时间：2022-09-18 10:41:41
1泥沙流变学的主要研究内容
泥沙流变学是研究群体泥沙在外力作用下的流动和变形规律，以及这些规律在工程及自然中应用的科学。研究对象以粘性泥沙为主。研究内容主要有泥沙的基本流变特性、泥沙流变测量法、泥沙流变模型、复杂流动行为及其数值模拟、以及泥沙流变规律在工程和自然界中的应用等。其中，泥沙流变模型为流变学的一项关键内容。泥沙流变学面对的典型流场通常有稳态简单剪切流场和振荡剪切流场。在稳态简单剪切流场中，研究泥沙的稳态流变特性;在振荡剪切流场中，研究泥沙的粘弹性流变特性。泥沙的基本流变特性可用粘度(塑性粘度、表观粘度等)、屈服应力、剪切应力、剪切速率、触变性、流动系数、稠度系数、剪切变稀等来表示。泥沙的流动变形规律可用泥沙流变模型来表示，即建立其剪切应力和剪切速率(或剪切应变)等流变参数的数学表达式。泥沙的粘度表征泥沙变形产生的阻力因子，不是一个常数，而是剪切速率和剪切历时的一个函数。在大多数场合下，发现不同浓度的泥沙都变现出剪切变稀的行为，即其粘度随剪切速率增加而降低，有时候也会出现剪切增稠现象。泥沙的流变特性还具有时间效应，表现为触变性(Thixotropy)［16］。在恒定的剪切作用下，泥沙的初始结构逐渐被破坏，支撑泥沙结构的键(Bond)的作用逐渐减少，与此同时，泥沙结构本身的自我修复，其键的作用又在逐渐恢复，最终当破坏率和重建率相等时将达到一个动态平衡的状态。一旦撤掉或减弱这种剪切作用后，其自身结构逐渐获得恢复，相应的粘度又逐渐恢复上升。屈服应力是泥沙的一个重要流变学特性。只有在克服了特定的临界应力条件以后，泥沙才开始表现出流动的行为。屈服应力的研究对于泥沙，特别是粘性泥沙的起扬和冲刷问题十分重要。高浓度泥沙的屈服往往还伴随着固态到液态的相态转变。然而，泥沙的触变性增加了其屈服应力确定的困难性。屈服应力与泥沙相态转变的机理尚待探索。在诸如波浪、地震等循环荷载作用下，泥沙可能表现出粘弹，循环载荷的作用可以加速泥沙的流变行为。因此，泥沙在循环载荷下的动态流变特性是泥沙流变学的一项研究内容。显然，泥沙的这些流变特性不但与其力学特性有关，还取决于其微观结构。因此，宏观流变特性与其微观结构两者之间的关系也是泥沙流变学的重要研究内容。除此之外，泥沙流变学在工程中的应用也一项重要内容，将泥沙的变形和流动规律有效地应用到工程实践中，为人类兴利除弊起到指导作用。
2泥沙流变学的研究方法
泥沙流变学的研究方法有实验研究、理论分析与数值模拟。
2.1实验研究
实验手段是研究泥沙流变学的基础，流变测量学［17］为泥沙流变实验研究提供了方法与手段。泥沙流变测量的主要设备是流变仪，长期以来泥沙流变实验受制于仪器设备，近年来流变仪获得了可喜的发展。按照载荷的加载控制方式不同，可分为控制应力型和控制应变(率)型流变仪;按照其结构和测量原理不同，主要有旋转流变仪、振荡流变仪、毛细管流变仪等。其中，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。目前使用较多的流变仪主要有德国Haake、美国TA、英国Malven、奥地利Anton-Paar等。相比于粘度计来说，一般的流变仪可给出完整的流变曲线，除了粘度以外，还可以测量出许多流变信息，如剪切应力、剪切速率、应变、屈服应力等。先进的旋转流变仪还具备动态振荡测试模式，甚至还可以测量出松弛时间、储能模量、损耗模量、复数模量、损耗因子、法向应力差等。实验主要包括剪切速率/应力场扫描测试(Shearratesweep/stresssweeptest)、屈服应力测试、蠕变测试(Creeptest)、蠕变—恢复测试(Creep-Recoverytest)、触变性测试、时间响应测试、粘弹性测试等。剪切速率/应力场扫描测试通过对泥沙样本连续施加一定范围的应变率或者应力，测得相应的剪切应力/剪切速率和粘度等流变参数。作为最基本的流变测试，其测试结果可描绘成流变曲线和粘度曲线等。通过这些流变曲线可以建立相应的泥沙流变模型。屈服应力实验用于测定泥沙的屈服应力。屈服应力的测定方法主要有直接法和间接法两种。最直接的方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，还可以通过十字板方法等测量泥沙的屈服应力值。间接方法可通过对所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，如宾汉姆屈服应力等。蠕变实验是通过对泥沙样品施加恒定的应力，测量其相应的剪切应变(率)随时间的变化规律。在施加一段时间的恒定应力后撤销此应力，测量其剪切应变的恢复规律，即进行蠕变—恢复测试。泥沙的触变性可通过滞后环法、应力—时间曲线法等来表征。泥沙的线性粘弹可以通过静态法和动态法测得。静态法即蠕变—恢复试验，动态法即振荡剪切试验。小振幅振荡剪切试验研究泥沙的线性粘弹性特性，大振幅振荡剪切实验研究泥沙的非线性粘弹性特性。为了展示泥沙流变特性的复杂性，作者在实验室内利用RheolabQC流变仪测量了长江口疏浚土的流变曲线(见图1)和粘度曲线(见图2)。泥沙样本的平均粒径为0.0635mm，含水率37%。图1显示了泥沙样本的剪切应力和剪切速率之间的规律。剪切速率不断增加所对应的曲线称之为上行曲线，反之，剪切速率不断减小所对应的曲线称之为下行曲线。上行曲线和下行曲线形成滞后环，所包围的面积表征泥沙的触变特性。图2显示出泥沙样本的粘度随着剪切速率的增加而逐渐减小，同时又随着剪切速率的逐渐减小而恢复。由此可见，该泥沙样本既表现出触变效应，又具有剪切变稀效应。伴随着剪切作用其相态发生转变，即从固态到液态的转变，整个流变曲线可以分为4个区，即固态区、类固态区、类液态区和液态区，每个区对应着不同的流变规律。此外，样本所受剪切时间的不同，其流变特性也不同。说明该泥沙样本的流变特性与剪切时间(或历史)密切相关，具有时间效应。
2.2理论分析
理论分析是通过实验数据，结合物理特性，以连续介质力学为依托，将其与普适的数学模型相结合，其主要目标是建立泥沙流变模型，即通过关联剪切应力和应变(率)关系的数学计算表达式来表示泥沙复杂的流变行为的内在规律。然后将流变模型(即本构方程)与动量方程、连续性方程联立，在适当的边界条件和初始条件下求解来预测泥沙在实际中较复杂的流动行为。流变模型的正确建立将对泥沙或底泥的起动机理、运动规律等研究提供很大的帮助，特别是对高浓度泥沙在波浪等外力作用下固态—液态的转变机理的描述起至关重要的作用。纯粘性的非牛顿流体(即宾汉体、伪塑性体及膨胀体)和粘弹性体的流变规律需要采用不同类别的流变模型来描述。对于非牛顿流体，主要的流变模型有宾汉姆塑性模型、Herschel-Bulkley模型、Casson模型等［18］。此外，还有反映粘度与剪切速率关系的Cross模型、Carrean模型、Sisko模型等［7］。对于具有粘弹性的泥沙，可分为线性粘弹性和非线性粘弹性模型，如Kelvin-Voigt模型和Maxwell模型。目前应用最广泛的流变模型为Herschel-Bulk-leymodel［11］。此模型又可称为带屈服应力的幂律模型或广义的宾汉模型。对于高浓度泥沙所受压缩载荷引起的变形来说，可以参考压缩流变学理论［19］等。此外，对于泥沙微观结构与宏观流变特性之间的关系，Toorman曾引入一个结构参数来描述粘性泥沙的触变行为［20］。细颗粒泥沙以群体聚集在一起时，颗粒之间存在键(bond)的作用而形成团粒，键的强度和团粒的数量不但与颗粒的大小、颗粒距离、含水率、颗粒表面的物理化学性质、温度等因素有关，而且还与其所受的外部荷载有关。泥沙粒径越小，键的作用越大。当外部荷载的作用超过这些键的强度时，键将会被破坏，泥沙群体的微观结构发生变化，从而发生不同程度的流变。微观结构分析也许是获得泥沙流变模型的一条途径。
2.3数值模拟
数值模拟已经成为流变学研究的一个重要手段。对于非牛顿流体数值模拟的方法主要有有限元法、有限体积法、有限差分、谱方法，以及新近发展起来的格子玻尔兹曼法等。这些数值模拟方法可应用到泥沙流变学中。Hyvaluoma等人通过格子玻尔兹曼法曾成功模拟剪切流下的粒子悬浮液［21］。
3泥沙流变学的应用
泥沙流变学的应用范畴非常广泛，不但涉及自然现象的揭示，而且关乎工程建设、防灾减灾等需求，其主要应用领域分别简述如下。
3.1工程泥沙
泥沙的流变现象广泛存在于水利工程中，涉及航道淤积、冲刷、海堤建设中的加载稳定、围海造地的软基沉降、疏浚清淤中的管道输送等。广泛存在于淤泥质河口海岸等地区的浮泥，在波流等载荷作用下，表现为粘塑性、假塑性或粘弹性体［22］，具有很强的触变性，流动性大，往往影响航道通航水深，造成疏浚困难。此外，浮泥还影响河口海岸的演变等。风浪流与底床的相互作用决定了水下泥沙垂向剖面四个层的划分(动态悬浮层、动态浮泥层、静态浮泥层和粘性底床层)和相应的流变特性。其中，浮泥层的发展对于水体中悬扬的泥沙和水流的相互作用起着重要的影响，浮泥层是波浪、水流对粘性底床层作用的结果，粘性底床层为浮泥层的发展提供了泥沙来源。底床的流变特性反过来也会影响水流和波浪的能量损耗。因此，研究河口海岸以及湖泊水流和风浪能量的损耗，就必须考虑风浪和流与底床相互作用。对于河口海岸、海洋以及大型湖泊中底泥冲刷、浮泥产生与运动、水底薄层流等问题，剪切变稀效应是应该考虑的一个重要因素，在风浪流等载荷长期作用下底床发生剪切变稀行为，使得起泥沙流变得容易，底床也易被冲刷。我国海堤建设中有时采用袋装沙构筑堤心，施工过程中坝体不断发生流变。工程经验表明，海堤的稳定性不但受荷载大小的影响，而且受加载速度的影响，加载过快也会造成海堤失稳。因此，合理的加载速度是施工关心的重要问题。但由于目前缺乏基于流变特性的相关研究，施工全靠工程经验。我国东南沿海广泛分布着海相沉积软粘土，结构物的沉降和变形破坏问题常见于围海造地、堤坝、桥梁、公路、铁路等工程中。复杂的软粘土流变性和结构性给地基基础工程设计与施工带来困难。例如，工后沉降量的准确预测是吹填工程设计中的难项，其主要原因是，组成软基的土壤具有蠕变性和应力松弛等特征，其流变特性随时间而改变。因此，深入研究软基土的流变特征，有助于指导堤坝等施工，有益于发展软弱地基的处理技术，和提高地基沉降预测的可靠性。
3.2水环境工程
泥沙运动直接影响水环境的物理、化学和生物过程，水体中的重金属、有毒物质、营养盐、微生物吸附在泥沙颗粒的表面，随其悬扬和推移而迁移扩散，同时又可能释放出来造成水体污染［2］。不同流变特性的泥沙，吸附能力不同，表面吸附后的泥沙流变特性亦会发生改变，释放能力也会不同。很显然，如果风浪流的作用越强、时间越长，底泥发生流动和变形的深度和程度越高，无疑，内部的污染物扩散能力会加强。因此，在风浪流的作用下底泥发生的流变使得水体和底泥的污染物、营养盐的交换加强，其定量的描述离不开泥沙流变规律。
3.3水生态工程
在河流、湖泊等湿地环境的所有固体表面都有生物膜形成，泥沙生物膜的生长过程影响泥沙输运的过程和发展。方红卫等人的实验结果表明粘性泥沙的流变特性随着生物膜的增长过程逐渐改变［23］。同样地，泥沙的流变特性会影响生物膜的生长，从而影响藻类和其他水生植物的生长与繁殖。水底表层泥沙的流变特性也会直接影响水生动物与水生植物的生长与繁殖。例如，红树林果实成熟后落入水体中必须插入一定深度的泥里才能发芽生长，否则就会被水流带走，但入泥太深也影响其发芽生长。果实下落入土的剪切力和底泥的特性决定了其入泥的深度。鱼类的产卵与繁殖无疑也与底床的流变特息相关，水底泥沙的流变特性还决定洞栖等鱼类的行为。
3.4泥沙运动模拟
细颗粒泥沙流变的复杂性带来了很多泥沙问题研究的不确定性。长期在风浪流的作用下，底床泥沙的起动、悬扬和推移运动等取决于剪切变稀或增稠的情况，物理模型实验中的底床应该如何铺设目前缺乏深入研究。铺设原样底泥肯定有些问题，模型沙如何与原样底泥保持相似的流变特性，床沙的模型率如何确定等一些关键问题有待进入探讨。同样地，数学模型中的底床模型如何反映其流变特性，目前缺乏深入考虑。模型的模拟精度受制于这个瓶颈问题。
3.5地质灾害的防治
地质灾害中很多与泥沙流变直接关联，如地震、滑坡、泥石流等。较强的地震使土体内部结构产生变形和流动，甚至表现为土壤液化或流化。泥石流的产生、运动和消亡过程中时刻都在发生流变。国内外学者从流变学的角度提出了宾汉体模型、膨胀体模型、粘塑体模型、颗粒流模型、两相流模型等［24］，在此基础上，倪晋仁和王光谦教授又提出了泥石流结构两相流模型的概念与基本理论，为精确的确定流变参数提供可能［25］。然而，由于过去的流变测量手段的限制，对泥沙流变的剪切变稀效应和触变性未能够充分反映出来。
3.6流变特性的人工干预
通过人工干预诱发或者抑制细颗粒泥沙的剪切变稀和触变，可以应用于工程设备的开发与工程施工中。混凝土在高频震动棒的作用下不断液化就是工程中常见的一种利用触变性的行为。作者近年来提出了依靠高频微幅振动进行管道埋设的方法(专利号:200510029489.6)，对管缆路由附近的底泥进行高频机械振动液态，以期实现海底管缆的埋设，也许具有对施工环境影响小、施工能耗低等优点。类似的技术还可应用于其他工程，如带高频振动的锚(专利号:200810038546.0)可以容易钻入细颗粒底床中，在实验室中的抓重比高达100;此外还可能用于管道输送减阻以及闸门的开启［26］等。
4结论
细颗粒泥沙的基本性质随外力大小和外力施加速度的变化而变化，其剪切应力与剪切速率的关系随剪切时间和剪切历史而变化。本文提出泥沙流变学，以此作为泥沙研究的一个分支学科。泥沙流变学应该远超出本文所简述的内容，作者仅抛砖引玉，翼同行不断对此丰富与发展。本文阐述了泥沙流变学的主要研究内容、研究方法和应用范畴。其研究对象以粘性泥沙为主，主要研究内容包括泥沙的基本流变特性、泥沙流变测量法，泥沙流变模型、复杂流动行为、复杂流动行为的数值模拟，以及泥沙学的应用等，并以长江口疏浚泥沙样本的流变实验为例，给出了其流变曲线和粘度曲线，展示了其流变的复杂性及相态转变的4个分区。最后，介绍泥沙流变学的应用范畴。
作者：喻国良 杨闻宇 洪国军 单位：上海交通大学 中交上海航道勘察设计研究院有限公司