河道淤泥氣泡混合土剪切流變特性研究

宋曉立

(凌源市凌河保護區管理局，遼寧 朝陽 122500)

我國內陸地區水資源豐富，湖泊河流系統較為發達，每年都會產生大量的河道淤泥[1]。經過長年累月的堆積后，其數量達到了峰值，河道淤泥不僅會影響河流的水質，還會對排澇、通航等造成影響，因此對河道淤泥的治理成為近年來巖土工程的研究熱點[2]。在20世紀40年代，荷蘭的Geuze[3]率先發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，劉學增[4]等通過理論數據進行了粉砂質泥巖三軸流變試驗，并得到了粉質泥巖的流變類型受應力大小影響的結果；丁曼等[5]研究了氣泡混合之后輕質土的力學性能，并考察了其在工程領域的適用性；顧然[6]等對湘南滑層土的值剪流變性質進行了分析考察，并對土層的強度特性進行了研究。本文基于土體的流變性能特性，通過試驗研究的方法，對影響河道淤泥氣泡混合土剪切流變特性的因素進行了分析，通過改變混合土的試驗配比以及含水量的大小，分析研究混合土剪切流變的特性。通過建立的模型對其參數進行了計算，得到最佳的工程施工方案，為工程的實施提供理論依據。

1 試驗準備與實施

1.1 原料土以及摻料的基本物理性質

試驗用淤泥土選取大凌河流域淤泥質土，其主要物理性質見表1原料土物性參考值，由表1可得，淤泥土的塑性指數較大為粘性土，利用3mm網篩對河道淤泥土進行篩選，以保證試驗的準確性。

表1 原料土物性參考值

選用TY型動物蛋白復配型發泡劑作為試驗用發泡劑，其主要參考指標見表2，以自來水作為試驗用水，選用PO42.5普通硅酸鹽水泥作為試驗用固化劑。

表2 TY型復配型發泡劑主要參考指標

1.2 河道淤泥氣泡混合土直剪試驗

選取含水量ω、水泥摻入比Ac、養護齡期T、氣泡摻入比Ae以及豎向荷載δ作為影響試驗數據的變量，并根據變量的性質制定各因素合理的配比，試驗配比表見表3。

表3 試驗配比表

在制作試驗模具時，選用直徑6.25cm，高3.5cm的環刀，頂部用硬膠帶纏繞，底部用PVC板密封，模具內部涂抹凡士林，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攪拌，將調好的混合土分兩層加到模具中，每一層的混合土經過振搗后放置到養護室硬化、養護至試驗齡期。

試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀對達到試驗齡期的土樣進行剪切，分別選取60kPa、120kPa、240kPa以及300kPa荷載下的水平剪力制作12個試樣，并由庫侖定律確定土樣的抗剪強度。

1.3 河道淤泥氣泡混合土的直剪流變試驗

利用ZLB- 1型三聯流變直剪儀對河道淤泥氣泡混合土進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，減少了試驗帶來的誤差值[7]。試驗采用分級加載方式，對每級加載時間及加荷比進行合理的控制，以降低試驗周期過長帶來的弊端。

在對河道淤泥氣泡混合土進行直剪流變試驗時，首先對達到養護齡期的混合土土樣進行直剪試驗，確定其剪峰值強度；然后利用三聯流變直剪儀對土樣施加不同的豎向荷載；待試樣穩定后，采用分級加載方式施加水平剪應力；最后等到剪切流變量小于0.02mm時，進行下一級荷載，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度特性

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

圖1 不同法向荷載下混合土的剪力應變曲線

2.2 河道淤泥氣泡混合土配比對抗剪強度的影響

試驗主要從水泥含量、氣泡含量以及含水量三個方面考察對河道淤泥氣泡混合土抗剪強度的影響程度[9]。對氣泡含量進行分析檢測時，選取水泥含量為20%，含水率為100%，養護齡期為21d的土樣；檢測水泥含量時選取氣泡含量為3%，含水率為100%，養護齡期為21d的試樣；對含水量進行檢測時選取水泥含量為20%，氣泡含量3%，養護齡期21d的土樣。分別對三試樣進行檢測，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力變化曲線

由圖2可知，當剪應力較小時，剪應變受氣泡含量變化的影響并不明顯。當剪應力增大到一定數值時，剪應變變化較為明顯，隨著氣泡含量的增大，剪應力會隨之增大，剪應變的量也有所提升。這是因為土樣體內的氣孔結構在剪應力較小時，并未被破壞。隨著剪應力的增大，氣泡含量的增多，土體內氣孔結構開始發生變化，當增加到某一數值時，結構會被破壞，土樣內部顆粒間的連接被切斷，相互作用降低，所以剪應變的量會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，可以將土體內部土顆粒緊密聯系在一起，并且摻雜水泥可對土體的骨架結構進行填充，增強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，嚴重降低了混合土的抗剪強度。

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元件組成，在運用元件模型時，通常會將這三種元件以不同的方式串聯或者并聯進行組合，利用形成的不同流變模型對材料的各種流變特性進行分析研究。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，當作用在土樣上的剪應力較小時，表現出明顯的粘塑彈性特征。作用在試樣上的剪應力變大時，試樣的變形速度明顯增大，受到的力的作用越來越大。流變模型的本構方程為：

ε(τ)=

(1)

式中，G—粘彈性剪切模量；η—粘滯性系數；n—流變指數；tg—土樣轉變時間。

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，試驗直至試樣被剪壞，顯現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

對加速階段曲線進行擬合，通過七元件粘彈塑性流變本構模型計算出相關的變量值，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用配比優化分析

河道淤泥氣泡混合土的抗剪強度、流變性能以及質量等方面受原料摻入量大小的影響較為嚴重，在實際工程中，要對原料的摻入量進行嚴格的把控，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，水泥含量的改變對混合土流變性能的影響最大，水泥含量越大，混合土抗剪強度越大，剪切模量G也隨之變大，而粘滯性系數η則越來越小。當水泥含量超過20%時，粘滯性系數的下降速率會明顯減小，所以，水泥含量最佳配比為20%，更能滿足實際施工的需要。

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，其抗剪強度得到有效的提高，隨著摻入量的增加，混合土抗剪強度的下降程度變得越來越小，而通過對粘滯性系數η的分析以及對表中數據的理解可知，混合土穩定階段的流變速率與η都在持續不斷的上升。氣泡含量的大小影響著實際工程的優劣，當含量為5%時，混合土的流變特性與抗剪強度都要小于其他兩個含量，所以選擇1%或者3%的氣泡含量作為最佳的配比。含水量的增加會顯著降低混合土的抗剪強度，由表中數據可知，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，流動性能較好，含水量為100%時更加便于施工，可作為最佳的配比。

4 結論

綜合相關理論知識，通過試驗的方式，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系，得到了以下結論：

(1)利用直接剪切試驗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，都會明顯提高混合土的抗剪性能，而含水量的增大會降低混合土的抗剪能力。

(2)通過分級加載的方式，對河道淤泥氣泡混合土的剪切流變特性進行研究，并基于七元件粘彈塑性剪切流變的特性建立參數模型，并對其參數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%。

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