不同含水率对海相黏土流变特性和流变参数的影响

李 伟，刘叔灼,2，单 毅，孙尉翔

不同含水率对海相黏土流变特性和流变参数的影响

李 伟1，刘叔灼1,2，单 毅3,4，孙尉翔5

（1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510641；3.广州大学土木工程学院，广东 广州 511442；4.帕多瓦大学地球科学系，帕多瓦 35122；5.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510641）

【目的】研究不同含水率对海相黏土流变特性的影响规律，分析其流变特性的作用机理。【方法】借助大振荡剪切试验，从储能/损耗模量、非线性黏弹性、屈服应力、塑性黏度等不同角度，研究含水率对海相黏土流变特性的影响。【结果】储能模量数值、损耗模量峰值与含水率敏感性保持一致。利用数值拟合获得海相黏土的塑性黏度、屈服应力随含水率的变化规律。【结论】海相黏土的非线性黏弹性可通过Lissajous曲线来表征，含水率对海相黏土流变特性有很大影响，增加含水率可削弱其非线性黏弹性，土样更易屈服，黏度降低。

流变学；海相黏土；含水率；非线性黏弹性

全球（不含南极洲）海岸线总长度为2 259 617.64 km[1]，全球范围内海岸线变迁较为频繁，目前总体呈增加趋势。海相软土在典型河口三角洲海岸、海域分布广泛。海岸土受到海浪和潮汐等动荷载作用，在海岸线范围内会引发海岸滑坡，甚至引发海岸线侵蚀，海岸线的侵蚀与增长已成为全世界广泛关注的问题之一[2]。

前人通过三轴蠕变试验研究土的蠕变规律[3-5]。然而海相黏土在海浪和潮汐等外在动力驱逐下，土与波浪形成相互作用，土壤内部产生动力响应[6]，使用蠕变试验研究土样的动力响应不符合海相黏土的应用场景，故需选择一种合适的测试方法研究海相黏土的动力蠕变响应。学者们采用旋转流变仪测试材料的流变特性[7-8]，进而研究其振荡流变学。近年来，一些学者开始利用流变仪进行流变试验对土壤的振荡流变性质进行研究。沈寿长[9]利用环形锥板式流变仪研究泥石流流体的流变特性。胡华[10]通过同轴圆筒旋转流变仪试验分析不同粘粒含量土的流变特性。Markgraf等[11]利用振幅扫描试验研究有机碳含量对土壤流变性的影响。Baumgarten等[12]使用平行板式旋转流变仪在振荡模式下研究不同盐度河岸土壤的流变特性和参数影响规律。因此，使用旋转流变仪来研究海相黏土的流变特性是一种合适的测试方法。

土壤含水量是工程地质中常用的土壤参数。软土含水量对流变特性和流变参数有很大影响[13]，但研究多集中低于液限的土壤[14-16]，很少涉及高于液限的海相黏土。在土样高于液限的条件下，研究不同含水量对海相黏土流变特性和流变参数的影响规律，对海相黏土的流变学研究有实际指导意义。本研究采用大振荡剪切试验，在大应变条件下，探讨不同含水量下海相黏土的流变特性，分析其流变特性的作用机理，以期为研究动荷载对土的流变特性的影响、评估海岸边坡稳定及河道口安全乃至海底边坡稳定性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试样制备

对典型河口三角洲海相黏土的流变特性进行研究，需要严格控制试样的初始条件，同时避免颗粒尺寸、阳阴离子等其他因素的干扰，以保证试验结果的可靠性。因此，试验前对矿物进行颗粒级配和XRD测试，保证矿物纯度满足试验要求和50在相同水平，且测试的全过程均采用去离子水。根据此前调查和试验[17-18]，制备人工黏土土样时，采用石英（Q）、长石（F）、蒙脱石（M）、高岭石（K）4种矿物，按照每20 g土样中矿物的质量比（Q∶F∶M∶K= 8∶2∶5∶5）确定土样Q8F2M5K5的矿物组成。采用激光粒度仪对组成试样的4种矿物颗粒测试颗粒级配，测试结果见图1。同时，利用X射线衍射试验、相对密度试验、液塑限试验、比表面积试验分别测试矿物的纯度、相对密度、液限、比表面积，试验结果见表1。

图1 组成海相黏土的4种矿物颗粒级配

表1 试验矿物基本参数和物相分析结果

为测试不同含水率对海相黏土流变特性的影响，人工制备1.0倍、1.25倍、1.5倍、2.0倍液限的土样。去离子水采用蒸馏法制备，并储存冷却备用。在制备土样前，对矿物进行干燥处理，放入烘箱12 h，设置温度为105 ℃。待矿物烘干完毕，采用电子天平称量设计质量比的矿物，并将称量后的矿物放入玻璃容器中以待混合。机械搅拌5 min，以使矿物混合充分。制备不同含水率的土样，在玻璃容器中加入设计含水率的去离子水，分2次将土样和去离子水混合均匀，每次机械搅拌3 min。最后将混合好的模拟土壤密封保存备用。

1.2 大振荡剪切试验方案

采用TA-Instruments公司（美国）开发的应变控制流变仪（ARES-RFS）测试土样的流变特性，使用的流变仪系统为叶片转子系统。流变测试全程采用恒温器控制温度在25 ℃。试验顺序如下：1）测试前，设置仪器的流变测试参数。试验数据记录的频率为每10倍记录5个点，等待调节温度的时间为300 s；2）为使样本处于相同的初始条件，试验装样后先静置10 min；3）设置大振幅扫描试验的动态应变扫描角频率，即恒定2.5 rad/s（0.4 Hz），施加振幅增加的振动剪切应变（在1% ～ 100%之间改变施加的剪切应变振幅），每个应变幅值循环10次。大振荡剪切流变试验及其相关参数见表2。

表2 海相黏土大振荡剪切流变试验及其相关参数

2 结果与分析

2.1 含水率对流变特性的影响

大振荡剪切流变试验的应力和应变振幅的关系式[19]为

土样的流变特性主要受含水量的影响[20]，不同含水量对海相黏土流变特性的影响可归结于矿物颗粒固体之间的作用。土样由非黏土矿物（石英、长石）和黏土矿物（蒙脱石、高岭土）组成，这些矿物颗粒团聚体之间存在空隙，而这些空隙由液态水进行填充。当土样含水率减少时，固体与固体之间的间距减少，固-固作用增强。在测试过程中，含水率越低，颗粒之间的接触增加，土样结构稳定性增加。因此，含水率越低，储能模量越高，损耗模量越高，代表耗散能的损耗模量峰值也越高。反之，含水率增加，颗粒之间空隙中液态水增多，颗粒固体之间的接触减少，颗粒之间的摩擦作用减弱，使土样刚度降低。

图2 储能模量在0.4 Hz频率下随不同含水率土样的变化

图3 损耗模量在0.4 Hz频率下随不同含水率土样的变化

图4 频率为0.4 Hz的不同液限下土样的Lissajous曲线

2.2 含水率对屈服应力的影响

图5 土样屈服应力随含水率变化曲线

土样流变特性受其组成成分的有关排列、颗粒性质、固-液相互作用的共同影响[23]。图6为天然土壤元素的广义示意[24]，土样中包含黏土区域和准晶体，而黏土区域是高岭土颗粒，准晶体是蒙脱石颗粒。土样（土水混合物）由黏土区域、准晶体、非黏土矿物形成团聚体，其孔隙之间则充满液态水，在颗粒层间的水分子与颗粒之间配合形成稳定结构。这种组成形式，表明层间水的作用之一是增强土样的抗剪切能力，然而团聚体孔隙的液态水增加会导致土样提前屈服。此外，水可以作为润滑剂减少颗粒相互作用，因此随着含水率增加，土样更易屈服。

图6 天然土壤元素的广义示意

2.3 含水率对塑性黏度的影响

图7 土样塑性黏度随含水率变化曲线

在线性黏弹性阶段，土样表现出有限的黏弹性[25]。当试验进一步测试至超过屈服点时，黏土和水层表现出相反结果，水层的剪切抗性会增强[26]，而黏度则以指数形式在黏土表面下降。当含水率增加，颗粒之间距离增加，此时固-固相互作用表现不明显，颗粒间摩擦力减少，当絮状结构变得松散时，黏度下降明显。此外，随着含水率增加，颗粒之间的游离水增多，固-液相互作用表现强烈，土样的流动性增加，黏度急剧下降。

3 结论

通过大振荡剪切试验，分析不同含水率对土样的流变特性、流变参数影响规律，并从储能/损耗模量、非线性黏弹性、屈服应力、塑性黏度等不同角度，讨论不同含水率对海相黏土流变特性的影响，得到以下结论：

2）随着含水率增加，Lissajous曲线的椭圆形状越明显，其非线性黏弹性越不明显。土样含水率增加可以削弱其非线性黏弹性。

3）屈服应力随着含水率增加而降低，呈指数减少。随着含水率增加，水可以作为润滑剂减少颗粒相互作用，土样更易屈服。

4）含水率直接影响土样的塑性黏度。塑性黏度随着含水率增加而降低，且近似指数关系。增加含水率可以减少颗粒固体之间接触的可能性，固-固作用降低，颗粒之间摩擦作用减弱，土样黏度急剧下降。

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Effect of Different Moisture Content on Rheological Properties and Rheological Parameters of Marine Clay

LI Wei1, LIU Shu-zhuo1,2, SHAN Yi3,4, SUN Wei-xiang5

（1.,,510641,; 2.,,510641,; 3.,,510006,; 4.,,351225,; 5.,,510641,）

【Objective】To study the effects of different moisture content on the rheological properties of marine clay and analyze the mechanism of its rheological properties.【Method】With the aid of large oscillation shear tests, the effects of moisture content on the rheological properties of marine clay were investigated from the aspects of storage/loss modulus, nonlinear viscoelasticity, yield stress and plastic viscosity.【Result】The storage modulus value and the peak value of loss modulus were consistent with the sensitivity of moisture content.The variation law of plastic viscosity and yield stress with moisture content of marine clay was obtained by numerical fitting.【Conclusion】The nonlinear viscoelasticity of marine clay can be characterized by Lissajous curve.Moisture content has great influence on the rheological characteristics of marine clay, and the increase of moisture content will weaken the nonlinear viscoelasticity of marine clay, making the sample more likely to yield and reducing its viscosities.

rheology; marine clay; moisture content; nonlinear viscoelasticity

P642.1；TU41

A

1673-9159（2022）02-0120-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2022.02.015

2021-10-24

国家自然科学基金项目（52008121，52011530394）；广东省自然科学基金面上项目（2020A1515010713）；中国博士后科学基金面上项目（2020M682652）；广东省青年优秀科研人才国际培养计划

李伟（1995―），男，硕士研究生，研究方向为土木工程地质。E-mail：1334588213@qq.com

单毅（1989―），男，博士，助理研究员，研究方向为土木工程地质和软土动力特性。E-mail：yshan@gzhu.edu.cn

李伟，刘叔灼，单毅，等.不同含水率对海相黏土流变特性和流变参数的影响[J].广东海洋大学学报，2022，42（2）：120-125.