论黏土起动机理

毛 宁

（南京水利科学研究院河流海岸研究所，交通运输部港口航道泥沙工程重点实验室，南京 210024）

论黏土起动机理

毛 宁

（南京水利科学研究院河流海岸研究所，交通运输部港口航道泥沙工程重点实验室，南京 210024）

首先从切应力和吸应力的角度，通过受力分析发现散体泥沙起动的主导因素是切应力；随后基于对黏性土起动现象的观察和对黏性土起动的试验研究，采用概化试验的方法试图诠释黏土与散体沙起动机理上的区别。试验证明了黏土起动中吸应力的存在，得到了垂线平均流速与吸应力的关系，并测得吸应力最大可达切应力的941倍。可认为吸应力是黏土起动的外在主导因素，黏土本身的抗拉强度是其抗起动破坏的内在因素。

黏土；起动机理；吸应力；切应力

在工程领域，有一定固结程度的黏土较不容易被起动破坏，所以黏土的起动研究发展相对散体泥沙起动研究来说则较晚。以往的研究沿用了散体泥沙起动研究的模式和思路，仍然以切应力作为黏土起动、破坏的研究对象。这些研究用黏土的抗剪切应力结合物理和化学等指标，得到了黏土破坏冲蚀的一些经验公式。这些经验公式对黏土起动破坏的计算结果差异巨大，本文试图通过理论分析和试验来解释黏土起动的机理。

1 散体沙起动受力特点

单个泥沙颗粒简化为球体时在水流的作用下主要受到3个力的作用：泥沙颗粒水下重力Wg、水流推力F、同一层面球体的咬合力即内摩擦力FR。假定颗粒球体的直径为d，内摩擦角为ø，泥沙颗粒密度为ρs，水的密度为ρ，图1中球体运动临界内摩擦力等于水流对泥沙颗粒的推力，可表示为

式（1）［1］是传统理论的泥沙颗粒的受力情况，而在实际的泥沙起动中，存在着泥沙颗粒上下表面间的流速差，上表面流速主要为近底水流运动速度，下表面为流速较小的颗粒间渗透水的运动速度。根据伯努利（Bernoulli）能量原理，顶部流速高、压力小，底部流速小压力大，由此压强差Δp产生了吸力FL，假定上表面流速为V1，下表面流速为V2，吸应力即压强为τL，由伯努利原理（2）得到式（3）、式（4）：

图1 散体沙颗粒受力Fig.1 Forces acting on a sand

散体沙的渗透系数K为10－3～100cm／s，可近似代替孔隙中的渗透流速。以往的研究成果认为散体沙与黏性细颗粒泥沙的粒径分界点在0.1～0.2 mm附近，假定泥沙粒径范围为0.2 mm＜d≤40 mm，水深0.3 m，根据u*＝0.12V）1／6换算到相应的摩阻流速（或称剪切流速），颗粒越细渗透流速相应越小，0.2 mm＜d≤40 mm时，摩阻流速比上渗透流速为722≥24，渗透流速远小于上表面流

速，因此细颗粒泥沙V2可以忽略不计，V1近似等于摩阻流速u*，式（4）则变为对应的底部切应力τC为

式（5）和（6）比较可知散体沙起动时的切应力为吸应力的2倍，切应力占主导作用。

武汉水利电力泥沙河流研究室的相关研究［2］指出（1965）切应力与吸应力基本处于同一数量级。ChepilW S（1958，1961）［3，4］认为上举力与拖曳力的比值的变化范围为0.53～1.32，平均为0.83。本文结论与其较为接近。

此外，Hinze’s（1975）［5］认为散体沙在紊流条件下平均吸应力τL＝3τC。Emmerling（1973）［6］认为床面的正负波动压力的峰值τL＞6τC，最大甚至可以达到18τC。笔者认为：对于正常松散排列的散体沙，在起动前的瞬间仍然是切应力起主导作用，当单颗粒泥沙凸出在泥沙表面时仍是如此，紊流条件下产生如此大吸力的原因只有一个可能：泥沙颗粒被咬合在颗粒群中了。这里牵涉到泥沙颗粒起动时的排列问题，不做深入讨论。

2 黏土起动机理研究

2.1 黏土特性与起动研究历程

水是由带负电荷的氧离子与带正电荷的氢离子的极化分子所组成，水的电解常数与矿物颗粒的电解常数大不相同，会使矿物颗粒的表面出现过多的电场。这样，水分子就胶着在了矿物颗粒的表面。电荷的作用范围很小，附着颗粒表面的吸附水（也称薄膜水）是与颗粒紧密结合的。当超出电荷作用范围时，结合水与薄膜水相比，吸附力要差得多，称之为非吸附水（也称松弛结合水）。颗粒外表面的吸附水和非吸附水统称为结合水。只包含吸附水而特别固结的黏土是固体，而同时含有吸附水和松弛结合水的黏土则表现出了黏性和可塑性。

结合水的流变特性与游离水有本质区别。简单地说，游离水是牛顿液体，变形不可逆转，液体内部的切应力与变形速度成正比。而结合水由于分子力的影响会改变其流变特性，因此不能看作是简单的牛顿液体，称为宾汉（Bingham）液体，在变形之前首先要克服一个可塑临界应力后才能变为牛顿液体。可塑临界应力不是定值，它随分子力的大小，也就是颗粒间相对位置的变化而变化，随着颗粒距离增大，可塑临界应力的值变小，因此泥沙、土壤的孔隙足够大时可塑临界应力变为0，此时的宾汉液体就变成了牛顿液体。

由此可知，黏土内部的水是不参与流动的，因此黏土不透水。一旦结合水发生流动则说明黏土已经破坏，或者说只有黏土被破坏其内部的结合水才会流动。

Winterwerp（1989）①WINTERWERP JC.Cohesive sediment，Flow induced erosion of cohesive beds，Rijkswaterstaat／Delft Hydraulics，Delft.列举了对冲刷进程的影响因素：黏土的粘聚力、阳离子交换能力、盐度、钠离子吸附比例、孔隙水的pH值、温度、是否掺沙粒、有机质含量和孔隙率等。他认为：黏粒的比表面积越大，则分子间范德华力越大，阳离子交换能力越强，黏土则越难被破坏；有机质的含量会增加黏土的粘结力，以至于需要更大的剪切流速才能破坏；盐度越低，粘结力也越低；同一温度下，孔隙水的pH值越大，粘结力越低；孔隙率越大，黏土越易破坏……。其实，以上这些指标都是反映黏土粘结程度的量，由于无法确切的定量描述，只能定性的说明其对黏土粘结力的影响。

此外，以下几个因素对黏土本身特性也有影响：

（1）黏土颗粒大小、形状、级配与矿物成分。土粒越大，形状越不规则，表面越是粗糙，越易起动。一般颗粒越粗，形状往往越不规则，磨圆与磨光的程度较差。因此，砂土中值粒径随其级配中粗粒组成部分的增加而提高；黏性土的矿物成分不同，黏粒表面结合水和电分子力不同，其起动特性也不同。

（2）密度。黏土的密度越接近1 600 kg／m3，说明固结沉积较好；颗粒的间距越小，分子间作用力与咬合（锁扣）作用就越强。因此密度高的黏土难起动。

（3）含水量。含水量增加时，牛顿液体水变多，则颗粒之间的吸引减弱，使土体易起动。

（4）结构。黏土结构破坏使土丧失强度，因此原状土比同样密度和含水量的扰动土或重塑土难起动。

（5）地域差别。不同地点的黏土颗粒微观形状（图2、图3）和大小都不尽相同导致其特性差异。

图2 台北黏性土扫描电镜照片（Chin＆Liu，1997）②CHIN Chung-tien，CHEN Jie-ru，HU I-chou，et al.Engineering characteristics of Taipei Clay.MAA group Consulting Engineers，Taipei，Taiwan，R.O.C.Fig.2 M icrogram of Taibei clay using scanning electron m icroscope by Chen＆Liu，1997

图3 日本八郎泻海底黏土扫描电镜照片（H.Tanaka）Fig.3 M icrogram of Hachirogata clay using scanning electron m icroscope（H.Tanaka）

事实上，没有一个公式可以适用于所有的黏土。在一些论文中，建立了以上述影响因素中某一个或某几个为变量的冲刷公式，但都是针对特定地域的黏土的。例如：Sundborg（1956）［7］认为黏性土起动受颗粒重力和土的抗剪强度影响，抗剪强度与土体粘聚力和水下休止角有关；Dunn（1959）［8］认为黏土的起动受塑性指数与抗剪强度影响；Smerdon（1959）［9］认为黏土的临界起动切应力与塑性指数、黏粒含量、黏土粒径分布有关；此外，认为黏土起动受切应力影响的还有Kamphuis等。Briaud等（2001）［10］基于黏性土起动受剪切应力影响的观点，制作了冲蚀功能仪，并用冲刷率来描述黏土的冲刷过程。国内的徐伦（1986）［11］、黄岁梁（1997）［12］等学者也都通过现场调查和试验，根据黏土的一些物理指标得出了起动切应力公式。

由上文可知，迄今为止的大部分黏性土起动机理的研究与得到的经验公式均建立在散体沙起动模式——切应力的基础上，不同的公式和研究包含了很多黏性土不同的物理特性指标、化学量和土力学指标，较为纷繁复杂。因此当解决实际工程问题时正如张玮［13］所说：“这些公式的计算结果却相差极大（最大可达200倍！），无法使用。因此，较为可靠的方法是在现场取原状土，通过水槽试验来确定河床质的起动流速。”黏土起动破坏研究上很多东西还是未知的，值得我们重新审视黏土起动的模式和机理。

2.2 黏土起动机理

2.2.1 黏土起动现象分析

根据笔者对起动试验的观察，将起动分为3个阶段：

（1）微动期。黏土表面有少量极小鳞片状微粒剥落。

（2）平台期。流速有较大幅度增加，但土样表面没有任何变化。

（3）破坏期。当流速大到一定程度时，土体表面出现裂纹瞬间大块掀起脱落、粉化。

Mirrskhoulava（1988，1991）②MIRTSKHOULAVA T Y.Basic physics and mechanics of channel erosion，Gidrometeoizdat，Leningrad.，［13］在对黏土起动的描述中谈到：在黏土冲刷的开始阶段，一些片状、块状与土体结合较松的部分被轻易地冲走，这个过程使黏土表面变粗糙，此时水流对床面的切力和上举力加强，黏土很快会被水流破坏带走。

整个破坏过程主要有3个明显特点：

（1）瞬间破坏。安放好土样后从0开始逐渐增加流速，当流速到一定数值时，泥样表面有少量较微小鳞片状或颗粒剥落，随着流速的增加，土样表面无明显变化，当增加流速到一个较大值时土体表面出现裂纹后迅速大块掀起、脱落、粉化，破坏过程在极短时间内完成。

（2）起动流速大。对于固结程度较高的黏性土，本身密度较高，以往对黏性土固结的研究认为，细黏粒理想的沉积固结密度上限约为1 600 kg／m3，而高于这一数值的黏性土仍保持黏性特征，但是较理想固结上限密度黏性土易于启动，这主要由于其中掺混少量砂粒，使其密度增加，同时也破坏了黏性土结构的连续性。

（3）同一土样的起动流速跨度大。同一土样的起动流速差别较大，最大可以达到2倍。

黏性土样的这3个特点是由黏性土本身特性和水流对黏性土的破坏特性决定的，下面逐一解释，并在下一章节用具体试验数据说明。

再看破坏的过程，是瞬间被掀起、脱落随后粉化，这说明黏土的连续表面完整时，高速水流也难于对其产生破坏，而一旦破坏，则整个结构即宣告瓦解，这个破坏过程说明掀起、剥离是最主要的破坏手段，而掀起的力量则来源于高速水流产生的吸力。土体具有一定的抗压和抗滑动能力，吸力实际是使土体受到拉力，抗拉强度低正是土最薄弱的特性。土力学指标中经常使用的粘聚力，即可反映土体的抗拉能力，但由于土工试验相对不确定性，因此粘聚力的单位只能精确到kPa，而且相同土样采用不同试验方法得出的粘聚力能相差数倍。

在实际的黏土起动流速试验中，相同土样的破坏流速相差也很大，首先跟试验设备精度有关；其次是土体的不均匀性，根据J.L.Briaud等［12］的研究，用膨润土代替天然土做试验可以得到较为统一的试验结果；最后由于黏土内部结构的强度不均，当土体被吸起破坏时，离表面最薄弱的部分首先产生裂缝，随后裂缝延伸、整体掀起破坏。需要说明的是黏性土一旦发生破坏，则会一直发展到冲刷坑、槽与水流相平衡为止。

2.2.2 黏土起动机理试验

在破坏前，整个土体表面是连续、完整和不透水的，因此首先要模拟一个完整的黏土表面。取样于厦门的原状黏土，对其表面的粗糙度采用非接触式激光粗糙度仪进行了测定，绝对粗糙高度Δ约为0.003～0.018 mm，用钻石针糙度仪实测有机玻璃表面Δ为0.003～0.011 mm，原状黏土表面绝对粗糙度与有机玻璃表面接近，有机玻璃又不透水。据此，对试验进行概化处理，用平整的有机玻璃代替完整的黏性土表面。其次，用明渠水流代替天然条件下的水流条件，在水槽中进行试验。

模型制作了宽0.6 m、长14 m的上下双层水槽，明渠水流段长11 m、宽0.6 m，水流过渡段长5.4 m，水槽底与边壁为有机玻璃，试验段有机玻璃长1.0 m、宽0.6 m、厚0.01 m。潜水泵所在的水槽动力段深0.6 m、宽0.6 m，采用流量300 m3／h的潜水泵以变频器控制流速。在有机玻璃中心位置打一个直径约1.0 mm小孔，孔径较小可以控制涡流尺度，更接近真实吸应力。小孔背面用有机玻璃管连接硅胶管引出测量压强，用数字压力传感器测量，传感器量程0～±2 000 Pa，精度为1.0FS即实测压强的1%，分辨率1 Pa，测量频率为10次／s。由于动力和水槽条件限制，模型最大能产生的垂线平均流速约为1.0 m／s。

试验采用0.1 m水深，测量3种流速0.28，0.67， 0.96 m／s下产生的吸应力，流速测量采用旋桨直读式流速仪，将其固定于水位测针上测量离底0.37 h深度处的流速，以代表垂线平均流速。图4为试验实测吸应力值。

图4 不同垂线平均流速下产生的吸应力Fig.4 Suction stress under different vertical mean velocities

图5 试验实测吸应力与垂线平均流速的关系Fig.5 Suction stress and verticalmean velocity measured in experiment

图6 黏土水力坡降与渗透流速关系Fig.6 The relationship between hydraulic gradient and seepage velocity of clay

根据3种流速0.28，0.67，0.96 m／s下的吸应力，如图5所示，按式（4）推导。根据Imre V.Nagy＆Gabor Karadi（1961）①NAGY IV，KARADIG.Untersuchungenüber den Gültigkeitsbeich des Gesetzes von Darcy，sterreichishe Wasserwirtschaft，Deft12，1961.的研究，黏土的渗透系数K＝0.72×10－8时，水力坡降达到22.8时黏土才开始渗透，而黏土海床和水槽水力坡降很小，此时没有渗透流速（图6）。可以略去渗透流速V2，再由实测点求出黏土吸应力的经验公式为

这里的V1不能象散体沙起动公式（5）那样用摩阻流速代替，而是扫掠流速（sweep velocity）KV；V为垂线平均流速，K是扫掠流速系数，是扫掠流速占垂线平均流速的比例。摩阻流速是水流对床面泥沙的作用流速，实质是切应力以流速的形式来表示，含有能量的意思；扫掠流速是水流从床面上表面经过的流速，是真实量。相同流速、水深条件下，床面越粗糙，水流与床面所产生的边界层越厚，摩阻流速越大而扫掠流速越小；床面越光滑，边界层则越薄，摩阻流速越小而扫掠流速越大。试验数据由最小二乘法得到K值介于0.70～0.84之间。

此时水流产生的吸应力就像个完美贴合床面的大吸盘将黏性土整体吸起，此时克服的就是黏性土在水下的重力，由此可以得到式（8）和（9），估算完整黏性土初次破坏时的厚度T：

表1计算了试验条件下的摩阻流速，然后换算到切应力，再和实测的吸应力作比较，134＜＜941，平均值为575。

表1 黏土起动吸应力与切应力比较Table1 Comparison of suction stress and shear stress when the clay being started

2.2.3 黏土起动破坏的主导因素

黏土的3大起动破坏特性（①瞬间破坏；②起动流速大；③起动流速跨度大）从表象说明了黏土起动与散体沙起动的本质区别：切应力是散体沙的起动的主导因素；吸应力是黏性土起动破坏的主导因素。

黏土结构致密、胶结，表面光滑、内部不透水，水流对黏土的切应力无法作用在黏性土表面，因此，只有当流速大到一定程度时水流与床面产生的吸应力才能对黏土产生破坏，吸应力撕裂表层土体与黏性土基床。黏土起动破坏的外部因素是吸应力破坏黏土的连续表面，而黏土抗拉性能则是其抗破坏能力的内在因素。Davidenkoff（1955）②DAVIDENKOFF R N.De la composition des filtres dans des barrages en terre.5eme Congres des Grands Barrages.Paris 1955，Question 16，Rapport Nr.25.采用米歇利斯抗拉强度试验仪对土样进行了抗拉强度试验，结果见表2。

表2 Davidenkoff的黏土拉力试验结果Table2 Tensile strength test results of the clay by Davidenkoff

表2中的抗拉强度值与本文试验公式（7）得到延伸至2 m／s的应力值980～1 411 Pa（K取0.70～0.84）范围接近。

3 结 论

（3）吸应力是黏土起动破坏的外在主要因素，吸应力撕裂表层土体与黏性土基床，根据试验资料吸应力与流速的关系为：τL＝（KV）2，K取0.70～0.84；平均吸应力为切应力的575倍，最大吸应力可达切应力的941倍。

（4）黏土破坏难易程度的内在主导因素是黏性土的抗拉强度。

（1）在散体沙起动机理方面，明确了切应力是起动的主导因素。理想状态下，在散体沙颗粒起动瞬间，水流的切应力是吸应力的2倍，即τC＝2τL。

（2）黏性土的外在破坏特征为瞬间破坏、起动流速大和起动流速跨度大，黏性土的内在特点为结构致密、胶结，表面光滑且不透水，外在的破坏特征和内在特点决定了黏性土与散体沙起动的本质区别。

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（编辑：周晓雁）

Erosion M echanism of Clay

MAO Ning
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China）

Firstly，according to the force analysis of acting on a sand and the view-point of shear stress and suction stress，the author found out the dominant factor in the incipientmotion of noncohesive sediment is shear stress.Secondly，the former researcherswho followed the theories of noncohesive silt thought that themechanism for erosion of clay is similar to noncohesive silt.They focused on the shear stress of clay and gotmany empirical formulas.The calculated results obtained by these formulas have greater differences.Finally，in accordancewith the clay erosion process and its characteristics，the author designed an experiment in open-channel.The result of experimentation proved the existence of suction stress.Afterwards，the author got the relationship between suction stress and verticalmean velocity.Themaximum suction stress is up to 941 times of shear stress.We draw a conclusion that the suction stress is the extrinsically dominant factor of clay erosion，the tensile strength of clay itself is the inherent factor that resists the destruction of flow.

clay；erosion mechanism；suction stress；shear stress

TU43

A

1001－5485（2010）09－0053－06

2010-03-18

毛 宁（1976-），男，江苏南京人，工程师，主要从事海岸泥沙、冲刷方向的研究，（电话）13062550463（电子信箱）nmao＠nhri.cn。