蔣 勤,崔 莉,聶思航,范書鳴,應(yīng) 銘

(1. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京 210098；2. 上海航道勘察設(shè)計院有限公司,上海 200120)

流變特性是淤泥等黏性泥沙的基本力學(xué)特征之一[1],表征在外界荷載作用下泥沙對流動、變形的阻礙作用及其自身結(jié)構(gòu)的變化特性[2]。揭示淤泥的流變特性并建立定量描述公式是研究淤泥質(zhì)河口、海岸水動力與泥沙相互作用的基礎(chǔ),對定量分析泥沙輸送及岸灘演變、預(yù)測港口或航道的沖淤變化、確定航道適航深度等具有重要作用[3]。

迄今,國內(nèi)外學(xué)者通過對人工或現(xiàn)場淤泥的流變特性試驗研究,在揭示淤泥流變特性方面取得了豐富的研究成果,發(fā)現(xiàn)在剪切荷載作用下淤泥具有彈性、黏彈性、黏性、Bingham塑性及黏彈塑性等復(fù)雜的變化特性[4-8]。近年來,對黏性泥沙在加載過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化、破壞機(jī)理及固液相態(tài)轉(zhuǎn)化的研究備受關(guān)注。Shakeel等[7],Nie等[8]和Yang等[9]對不同地區(qū)的現(xiàn)場淤泥的流變特性試驗結(jié)果表明,淤泥等黏性泥沙在剪切荷載作用過程中的固液相態(tài)轉(zhuǎn)化與泥床的液化(流化)具有本質(zhì)的聯(lián)系。然而,淤泥的流變特性受密度、顆粒級配、礦物組成、鹽度和溫度等多種因素的影響,不同地區(qū)的淤泥一般具有不同的流變特性。在長江口口門地區(qū),特別是深水航道附近,覆蓋著大量淤泥質(zhì)黏性泥沙,受大風(fēng)天或臺風(fēng)等極端天氣影響經(jīng)常會引發(fā)港口或航道的泥沙驟淤問題。因此,長江口深水航道的泥沙淤積問題一直是一個備受關(guān)注的研究課題。但是,迄今對長江口淤泥流變特性的研究成果還屈指可數(shù)。張華和阮偉[10]曾對長江口北槽浮泥的流變特性進(jìn)行了試驗研究,指出其流變行為具有賓漢流體特性；Yang等[9]針對容重為1.65～1.70 g/cm3的長江口高濃度黏性泥沙的流變特性進(jìn)行了試驗研究,揭示了含水率和鹽度變化對淤泥流變特性的影響；王夢寒等[11]以黏土含量為15%～45%的長江口黏性泥沙為對象,通過試驗分析了鹽度、黏土含量和含水率對其流變特性的影響。然而,根據(jù)固結(jié)程度的不同,長江口航道淤泥的容重變化范圍約在1.1～1.7 g/cm3,而現(xiàn)有研究成果所覆蓋的淤泥容重范圍相對較窄,缺乏對較大容重范圍的長江口淤泥流變特性的系統(tǒng)的研究成果。

1 泥樣及測試方法

1.1 淤泥樣品

本研究采用長江口航道疏浚淤泥作為試驗淤泥樣本。淤泥的粒度級配曲線如圖1所示。試驗前首先采用烘干機(jī),在105℃的溫度下將現(xiàn)場淤泥烘干,然后過篩(篩的孔徑1.0 mm),去除石子、貝殼等雜質(zhì)以保持樣品的均勻性。根據(jù)天然環(huán)境中底床淤泥的容重范圍和試驗儀器的測試條件,將烘干后的泥沙樣本與不同量的鹽水混合制備成容重ρc為1.16 g/cm3、1.20 g/cm3、1.33 g/cm3、1.46 g/cm3、1.59 g/cm3、1.72 g/cm3的泥樣。此外,選取容重為1.20 g/cm3和1.46 g/cm3的泥樣,通過改變其鹽度、pH值與溫度,分析淤泥流變特性對上述各物理參數(shù)的響應(yīng),以確定影響淤泥流變特性的主控要素。

圖1 長江口泥沙粒徑級配曲線Fig.1 Particle size distribution of the mud from Yangtze River Estuary

1.2 測試儀器及方法

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 淤泥的基本流變特性

以容重為1.46 g/cm3的泥樣為例,圖2給出了該泥樣的流變曲線和黏度曲線的實測結(jié)果。為了詳細(xì)分析剪切荷載作用下淤泥的動力響應(yīng)過程及其變化機(jī)理,圖2(a)和圖2(b)分別給出了用直角坐標(biāo)和對數(shù)坐標(biāo)表示的流變曲線。

圖2 ρc=1.46 g/cm3泥樣的流變曲線和黏度曲線Fig.2Flow curve and viscosity curve of mud sample for ρc=1.46 g/cm3

綜上所述,淤泥在剪切荷載作用下的流變響應(yīng)過程是一個包含了復(fù)雜的相態(tài)轉(zhuǎn)化的漸變過程,并與淤泥內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化和破壞有關(guān)。其中第一臨界剪切應(yīng)力表征淤泥從類固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化的開始,第二臨界剪切應(yīng)力表征淤泥開始發(fā)生屈服流動變形,對應(yīng)于淤泥的屈服破壞。此外,由圖2(c)可見,從加載初期到加載結(jié)束,淤泥的黏度值減小了約5個數(shù)量級,說明在剪切荷載作用下長江口航道淤泥具有明顯的剪切稀化特征。

表1列出了本研究得到的長江口航道淤泥的τ1、τ2值與文獻(xiàn)中其他研究區(qū)域淤泥的相應(yīng)值的比較。Nie[13]和Shakeel等[14]分別對連云港淤泥、德國漢堡港淤泥的流變特性進(jìn)行了研究。長江口航道淤泥與這2種淤泥的流變響應(yīng)類似,同樣具有相態(tài)轉(zhuǎn)化過程。但對于類似的容重范圍,長江口航道淤泥的臨界剪切應(yīng)力值較小,這可能與3種淤泥的粒徑大小、礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量等不同有關(guān)。

表1 不同研究區(qū)域淤泥的主要流變參數(shù)比較

2.2 容重變化的影響

為了揭示淤泥容重(ρc)對其流變特性的影響,本研究對上述6組不同容重泥樣的流變試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。其中,6組泥樣的鹽度和pH值相同,且試驗溫度均為25 ℃。圖3給出了試驗得到的不同容重泥樣的流變曲線和黏度曲線。

圖3 不同容重泥樣的流變曲線與黏度曲線Fig.3Flow curves and viscosity curves of mud samples with different bulk density

圖4 臨界剪切應(yīng)力τ1和τ2與容重的關(guān)系Fig.4 Relationship between the critical shear stresses and bulk density of mud samples

由圖3可知,在剪切荷載作用下不同容重泥樣均表現(xiàn)出雙賓漢體特性,但各自的流變響應(yīng)趨勢略有不同。從圖3(a)可以看出,在剪切荷載作用下容重為1.16 g/cm3的泥樣在整個加載過程中均呈現(xiàn)出黏性流體特征,不存在固—液轉(zhuǎn)化過程；容重為1.20～1.46 g/cm3的泥樣存在固—液轉(zhuǎn)化過程,并具有明顯的剪切應(yīng)力下降與再增長趨勢；而容重為1.59～1.72 g/cm3的泥樣在固—液轉(zhuǎn)化階段剪切應(yīng)力下降現(xiàn)象較不明顯。上述觀測結(jié)果可以通過淤泥內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)連接的緊密程度加以分析。當(dāng)淤泥容重較小時,單位體積內(nèi)的泥沙顆粒含量較低,泥沙顆粒間的黏結(jié)作用相應(yīng)較弱,無法形成具有顆粒間緊密結(jié)合的穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為泥體無法抵抗所受到的剪切荷載而直接發(fā)生黏性流動。隨著容重的增大,泥沙顆粒間的間距越來越小,相互間的接觸面積與黏結(jié)作用增強(qiáng)。對于容重為1.20～1.46 g/cm3的泥樣,其泥沙顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度還不足以抵抗較大的外界荷載,因此在受到一定的剪切荷載作用時會發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的破壞,出現(xiàn)剪切應(yīng)力降低的現(xiàn)象。相對地,對于容重較大(1.59～1.76 g/cm3)的泥樣而言,由于泥體內(nèi)黏性泥沙顆粒之間具有較為緊密的接觸和較強(qiáng)的黏結(jié)作用,當(dāng)顆粒間黏結(jié)作用遭受破壞時,泥體的變形使得泥沙顆粒間發(fā)生排列結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整,并迅速恢復(fù)一定的抗剪能力,剪切應(yīng)力下降現(xiàn)象不明顯。

此外,由圖3可見,淤泥的剪切應(yīng)力和黏度均隨容重的增大而增大。相應(yīng)地,臨界剪切應(yīng)力τ1和τ2也隨容重的增大而增大。從圖4給出的不同容重泥樣的臨界剪切應(yīng)力τ1和τ2的實測結(jié)果及其回歸分析曲線可以看出,τ1和τ2均隨容重的增大表現(xiàn)出指數(shù)形式增長趨勢。

2.3 鹽度和pH值變化的影響

為了揭示鹽度(s)和pH值變化對淤泥流變特性的影響,選取容重為1.20 g/cm3和1.46 g/cm3的泥樣,分別在不同鹽度(0.34%、1.04%、1.96%、2.84%、3.57%)和不同pH值(7、7.44、7.82、8.23、8.53)條件下進(jìn)行流變特性試驗。圖5、圖6分別給出了直角坐標(biāo)和對數(shù)坐標(biāo)下泥樣的流變曲線隨鹽度和pH值變化的實測結(jié)果。由圖可知,隨著鹽度和pH值的升高,淤泥所受剪切應(yīng)力的幅值會隨之增大,鹽度和pH值的這種影響在高剪切速率區(qū)更加明顯,且淤泥容重越大,影響效果越顯著。

((a)、(c)為直角坐標(biāo)；(b)、(d)為對數(shù)坐標(biāo))圖6 pH值變化對淤泥流變特性的影響Fig.6Influences of pH on the rheological properties of mud samples

由圖7、圖8給出的臨界剪切應(yīng)力τ1、τ2隨鹽度和pH值變化的實測結(jié)果可知,τ1和τ2均隨鹽度和pH值的增大呈線性增加趨勢。此外,從圖5(a)、5(c)可以看出,不同鹽度條件下,泥樣在高剪切速率區(qū)的流變曲線基本平行,這與孫獻(xiàn)清和黃建維[14]對含鹽淤泥的研究結(jié)論一致。

上述鹽度和pH值對淤泥流變特性的影響主要是通過影響?zhàn)ば约?xì)顆粒泥沙間的絮凝作用實現(xiàn)。由于淤泥含有足夠量的黏粒,在電介質(zhì)作用下,黏性細(xì)顆粒泥沙會發(fā)生絮凝,形成集合體和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果表明[15-17],黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝作用在一定程度上隨鹽度的增大和pH值的減小而增強(qiáng)。所以當(dāng)鹽度增大時,淤泥內(nèi)部細(xì)顆粒泥沙的絮凝作用增強(qiáng),所形成的微觀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也會增大,抗剪切能力增強(qiáng)。值得指出的是,本試驗中泥樣的剪切應(yīng)力隨pH值的減小而呈現(xiàn)出減小的現(xiàn)象,這可能與淤泥內(nèi)部存在的有機(jī)質(zhì)成分有關(guān),具體原因尚有待于進(jìn)一步的研究。

圖7 臨界剪切應(yīng)力τ1和τ2與鹽度的關(guān)系Fig.7Relationship between the critical shear stresses and salinities value of mud samples

圖8 臨界剪切應(yīng)力τ1和τ2與pH值的關(guān)系Fig.8Relationship between the critical shear stresses and pH value of mud samples

2.4 試驗溫度變化的影響

為了揭示溫度(T)變化的影響,在不同試驗溫度(5 ℃、10 ℃、15 ℃、25 ℃、35 ℃)條件下分別對容重為1.20 g/cm3和1.46 g/cm3的泥樣進(jìn)行了流變特性試驗。圖9為泥樣在不同溫度條件下得到的流變曲線實測

圖9 溫度對流變特性的影響Fig.9Influences of temperature on the rheological properties of mud samples

結(jié)果。由圖可見,溫度的改變對淤泥在低剪切速率區(qū)的剪切應(yīng)力值的影響較?。欢诟呒羟兴俾蕝^(qū),溫度變化對剪切應(yīng)力的影響較為明顯,溫度的增加會導(dǎo)致淤泥內(nèi)部的剪切應(yīng)力逐漸降低,且容重越大,影響越顯著。其主要原因在于溫度的升高會引起泥沙顆粒的動能增大,運(yùn)動加強(qiáng),顆粒間的黏結(jié)力減小,致使泥體抵抗剪切作用的能力降低。

3 經(jīng)驗本構(gòu)方程

由上述淤泥流變特性的試驗結(jié)果可知,長江口航道淤泥在剪切荷載作用下具有典型的雙賓漢體特性。因此,本研究基于實測數(shù)據(jù),采用Dual-Herschel-Bulkley流變模型,建立了定量描述長江口航道淤泥流變特性的經(jīng)驗本構(gòu)方程。Dual-Herschel-Bulkley流變模型的一般形式為[18]:

(1)

表2 各容重泥樣的本構(gòu)模型參數(shù)

由上述容重和鹽度等基本物理參數(shù)對淤泥流變特性影響的分析結(jié)果可知,容重是影響淤泥流變特性的主控因素。在此,就容重對淤泥本構(gòu)模型參數(shù)的影響作進(jìn)一步的分析。圖10分別給出了屈服應(yīng)力參數(shù)和表觀

圖10 本構(gòu)模型參數(shù)隨容重的變化曲線Fig.10Relationship between the model parameters and bulk density

黏度參數(shù)隨容重的變化曲線?？梢钥闯?τ01、τ02和η01、η02隨容重的增長均呈指數(shù)增長趨勢。此外,對所有容重的泥樣,τ02均比τ01大了約1個數(shù)量級,而所對應(yīng)的η02則比η01要小,且隨著容重的增大,η01和η022條曲線會交匯于一點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 長江口航道淤泥在剪切荷載作用下具有雙賓漢體特性；其流變響應(yīng)包含了復(fù)雜的固液相態(tài)變化過程,可劃分為類固態(tài)、固—液轉(zhuǎn)化和液態(tài)3個典型階段,隨著剪切速率的增加淤泥逐漸表現(xiàn)出彈性體、黏彈性體和塑性體的變化特征。

(2) 淤泥的抗剪強(qiáng)度隨容重、鹽度和pH值的增大呈現(xiàn)出增長趨勢,但隨溫度的升高則逐漸減弱。其中,容重的影響最為顯著,且容重越大,鹽度、pH值和溫度對淤泥抗剪強(qiáng)度的影響越明顯。

(3) 基于實測數(shù)據(jù)和Dual-Herschel-Bulkley流變模型得到的經(jīng)驗本構(gòu)方程,能夠較好地描述長江口航道淤泥在剪切荷載作用下的流變特性；與實測值相比,所構(gòu)建的經(jīng)驗本構(gòu)模型對高剪切速率區(qū)淤泥剪切應(yīng)力值的擬合精度較高,對大容重泥樣在低剪切速率區(qū)的剪切應(yīng)力值的擬合較好。