流变试验的分类和流变特性测量

2.1.1　流变特性

流变特性是淤泥在外载荷（通常是剪切力）作用下变形和流动的特性，是表征淤泥细颗粒泥沙之间多种物理化学内聚力和斥力的综合参数，是正确估计与合理预测航道、港湾泥沙冲淤和航道适航厚度的重要参数。

河口及海洋环境中的黏性泥沙随水体含沙量不同而表现出不同的流变特性，呈现出从黏性流体到黏塑性流体、黏弹性流体和弹性固体逐步变化的力学状态（行为），这种力学状态的变化通过流变模型（本构方程）加以描述。通常，低浓度悬沙水体可视为黏性系数高于水的牛顿流体；随着含沙量增加，可以观测到凝胶现象的出现，即流体开始具有可测量的屈服应力，从而转化为浮泥。浮泥在脱水固结过程中，随着密度的增加由黏塑性状态（淤泥）过渡到黏弹性状态（软泥），最终成为弹性固体的固结海床。常见淤泥状态的分类见表2-1。

针对黏性泥沙的流变特性，国内外已经开展了大量研究工作，并建立了多种流变模型，而且研究成果表明淤泥密度是影响流变特性的主要因素。因此，以下主要依据泥的密度给出常用的模型。

（1）对于密度小于1 030kg/m3的淤泥，称为“流动型浮泥”，符合牛顿定律，只是黏滞系数比清水大，如天津新港淤泥含沙量S＜30kg/m3时可简化为牛顿流体体或黏性流体。本构方程为：

式中，T和D分别为应力和应变率；ui、uj指xi、xj方向的速度，μ为动力黏滞系数（单位为Pa.s）。对于平板边界层内的稳定理想牛顿流体，可简化为：

式中，为剪切率（剪应变速率）。

（2）稳定型浮泥（1 030～1 250kg/m3）的表观黏度随剪切率的增大而减小，即剪切稀化，称为“伪塑性体”。可用Herschel-Bulkley模型来描述黏塑性物质：

式中，K和n为常数，τy为表观屈服应力。这个模型既可用来描述伪塑性体或剪薄型物质（n＜1），也可用来描述膨胀或剪厚型物质（n＞1）。浮泥为剪薄性体，当含沙量由10kg/m3增加为1 000kg/m3时，τy的值由0.01～0.1 Pa增加到1 000～10 000 Pa；而K为0.01～100—1000 Pa·s；而且n＜1，典型值取1/3～1/2。当n=1时，可简化为著名的宾汉（Bingham）模型，经常被用来描述浮泥的流变特征，本构方程为：

式中，τB为宾汉屈服应力（单位为Pa），μ为浮泥的黏滞系数。

（3）软泥和固结海床浮泥经过一段时间的密实固结后，密度大于1 250kg/m3，成为黏性土，又分为新淤黏性土（称为“软泥”，1 250～1 600kg/m3）和固结黏性土（＞1 600kg/m3），软泥在水流作用下一般不会产生变形，以冲刷悬扬为主，在波浪作用下则仍会有运动和变形，这种淤泥在动态荷载的作用下具有黏弹性体的性质。描述黏弹性质的最简单的模型是Kelvin或Voigt模型，可表示为并联的弹簧和阻尼器组合，结构方程如下：

Kelvin-Voigt模型：

式中，γ、.γ分别为剪应变和剪应变速率，G、μ分别为弹性系数和动力黏滞系数。

大量研究成果表明，宾汉模型更符合浮泥，而且文献研究表明我国河口海岸的黏性泥沙，如天津港、连云港、长江口和黄河口浮泥都具有明显的屈服极限。

表2-1　常见淤泥状态的分类

2.1.2　流变试验

淤泥流变试验可分为静态流变参数测量和动态流变参数测量。静态流变参数主要包括剪应力、剪切率、黏性系数（黏度）、屈服应力、流动指数等，其中剪应力τ与与剪切率.γ之间的关系曲线，一般称为“流变曲线”。静态流变参数测量基于淤泥结构的破坏在瞬间完成为前提。动态流变参数包括弹性模量、损耗模量、动态黏性系数等，主要表征流变特性随时间和剪切率的变化。针对海洋、河口环境中外荷载多为周期性交变荷载的特点，动态流变参数的测量通常在简谐振动条件下进行。

（1）试验设备：流变试验静态测量的方法包括毛细管（或管式）流变仪测量法和旋转流变仪测量法。一般宜采用旋转流变仪测量法。旋转流变仪按照其转子结构的不同，又分为锥板式流变仪、平行板式流变仪、同轴圆筒式流变仪、十字板／桨式流变仪等，可根据试样的不同进行选择。淤泥流变特性动态测量试验一般宜采用振荡流变仪。

交通部天津水运工程科学研究院的流变仪为R/S-cc型流变仪（见图2-4）。测量杯内径48.8mm，转子外径45mm，转子与测量杯缝隙1.9mm。该仪器通过一个经校验过的铍-铜合金的弹簧带动一个转子在液体中持续旋转，旋转扭矩传感器测得弹簧的扭变程度即扭矩，与浸入样品中的转子被黏性拖拉形成的阻力成比例，扭矩因而与液体的黏度也成正比。流变仪采用液晶显示，显示信息包括黏度、温度、剪切应力/剪切率、扭矩、转子号/转速以及程序运行跟踪等。测量的数字信号输出接口则可以用于连接电脑等外围数据处理系统。同时，还配备了一套数据处理软件，可计算并显示某些关系曲线图。

图2-4　R/S-cc型流变仪

（2）流变试验过程：视泥沙样品情况进行预处理，配制淤泥的流变试验样品需将淤泥结块充分打散、筛除贝壳等，而原状淤泥的流变试验样品则无需处理。配制多组不同密度的淤泥样品，密度范围一般可取1 050kg/m3～1 400kg/m3，密度间隔尽量均匀，可取20～50kg/m3；原状淤泥的流变试验样品宜选取小部分用于密度测量，可通过测量三次以上求算术平均值得出，代表流变试验样品的密度值。

针对不同密度泥样的试验数据，分别绘制剪应力与剪切率的关系曲线及黏度与剪切率曲线。为了显示低剪切率时的数据，可采用对数坐标。根据泥样密度及流变曲线选用合理的流变基本模型，拟合出剪应力-剪切率以及黏度-剪切率的关系式，进而得到相关流变参数。其中，屈服应力的测定方法主要有直接法和间接法两种。直接法是对泥沙样本施加逐渐增加的应力直到泥沙开始屈服产生流动，泥沙开始流动时，相应的应力值即为屈服应力值；此外，还可以通过十字板法等测量泥沙的屈服应力值。间接法可通过对测得的流变曲线外推到零剪切速率时对应的应力值来确定，也可对流变曲线进行模型拟合，如宾汉屈服应力等。(www.xing528.com)

2.1.3　流变特性影响因素

流变特性受到很多因素的影响，如淤泥颗粒密度、粒径级配、矿物化学成分、颗粒的比表面积、颗粒表面的物理化学特性、环境中的离子种类和数量、淤泥的含砂量和水质特性等。其中，流变特性试验采用的剪切模式、样品在测量杯中的静置时间及试验时样品的温度等对试验结果的影响情况如下。

2.1.3.1　淤泥密度对流变特性的影响

配制3组泥样，密度值分别为1 098kg/m3、1 200kg/m3、1 296kg/m3，盐度为26‰（与取泥当地海水盐度相近）。针对这三组泥沙，采用控制剪切率模式开展试验。各密度淤泥对应的流变曲线如图2-5所示。结果表明：相同剪切率下，密度为1 296kg/m3的淤泥对应的剪应力最大，而密度为1 089kg/m3的淤泥对应的剪应力最小。因此，密度越大，对应的剪应力也越大。

图2-5　不同密度淤泥的流变曲线（控制剪切率模式）

2.1.3.2　剪切模式对试验结果的影响

淤泥流变特性试验常用的剪切模式有控制剪切率模式和控制剪应力模式两种。控制剪切率模式是对样品施加连续变化的应变率，测量样品由于形变产生的扭矩变化；控制剪应力模式是对样品施加连续变化的应力，测量样品产生的形变和剪切率。

分别采用控制剪切率和控制剪应力模式测量泥样在不同剪切率时对应的剪应力和黏度。不同剪切模式的流变曲线对比如图2-6所示。

（1）采用控制剪应力模式测得的数据相对稀少，当剪切率小于1（1/s）时甚至没有数据，特别是对密度较小的淤泥样品，小剪切率时没能测量出数据；而采用控制剪切率模式，在高剪切率和低剪切率时测得的数据都是均匀分布的。因此，对密度较小的淤泥施加低剪切作用时，选择采用控制剪切率模式将会更适合。因此，在确定淤泥样品的低剪切率对应的屈服应力（可分为高剪切和低剪切两种屈服应力）时，宜采用控制剪切率模式。

（2）在相同剪切率情况下，不同剪切模式对应的剪切力也有一定差别。对于密度为1 296kg/m3的淤泥而言，存在一个临界剪切率，当剪切率大于1.0（1/s）时，采用控制剪应力模式测得的剪应力均大于采用控制剪切率模式测得的剪应力；而当剪切率小于1.0（1/s）时，控制剪应力模式测得的剪应力则小于采用控制剪切率模式得到的剪应力。因此，在对比不同淤泥样品的流变特性时，应当采用相同的剪切模式，以消除这方面的影响。

图2-6　不同剪切模式的流变曲线

2.1.3.3　泥样静置时间的影响

取3组样品分别静置0、15、30、45、60、120分钟后测量泥样在不同剪切率时对应的剪应力和黏度，静置时，测量杯加盖自制的杯盖以防止水分蒸发对实验结果产生影响。然后采用控制剪切率模式进行试验，得到不同静置时间的流变曲线如图2-7所示。

（1）静置时间对淤泥流变特性有一定的影响，而且小密度淤泥的流变受影响更大。

（2）低剪切率时，受静置时间影响更大；而高剪切率时，流变曲线的差别较小。

图2-7　不同静置时间的流变曲线

2.1.3.4　泥样温度对试验结果的影响

将3种密度的泥样分成4组，利用流变仪配套的温度控制器将4组泥样的温度分别控制在2℃、10℃、20℃、30℃并保持恒温，在此条件下开始试验，得到不同温度下控制剪应力模式的流变曲线如图2-8所示。

从流变曲线图中可以看出，温度对流变特性影响较大。对于同一密度的泥样在相同剪切率时，温度越高，对应的剪应力越小。另外，温度由2℃升高到10℃对应的剪应力减小值，大于温度从20℃升高到30℃时对应的剪应力减小值。

图2-8　不同温度下的流变曲线

综上所述，在确定某港口的适航淤泥重度值而开展流变特性试验时，建议如下操作：样品密度多次测量取平均值，各组次样品的静置时间应保持一致，各组次样品的温度一致，在确定淤泥样品的低剪切率对应的屈服应力时宜采用控制剪应力模式，在对比不同淤泥样品的流变特性时采用相同的剪切模式。

2.1.4　根据流变试验结果确定适航淤泥重度值

利用试验测定的数据，绘制淤泥剪应力与剪切率关系，并采用宾汉模型研究流变特性，得出屈服应力，进而绘制屈服应力与泥沙重度的关系，图2-9为屈服应力与泥沙重度关系曲线图示例。当泥沙重度较小时，随重度变化，屈服应力并无明显变化，但当泥沙重度增加到一定数值时，重度再增加，则屈服应力迅速增加，根据国内外经验，这个临界值可以作为适航淤泥重度值。

图2-9　泥沙样品的屈服应力和淤泥重度关系