河道淤泥气泡混合土剪切流变特性研究

2018-03-29宋晓立

水利技术监督 2018年2期

宋晓立

(凌源市凌河保护区管理局，辽宁朝阳 122500)

我国内陆地区水资源丰富，湖泊河流系统较为发达，每年都会产生大量的河道淤泥[1]。经过长年累月的堆积后，其数量达到了峰值，河道淤泥不仅会影响河流的水质，还会对排涝、通航等造成影响，因此对河道淤泥的治理成为近年来岩土工程的研究热点[2]。在20世纪40年代，荷兰的Geuze[3]率先发起流变性能方面的研究。在随后的几十年中，土体流变性能的研究越来越系统，刘学增[4]等通过理论数据进行了粉砂质泥岩三轴流变试验，并得到了粉质泥岩的流变类型受应力大小影响的结果；丁曼等[5]研究了气泡混合之后轻质土的力学性能，并考察了其在工程领域的适用性；顾然[6]等对湘南滑层土的值剪流变性质进行了分析考察，并对土层的强度特性进行了研究。本文基于土体的流变性能特性，通过试验研究的方法，对影响河道淤泥气泡混合土剪切流变特性的因素进行了分析，通过改变混合土的试验配比以及含水量的大小，分析研究混合土剪切流变的特性。通过建立的模型对其参数进行了计算，得到最佳的工程施工方案，为工程的实施提供理论依据。

1 试验准备与实施

1.1 原料土以及掺料的基本物理性质

试验用淤泥土选取大凌河流域淤泥质土，其主要物理性质见表1原料土物性参考值，由表1可得，淤泥土的塑性指数较大为粘性土，利用3mm网筛对河道淤泥土进行筛选，以保证试验的准确性。

表1 原料土物性参考值

选用TY型动物蛋白复配型发泡剂作为试验用发泡剂，其主要参考指标见表2，以自来水作为试验用水，选用PO42.5普通硅酸盐水泥作为试验用固化剂。

表2 TY型复配型发泡剂主要参考指标

1.2 河道淤泥气泡混合土直剪试验

选取含水量ω、水泥掺入比Ac、养护龄期T、气泡掺入比Ae以及竖向荷载δ作为影响试验数据的变量，并根据变量的性质制定各因素合理的配比，试验配比表见表3。

表3 试验配比表

在制作试验模具时，选用直径6.25cm，高3.5cm的环刀，顶部用硬胶带缠绕，底部用PVC板密封，模具内部涂抹凡士林，以防模具损坏混合土。按表3所示配比称取水泥、自来水，加入气泡后用搅拌机搅拌，将调好的混合土分两层加到模具中，每一层的混合土经过振捣后放置到养护室硬化、养护至试验龄期。

试验采用ZJ型应变控制式直剪仪对达到试验龄期的土样进行剪切，分别选取60kPa、120kPa、240kPa以及300kPa荷载下的水平剪力制作12个试样，并由库仑定律确定土样的抗剪强度。

1.3 河道淤泥气泡混合土的直剪流变试验

利用ZLB- 1型三联流变直剪仪对河道淤泥气泡混合土进行剪切流变特性的研究，该仪器的精度由原来的0.02mm提高到了0.001mm，减少了试验带来的误差值[7]。试验采用分级加载方式，对每级加载时间及加荷比进行合理的控制，以降低试验周期过长带来的弊端。

在对河道淤泥气泡混合土进行直剪流变试验时，首先对达到养护龄期的混合土土样进行直剪试验，确定其剪峰值强度；然后利用三联流变直剪仪对土样施加不同的竖向荷载；待试样稳定后，采用分级加载方式施加水平剪应力；最后等到剪切流变量小于0.02mm时，进行下一级荷载，直至剪坏土样[8]。

2 河道淤泥气泡混合土的剪切流变特性研究

2.1 河道淤泥气泡混合土的抗剪强度特性

将60kPa、120kPa、240kPa以及300kPa的荷载分别作用于不同养护龄期的土样上，土样配比为Ac=20%、Ae=3%、ω=120%，分别对其作剪力应变图，得到如图1所示不同法向荷载下混合土的剪力应变曲线。由图1可得，养护龄期的长短并不影响河道淤泥气泡混合土剪应力的变化规律，整体都呈上升趋势，开始阶段缓慢增长，随后的快速增长以及后期的稳定不变构成了整个剪切过程的变化。法向荷载力越大，对土样造成的损坏程度也越大，相对应的剪应力也随之增大。

图1 不同法向荷载下混合土的剪力应变曲线

2.2 河道淤泥气泡混合土配比对抗剪强度的影响

试验主要从水泥含量、气泡含量以及含水量三个方面考察对河道淤泥气泡混合土抗剪强度的影响程度[9]。对气泡含量进行分析检测时，选取水泥含量为20%，含水率为100%，养护龄期为21d的土样；检测水泥含量时选取气泡含量为3%，含水率为100%，养护龄期为21d的试样；对含水量进行检测时选取水泥含量为20%，气泡含量3%，养护龄期21d的土样。分别对三试样进行检测，得到如图2所示三种不同含量下河道淤泥气泡混合土的剪应力变化曲线。

图2 三种不同含量下河道淤泥气泡混合土的剪应力变化曲线

由图2可知，当剪应力较小时，剪应变受气泡含量变化的影响并不明显。当剪应力增大到一定数值时，剪应变变化较为明显，随着气泡含量的增大，剪应力会随之增大，剪应变的量也有所提升。这是因为土样体内的气孔结构在剪应力较小时，并未被破坏。随着剪应力的增大，气泡含量的增多，土体内气孔结构开始发生变化，当增加到某一数值时，结构会被破坏，土样内部颗粒间的连接被切断，相互作用降低，所以剪应变的量会随着气泡含量的增加而变大。

同样随着水泥含量的增加，河道淤泥混合土抗剪强度大小也随之变大，这是由于水泥作为固化剂，可以将土体内部土颗粒紧密联系在一起，并且掺杂水泥可对土体的骨架结构进行填充，增强了河道淤泥气泡混合土抵抗外部荷载的能力。而随着含水量的增加，河道淤泥气泡混合土的抗剪能力明显降低，说明水含量的高低严重影响土体土颗粒的水化膜厚度，阻碍了土颗粒之间的相互作用，严重降低了混合土的抗剪强度。

3 河道淤泥气泡混合土剪切流变模型及适用性分析

3.1 河道淤泥气泡混合土剪切流变模型的建立及其参数的确定

利用元件组合模型来分析研究河道淤泥气泡混合土的流变模型[10]。元件模型由塑性固体、弹性固体以及粘滞液体三种流变元件组成，在运用元件模型时，通常会将这三种元件以不同的方式串联或者并联进行组合，利用形成的不同流变模型对材料的各种流变特性进行分析研究。本文采用七元件非线性黏弹塑性剪切流变模型来分析河道淤泥气泡混合土的剪切流变特性，当作用在土样上的剪应力较小时，表现出明显的粘塑弹性特征。作用在试样上的剪应力变大时，试样的变形速度明显增大，受到的力的作用越来越大。流变模型的本构方程为：

ε(τ)=

(1)

式中，G—粘弹性剪切模量；η—粘滞性系数；n—流变指数；tg—土样转变时间。

河道淤泥气泡混合土加速阶段流变曲线如图3所示。由图3可知，土样的流变过程大致可分为三部分，初始剪切流变阶段流速变化明显，稳定剪切阶段流速变化量较小，加速剪切流变阶段，流速变化较大，试验直至试样被剪坏，显现出明显的非线性塑性特征。

图3 河道淤泥气泡混合土加速阶段流变曲线

对加速阶段曲线进行拟合，通过七元件粘弹塑性流变本构模型计算出相关的变量值，拟合值的大小适中，效果较好，说明七元件粘弹塑性模型能够合理的描述河道淤泥气泡混合土流变特性。

3.2 河道淤泥气泡混合土工程应用配比优化分析

河道淤泥气泡混合土的抗剪强度、流变性能以及质量等方面受原料掺入量大小的影响较为严重，在实际工程中，要对原料的掺入量进行严格的把控，选取合适的配比来满足工程的需要。河道淤泥气泡混合土流变速率受原料掺量的变化情况见表4，由表4可知，水泥含量的改变对混合土流变性能的影响最大，水泥含量越大，混合土抗剪强度越大，剪切模量G也随之变大，而粘滞性系数η则越来越小。当水泥含量超过20%时，粘滞性系数的下降速率会明显减小，所以，水泥含量最佳配比为20%，更能满足实际施工的需要。

表4 河道淤泥气泡混合土流变速率受原料掺量的变化情况

混合土中掺入气泡后，其抗剪强度得到有效的提高，随着掺入量的增加，混合土抗剪强度的下降程度变得越来越小，而通过对粘滞性系数η的分析以及对表中数据的理解可知，混合土稳定阶段的流变速率与η都在持续不断的上升。气泡含量的大小影响着实际工程的优劣，当含量为5%时，混合土的流变特性与抗剪强度都要小于其他两个含量，所以选择1%或者3%的气泡含量作为最佳的配比。含水量的增加会显著降低混合土的抗剪强度，由表中数据可知，含水量由80%增大到100%的过程中，混合土的流变速率以及η的变化量较小，而含水量增加到120%的过程中，其变化量有了明显的提高，流动性能较好，含水量为100%时更加便于施工，可作为最佳的配比。