隙由液態(tài)水進(jìn)行填充。當(dāng)土樣含水率減少時(shí)，固體與固體之間的間距減少，固-固作用增強(qiáng)。在測(cè)試過程中，含水率越低，顆粒之間的接觸增加，土樣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加。因此，含水率越低，儲(chǔ)能模量越高，損耗模量越高，代表耗散能的損耗模量峰值也越高。反之，含水率增加，顆粒之間空隙中液態(tài)水增多，顆粒固體之間的接觸減少，顆粒之間的摩擦作用減弱，使土樣剛度降低。

圖2 儲(chǔ)能模量在0.4 Hz頻率下隨不同含水率土樣的變化

圖3 損耗模量在0.4 Hz頻率下隨不同含水率土樣的變化

圖4 頻率為0.4 Hz的不同液限下土樣的Lissajous曲線

2.2 含水率對(duì)屈服應(yīng)力的影響

圖5 土樣屈服應(yīng)力隨含水率變化曲線

土樣流變特性受其組成成分的有關(guān)排列、顆粒性質(zhì)、固-液相互作用的共同影響[23]。圖6為天然土壤元素的廣義示意[24]，土樣中包含黏土區(qū)域和準(zhǔn)晶體，而黏土區(qū)域是高嶺土顆粒，準(zhǔn)晶體是蒙脫石顆粒。土樣（土水混合物）由黏土區(qū)域、準(zhǔn)晶體、非黏土礦物形成團(tuán)聚體，其孔隙之間則充滿液態(tài)水，在顆粒層間的水分子與顆粒之間配合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這種組成形式，表明層間水的作用之一是增強(qiáng)土樣的抗剪切能力，然而團(tuán)聚體孔隙的液態(tài)水增加會(huì)導(dǎo)致土樣提前屈服。此外，水可以作為潤(rùn)滑劑減少顆粒相互作用，因此隨著含水率增加，土樣更易屈服。

圖6 天然土壤元素的廣義示意

2.3 含水率對(duì)塑性黏度的影響

圖7 土樣塑性黏度隨含水率變化曲線

在線性黏彈性階段，土樣表現(xiàn)出有限的黏彈性[25]。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)試至超過屈服點(diǎn)時(shí)，黏土和水層表現(xiàn)出相反結(jié)果，水層的剪切抗性會(huì)增強(qiáng)[26]，而黏度則以指數(shù)形式在黏土表面下降。當(dāng)含水率增加，顆粒之間距離增加，此時(shí)固-固相互作用表現(xiàn)不明顯，顆粒間摩擦力減少，當(dāng)絮狀結(jié)構(gòu)變得松散時(shí)，黏度下降明顯。此外，隨著含水率增加，顆粒之間的游離水增多，固-液相互作用表現(xiàn)強(qiáng)烈，土樣的流動(dòng)性增加，黏度急劇下降。

3 結(jié)論

通過大振蕩剪切試驗(yàn)，分析不同含水率對(duì)土樣的流變特性、流變參數(shù)影響規(guī)律，并從儲(chǔ)能/損耗模量、非線性黏彈性、屈服應(yīng)力、塑性黏度等不同角度，討論不同含水率對(duì)海相黏土流變特性的影響，得到以下結(jié)論：

2）隨著含水率增加，Lissajous曲線的橢圓形狀越明顯，其非線性黏彈性越不明顯。土樣含水率增加可以削弱其非線性黏彈性。

3）屈服應(yīng)力隨著含水率增加而降低，呈指數(shù)減少。隨著含水率增加，水可以作為潤(rùn)滑劑減少顆粒相互作用，土樣更易屈服。

4）含水率直接影響土樣的塑性黏度。塑性黏度隨著含水率增加而降低，且近似指數(shù)關(guān)系。增加含水率可以減少顆粒固體之間接觸的可能性，固-固作用降低，顆粒之間摩擦作用減弱，土樣黏度急劇下降。

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Effect of Different Moisture Content on Rheological Properties and Rheological Parameters of Marine Clay

LI Wei1, LIU Shu-zhuo1,2, SHAN Yi3,4, SUN Wei-xiang5

（1.,,510641,; 2.,,510641,; 3.,,510006,; 4.,,351225,; 5.,,510641,）

【Objective】To study the effects of different moisture content on the rheological properties of marine clay and analyze the mechanism of its rheological properties.【Method】With the aid of large oscillation shear tests, the effects of moisture content on the rheological properties of marine clay were investigated from the aspects of storage/loss modulus, nonlinear viscoelasticity, yield stress and plastic viscosity.【Result】The storage modulus value and the peak value of loss modulus were consistent with the sensitivity of moisture content.The variation law of plastic viscosity and yield stress with moisture content of marine clay was obtained by numerical fitting.【Conclusion】The nonlinear viscoelasticity of marine clay can be characterized by Lissajous curve.Moisture content has great influence on the rheological characteristics of marine clay, and the increase of moisture content will weaken the nonlinear viscoelasticity of marine clay, making the sample more likely to yield and reducing its viscosities.

rheology; marine clay; moisture content; nonlinear viscoelasticity

P642.1；TU41

A

1673-9159（2022）02-0120-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2022.02.015

2021-10-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52008121，52011530394）；廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2020A1515010713）；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2020M682652）；廣東省青年優(yōu)秀科研人才國(guó)際培養(yǎng)計(jì)劃

李偉（1995―），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橥聊竟こ痰刭|(zhì)。E-mail：1334588213@qq.com

單毅（1989―），男，博士，助理研究員，研究方向?yàn)橥聊竟こ痰刭|(zhì)和軟土動(dòng)力特性。E-mail：yshan@gzhu.edu.cn

李偉，劉叔灼，單毅，等.不同含水率對(duì)海相黏土流變特性和流變參數(shù)的影響[J].廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，42（2）：120-125.