水下回淤物的流變特性研究

寇曉強，李增軍，劉文彬

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津300461）

0 引言

21世紀是海洋的世紀。目前，世界各國已將其對海洋的開發和利用能力作為衡量該國綜合科技實力的重要標準[1]。在我國跨海通道因其在提升沿海地區的陸海通達度和一體化程度的巨大貢獻而得到了空前的發展。在港珠澳大橋跨海通道的建設中發現，沉管隧道安裝前，受大回淤條件的影響，沉管下放的基槽內會產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研究，提出了水下基槽回淤特性的研究思路。同時結合現有的清淤設備，確立了沉管隧道碎石基床的清淤新方法[4]。關于回淤沉積物的形成原因和條件，已取得了較為一致的認識[5]，即細顆粒泥沙懸揚后，隨水流運移到基槽內而落淤。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，使其無法下沉至設計高程，還會使沉管產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實意義。

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

式中：τ0為屈服應力；η0和η1為流變參數。

1 流變試驗

1.1 試驗土的特性

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

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，確定回淤物的應力-應變關系。深中通道的淤泥回淤物與含水率的關系如圖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關系，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。

根據含水率不同，將回淤物制備成4種不同重度的試樣進行回淤物的流變特性試驗（見表1），進一步明確回淤物流變特性與重度間的關系。

表1 試驗參數Table 1 Test parameters

1.2 試驗方法與內容

試驗采用DV-I數字旋轉黏度計開展，其由加載裝置和RV轉子組成。工作原理是對回淤物試樣施加剪應力使轉子以一定的速率旋轉，根據轉子與試樣接觸面處的力矩平衡關系，測定試樣的黏度、剪切速率、剪應力等數據，從而得到剪應力-剪切速率關系曲線。

2 試驗結果分析

試驗分別得到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系曲線如圖3所示。

圖3 4組試樣的試驗結果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。每組試樣產生的剪切力-剪切速率曲線均滿足Herschel-Buckley模型（公式1），其應力-應變速率關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到回淤物屈服應力τ0為標準劃分為AB和BC兩部分。其中γy憶為達到屈服應力對應的剪切速率，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模型的參數值，如表2所示。

表2 試驗確定的H-B模型參數Table 2 Herschel-Buckley model parameters of the test

3 結果驗證

為了確定上述試驗中獲得的表征回淤物流變特性的H-B模型的準確性，特開展小比尺試驗與有限元相結合的辦法進行驗證，其主要內容包括：1）開展室內小比尺模型試驗，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模型本構模型導入ABAQU有限元模型中，運用CEL方法對小比尺試驗進行模擬。3）將小比尺試驗結果同有限元結果進行對比，確定表征回淤物特性的H-B模型的準確性。

3.1 小比尺模型試驗

室內小比尺模型試驗在1 m伊1 m伊0.8 m的試驗槽中開展（如圖5所示），試驗槽由標有刻度的鋼化玻璃構成。試驗前，底部先鋪設粒徑5~10 mm的碎石，上部鋪設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 小比尺驗證試驗Fig.5 Small-scale verification test

試驗過程中，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。試驗結果顯示，鋼化玻璃板在1 s內順利下沉到漿液底部。

3.2 小比尺試驗的仿真模擬

基于上述建立的回淤物H-B流變模型，運用CEL方法對小比尺模型試驗進行仿真模擬，結果如圖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 有限元計算結果Fig.6 The results of finite element method

由圖6可知，鋼化玻璃板在0.4 s內穿透并到達基床表面，與試驗模型試驗的結果一致。由此可知試驗建立的H-B模型是可靠的。

4 結語

本文以深中通道的淤泥回淤物為研究對象，開展室內回淤物的流變特性試驗，建立了H-B流變模型，并通過室內小比尺模型試驗和有限元仿真技術，對該本構模型進行了驗證，結論如下：

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）根據小比尺模型試驗結果可知，重度12.4 kN/m3的淤泥回淤物，在0.5 kPa荷載作用下，1 s內可順利沉到基槽底部。

3）運用H-B流變模型，并結合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，其模擬結果與試驗結果一致。