重塑粗粒土-黏性土混合物沖刷特性研究

高曉靜，王秋生，李 勇，鄒福林

（1.交通運輸部公路科學研究院橋梁隧道研究中心，北京 100088；2.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124；3.中鐵十一局集團有限公司，湖北武漢 430061）

1 研究背景

巖土類材料的沖刷是造成河岸遷移、橋墩沖刷破壞、土石壩潰決以及水庫淤積等工程問題的主要原因［1-2］。無黏性砂礫和黏性土是土體沖刷特性研究的主要對象［3-6］。然而，許多自然環(huán)境下，無黏性砂礫和黏性土并不是單獨地存在，而是以混合物的形式分布［7-8］。近年來，混合土體沖刷特性研究主要針對砂土-黏性土混合物展開［9］，礫石-黏性土混合物的研究較少［2］?；旌贤馏w的沖刷過程涉及許多復雜的物理和化學過程，重塑土在制樣時可以對其成分和性質(zhì)進行控制，采用重塑土可以更好地研究混合土體沖刷特性的影響因素和演化規(guī)律［10］。

泥沙沉積工程中，土顆粒粒徑大于2 mm 的為礫石，顆粒粒徑范圍0.063～2 mm 的為砂粒，顆粒粒徑范圍0.004～0.063 mm 的為粉粒，粒徑小于0.004 mm 的顆粒為黏粒［11］。文中顆粒粒徑小于0.063 mm的粉粒和黏粒統(tǒng)稱為黏性顆粒（粒徑小于0.063 mm的顆粒），黏性顆粒含量（pm）是指混合土體中黏性顆粒所占的質(zhì)量百分比，黏粒含量（pc）是指混合土體中黏粒（粒徑小于0.004 mm的顆粒）所占的質(zhì)量百分比。

不同于砂礫和黏性土，隨著黏性顆粒含量的變化，混合土體表現(xiàn)不同的沖刷行為，臨界黏性顆粒含量是判斷混合土體沖刷行為的重要參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，無黏性砂礫中加入少量的黏性土，其沖刷特性會發(fā)生明顯的變化，隨著黏性土含量的增加，混合土體的抗沖刷性能增強，沖刷速率降低，混合土體表現(xiàn)出黏性土的沖刷特性［12］?；谠囼炑芯浚瑢W者們給出了混合土體沖刷特性由無黏性轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば詴r對應(yīng)的黏性顆粒含量范圍，并定義為臨界黏性顆粒含量（pmc）。Alvarez-Hernandez［13］通過砂土-黏土混合物沖刷特性試驗，指出黏粒含量范圍在5%～15%時，砂土-黏土混合物的沖刷特性由無黏性變?yōu)轲ば浴itchener等［12］和Houwing［14］根據(jù)其研究結(jié)果得出混合土體臨界黏性顆粒含量的范圍分別為3%～15%和20%～30%。Van Ledden 等［11］認為采用臨界黏粒含量來判斷混合土體沖刷行為由無黏性轉(zhuǎn)為黏性更為準確。

相同水流強度條件下，無黏性土的沖刷速率可以高出黏性土兩個數(shù)量級。合理預測混合土體的沖刷速率，需要根據(jù)臨界黏性顆粒含量的范圍，正確判斷混合土體的沖刷行為。目前臨界黏性顆粒含量的取值范圍主要根據(jù)試驗現(xiàn)象和試驗結(jié)果定性給出，基于礫石-黏性土混合物沖刷試驗研究匱乏，有必要開展相關(guān)混合土體臨界黏性顆粒含量的研究。混合土體沖刷行為主要根據(jù)砂粒、粉粒和黏粒含量進行分區(qū)判斷［11］，缺乏衡量混合土體沖刷行為的物理量。本文應(yīng)用沖刷函數(shù)測定儀，對三種粗粒土-粉質(zhì)黏土混合物進行了沖刷特性試驗，研究了三種混合土體沖刷速率和起動切應(yīng)力的變化規(guī)律，得出臨界黏性顆粒含量的范圍，提出了混合土體沖刷黏性度的概念，基于試驗數(shù)據(jù)確定了沖刷黏性度的計算表達式。

2 沖刷特性試驗

2.1 試驗制備與方案試驗測試的三種混合土體由粗粒土和黏性土組成。粗粒土選用中值粒徑為1.5 mm的均勻石英砂以及粒徑為5.5 mm和7 mm的均勻礫石，無黏性砂礫的中值粒徑用ds表示。黏性土選用北京某地鐵施工現(xiàn)場的粉質(zhì)黏土。采用激光粒度分析儀測定粉質(zhì)黏土的粒徑分布，粒徑級配曲線如圖1所示，粉質(zhì)黏土中值粒徑為0.0164 mm，砂粒含量為17%、粉粒含量為59%，黏粒含量為24%，黏性顆粒含量為83%。使用液塑限聯(lián)合測定儀測得粉質(zhì)黏土的液限為32%，塑限為17%，塑性指數(shù)Ip為15%。采用擊實儀測得粉質(zhì)黏土最優(yōu)含水率為13.63%，最大干密度為1937 kg/m3。

為得到較為均勻的試樣，采用固結(jié)的方式制備土樣。將現(xiàn)場取回的粉質(zhì)黏土烘干后磨碎，過2 mm的篩子，將粉質(zhì)黏土與粗粒土按一定比例混合，得到干燥的粗粒土-粉質(zhì)黏土混合物，混合土體中粉質(zhì)黏土的質(zhì)量百分比稱為粉質(zhì)黏土含量（psc）。取適量的自來水倒入混合土體中，均勻攪拌至稠狀并靜置24 h，將稠狀混合物倒入固結(jié)儀中進行排水固結(jié)，固結(jié)壓力設(shè)置為100 kPa，當試樣在24 h內(nèi)的固結(jié)變形量小于0.01 mm時，固結(jié)完成。用Shelby試樣筒從固結(jié)儀中取出已固結(jié)好的試樣，進行沖刷試驗，固結(jié)儀中剩余的土樣用以測量混合土體的物理力學參數(shù)：密度ρ，含水率w，干密度ρd和孔隙比e，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗方案及混合土體物理力學參數(shù)

用符號G1、G2、G3 代表砂土（ds=1.5 mm）-粉質(zhì)黏土混合物、礫石（ds=5.5 mm）-粉質(zhì)黏土混合物、礫石（ds=7mm）-粉質(zhì)黏土混合物。三種混合土體各進行5組試驗，為獲取較為精確的臨界黏性顆粒含量范圍，每種混合土體5組試樣中粉質(zhì)黏土含量的取值根據(jù)試驗現(xiàn)象采用二分法確定，具體試驗方案如表1所示。

2.2 試驗設(shè)備與步驟采用沖刷函數(shù)測定儀［15］（圖2）開展混合土體沖刷特性試驗。沖刷函數(shù)測定儀可以進行粒徑小于10 mm土體的沖刷特性試驗［16］，試驗流速范圍為0.1～6 m/s。

圖1 粉質(zhì)黏土粒徑級配曲線

圖2 沖刷函數(shù)測定儀

試驗步驟如下［17］：（1）將裝有土樣的Shelby試樣筒固定在頂土活塞槽內(nèi)，通過頂土活塞將土樣頂出試樣筒并刮平土樣表面；（2）轉(zhuǎn)動搖桿使試樣筒頂部與矩形試驗管道底部齊平；（3）設(shè)置流速，通常初始流速值為0.2 m/s；（4）開始試驗，記錄時間和數(shù)據(jù)，試驗過程中觀察土樣沖刷情況并保持土樣表面與管道底齊平，當土樣表面出現(xiàn)明顯的凹凸不平時，停止試驗并刮平土樣，然后繼續(xù)試驗，直到?jīng)_刷時間超過60 min或者50 mm的土樣被沖刷；（5）重復步驟（3）、（4），測試4～8個水流速下的沖刷速率，并得到?jīng)_刷速率-水流速和沖刷速率-水流切應(yīng)力曲線。

水流切應(yīng)力計算公式如下：

式中：τ為床面水流切應(yīng)力；ρw為水的密度；f為摩阻系數(shù)；u為斷面平均流速。

摩阻系數(shù)f是雷諾數(shù)Re與相對粗糙度ks/D的函數(shù)，可根據(jù)Moody 圖確定［15］，本文中水力直徑D=68 mm，粗糙度平均值ks取0.5d50［15］，d50為混合土體的中值粒徑。

3 試驗結(jié)果

3.1 沖刷速率混合土體G1、G2、G3的沖刷速率曲線如圖3所示。從圖中可以看出，對于某種混合土體，在一定的水流切應(yīng)力作用下，沖刷速率E隨粉質(zhì)黏土含量psc的增加而減小，混合土體的沖刷速率與粉質(zhì)黏土含量密切相關(guān)。Mitchener等［12］和Smith等［18］研究發(fā)現(xiàn)，黏性顆粒含量小于50%的情況下，隨黏性顆粒含量的增大，砂土-黏性土混合物的抗沖蝕特性明顯增強，沖刷速率顯著降低。psc=25%時G1的沖刷速率明顯小于psc=22.5%時的沖刷速率，psc=30%時G2的沖刷速率明顯減小，psc=35%時G3的沖刷速率明顯減小。由此可以得到，混合土體中粗粒土粒徑越大，混合土體沖刷速率顯著降低時的黏性顆粒含量越大。

3.2 起動切應(yīng)力在水流作用下土體顆粒由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)時所對應(yīng)的水流切應(yīng)力為起動切應(yīng)力。學者們根據(jù)不同的沖刷試驗給出了定量求解起動切應(yīng)力的方法。McNeil 等［19］采用深水水槽沖刷裝置（Sedflume）對重塑土和非擾動原位土進行了沖刷特性研究，根據(jù)試驗結(jié)果給出了起動切應(yīng)力的定量化定義，即沖刷速率為10-4～10-3cm/s對應(yīng)的水流切應(yīng)力。時連強等［20］參照呼和敖德教授對連云港和長江口處泥沙進行的沖刷試驗結(jié)果，以沖刷速率范圍為0.4×10-3～0.8×10-3cm/s對應(yīng)的切應(yīng)力定義起動切應(yīng)力。Smith等［18］采用封閉有壓管道對泥沙混合物進行了沖刷試驗，定義沖刷速率為10-4cm/s對應(yīng)的水流切應(yīng)力為起動切應(yīng)力。起動切應(yīng)力是土體在不發(fā)生沖刷破壞情況下所能承受的最大水流切應(yīng)力，即土顆粒在起動時所受到的水流切應(yīng)力，由于此時土顆粒剛發(fā)生起動現(xiàn)象，其相應(yīng)的沖刷速率應(yīng)該是大于零而足夠小的。對比分析上述學者的研究成果，作者采用10-4cm/s（3.6 mm/h）對應(yīng)的水流切應(yīng)力作為起動切應(yīng)力，基于沖刷速率曲線對起動切應(yīng)力進行確定［21］。

圖3 粗粒土-粉質(zhì)黏土混合物沖刷速率曲線

在沖刷速率-切應(yīng)力曲線圖中畫水平線x=3.6 mm/h，如果沖刷速率曲線與水平線存在交點，則交點所對應(yīng)橫坐標的取值即為起動切應(yīng)力。如果沖刷速率曲線與水平線沒有交點，連接沖刷速率曲線上沖刷速率大于3.6 mm/h 最小的兩個點，并延長該兩點構(gòu)成的直線，該直線與水平線x=3.6 mm/h 相交點對應(yīng)的切應(yīng)力即為起動切應(yīng)力，如圖4所示。不同粉質(zhì)黏土含量情況下，三種混合土體起動切應(yīng)力的計算結(jié)果如表2所示。

圖4 起動切應(yīng)力確定方法

表2 混合土體起動切應(yīng)力

三種混合土體起動切應(yīng)力與粉質(zhì)黏土含量的變化規(guī)律如圖5所示。由圖可知，粉質(zhì)黏土含量一定的情況下，混合土體中無黏性顆粒粒徑越大其起動切應(yīng)力越大。研究表明，無黏性土的起動切應(yīng)力與顆粒粒徑成正相關(guān)關(guān)系［22］。當粉質(zhì)黏土含量較低時，混合土體的起動以無黏性顆粒為主導，無黏性顆粒粒徑越大，混合土體起動切應(yīng)力越大。當粉質(zhì)黏土含量較高時，混合土體的起動以無黏性顆粒和黏性細顆粒的微團為主，無黏性顆粒粒徑越大，混合土體起動時微團的直徑越大，混合土體起動時的阻力越大，起動切應(yīng)力越大。

從圖5 中可以看出砂土（ds=1.5 mm）-粉質(zhì)黏土混合物的起動切應(yīng)力隨粉質(zhì)黏土含量的增大而增大，當psc=0%時，砂土（ds=1.5 mm）-粉質(zhì)黏土混合物的起動切應(yīng)力取最小值，這一變化規(guī)律與Van Ledden［23］、Kothyari等［2］、Ahmad等［24］以及Ye等［10］的研究結(jié)果一致，而Torfs等［25］和Barry等［26］的研究結(jié)果顯示砂土-黏性土混合物的沖刷速率隨黏性顆粒含量的增大先減小后增大。圖5 表明，兩種礫石-粉質(zhì)黏土混合物的起動切應(yīng)力隨粉質(zhì)黏土含量的增大先減小后增大，當psc=20%時，兩種礫石-粉質(zhì)黏土混合物的起動切應(yīng)力取最小值。

分析無黏性顆粒起動時的受力情況。假設(shè)顆粒以滾動的形式起動，顆粒受力情況如圖6所示。

圖5 三種混合土體起動切應(yīng)力變化規(guī)律

圖6 無黏性顆粒起動時受力

作用在顆粒A上的力包括：水流的推動力（Fd），由于水流不均勻而產(chǎn)生的上舉力（Fl），顆粒浮重度（Ws）以及顆粒之間的黏結(jié)力（Fc1，F(xiàn)c2，……，F(xiàn)cn）［7，27］。顆粒A起動的瞬間，滿足以O(shè)點為力矩點的力矩平衡：

式中：ld、ll、lw分別為水流推動力、上舉力和浮重度的力臂；Mc為顆粒A與周圍顆粒之間黏結(jié)力的力矩。

水流推動力、上舉力和浮重度的表達式分別為：

式中：Cd為水流推動力的系數(shù)；Cl為上舉力的系數(shù)；ρs為無黏性顆粒的密度；為水流推動力的作用面積，a1是系數(shù)；為上舉力的作用面積，a2是系數(shù)；為無黏性顆粒的體積，a3是系數(shù)。

圖7 粉質(zhì)黏土含量20%，砂土（ds=1.5mm）-粉質(zhì)黏土混合物

粉質(zhì)黏土含量20%情況下，砂土（ds=1.5mm）-粉質(zhì)黏土混合物沖刷前后的試驗現(xiàn)象如圖7所示。試驗現(xiàn)象表明沖刷前砂土顆粒和粉質(zhì)黏土細顆粒膠結(jié)在一起，在水流作用下，砂土顆粒和粉質(zhì)黏土細顆粒幾乎同時起動，此時混合土體起動時顆粒粒徑大于砂土顆粒粒徑。根據(jù)公式（3）（4）（5）可知，顆粒粒徑增大，浮重度和顆粒起動時的阻力增大，土體起動需要的水流流速和剪應(yīng)力增大，所以砂土混合物在psc=20%時的起動切應(yīng)力大于psc=0%時的起動切應(yīng)力。隨著psc的增大，顆粒之間的黏結(jié)力增加，顆粒起動時阻力逐漸增大，起動切應(yīng)力逐漸增大。

粉質(zhì)黏土含量20%情況下，礫石（ds=5.5mm）-粉質(zhì)黏土混合物沖刷前后的試驗現(xiàn)象如圖8所示。試驗結(jié)果顯示，沖刷前粉質(zhì)黏土細顆粒黏附在礫石表面或填充在礫石顆粒之間，當水流流速較小時，礫石未起動，粉質(zhì)黏土細顆粒被沖刷，細顆粒的沖刷引起混合土體孔隙比增大，同時被沖刷的細顆粒進入水流中導致水變渾濁（圖8（b）的清晰度明顯低于圖8（a）），可以認為水流密度增大，根據(jù)公式（3）和（4）可知，水流密度增大，推動力和上舉力不變的情況下，需要的水流流速變小，顆粒起動需要的切應(yīng)力變小。隨著水流速的增大，混合土體中礫石顆粒以單顆粒的形式起動，其中會有少量細顆粒黏附于礫石顆粒表面，礫石顆粒粒徑遠大于粉質(zhì)黏土顆粒，少量黏附于礫石表面的細顆粒質(zhì)量可以忽略不計。研究發(fā)現(xiàn)，土體的起動切應(yīng)力隨孔隙比的增大而減?。?］。psc=20%情況下，礫石（ds=5.5 mm）-粉質(zhì)黏土混合物的起動以礫石顆粒沖刷為主導，由于粉質(zhì)黏土細顆粒的沖刷，混合土體的孔隙比增大、水流密度增大，導致礫石顆粒的起動切應(yīng)力減小。當粉質(zhì)黏土含量增大，礫石顆粒與粉質(zhì)黏土顆粒之間的黏結(jié)作用增強，混合土體以礫石顆粒與黏性顆粒組成的微團的形式起動，混合土體起動時阻力增大，起動切應(yīng)力增大。

圖8 粉質(zhì)黏土含量20%，礫石（ds=5.5mm）-粉質(zhì)黏土混合物

3.3 臨界黏性顆粒含量目前臨界黏性顆粒含量（pmc）范圍的確定主要通過觀察試驗現(xiàn)象定性給出。根據(jù)本文試驗現(xiàn)象和沖刷速率試驗結(jié)果，可以初步得到混合土體G1、G2、G3臨界粉質(zhì)黏土含量的范圍為：psc＞22.5%，psc＞20%，psc＞30%。Mitchener 等［12］研究發(fā)現(xiàn)，砂土混合物中黏性顆粒含量為10%時，混合土體的起動切應(yīng)力是砂土起動切應(yīng)力的2～5倍，同時混合土體的沖刷速率較砂土明顯減小。

基于Mitchener等［12］的研究，本文嘗試提出進一步確定混合土體臨界黏性顆粒含量的方法：如果一定黏性顆粒含量（pm）條件下，混合土體的起動切應(yīng)力是無黏性顆粒起動切應(yīng)力的2倍及以上，同時混合土體的沖刷速率較小于pm最大值情況下混合土體的沖刷速率明顯降低，認為此時pm即為臨界黏性顆粒含量。

根據(jù)上述提出的方法，得到G1、G2、G3 臨界粉質(zhì)黏土含量的范圍為：22.5%～25%、30%～32.5%、32.5%～35%。通過沖刷速率和起動切應(yīng)力的取值確定的臨界粉質(zhì)黏土含量的范圍包含在通過試驗觀察得到的范圍內(nèi)，而且取值范圍更精確。粉質(zhì)黏土中粉粒含量為59%，黏粒含量為24%，黏性顆粒含量為83%。由此可知G1、G2、G3 臨界黏性顆粒含量范圍分別為：18.68%～20.75%、24.90%～26.98%、26.98%～29.05%，臨界黏粒含量范圍分別為：5.4%～6%、7.2%～7.8%、7.8%～8.4%，三種混合土體臨界黏粒含量的取值范圍在Alvarez-Hernandez［13］通過試驗結(jié)果給出的臨界黏粒含量范圍（5%～15%）之內(nèi)，這一結(jié)果表明，通過沖刷速率和起動切應(yīng)力確定混合土體臨界黏性顆粒含量取值范圍的方法是可行的。

4 混合土體沖刷黏性度

4.1 公式推導一定水流切應(yīng)力作用下，混合土體的沖刷行為隨黏性顆粒含量的增加逐漸由無黏性變?yōu)轲ば?，考慮混合土體沖刷行為的變化，提出沖刷黏性度這一概念，作為衡量混合土體是否具有黏性沖刷行為的度量，用符號Dc表示，Dc越大，混合土體的黏性沖刷行為越明顯，Dc的取值范圍為［0，1］。研究表明土體中只有粒徑小于0.004 mm的黏粒具有黏性，混合土體的黏性沖刷特性是由黏粒顆粒引起的［11］，Dc與黏粒含量pc密切相關(guān)?；旌贤馏w中黏粒含量越大，土體的黏性沖刷特性越明顯，沖刷黏性度越大，當pc=0時，混合土體表現(xiàn)無黏性沖刷特性Dc=0，當pc=100%時，混合土體表現(xiàn)黏性沖刷特性Dc=1，Dc與pc之間是正相關(guān)關(guān)系。

Alvarez-Hernandez［13］通過對不同粒徑砂土-黏土混合物進行沖刷特性試驗，發(fā)現(xiàn)混合土體沖刷特性由無黏性變?yōu)轲ば詴r的黏粒含量即臨界黏粒含量pcc與無黏性顆粒粒徑ds有關(guān)。假設(shè)混合土體中黏性土含量為某一特定值，如果混合土體中無黏性顆粒粒徑ds足夠小，其值近似等于0.004 mm，則混合土體表現(xiàn)黏性沖刷特性，此時Dc取值較大；如果ds取值較大，大于礫石粒徑，此時混合土體的沖刷特性由無黏性顆粒主導，Dc取值較小，由此推斷，Dc與ds呈負相關(guān)關(guān)系。

黏粒含量pc和無黏性顆粒粒徑ds分別反映混合土體中黏性土和無黏性土的性質(zhì)，假設(shè)pc和ds對Dc的影響?yīng)毩⑶一ゲ桓蓴_。用符號Dc1和Dc2分別表示pc和ds影響部分的混合土體沖刷黏性度。假設(shè)Dc1與pc的關(guān)系曲線為拋物線（如圖9所示），表達式寫為：

根據(jù)邊界條件（0，0）、（1，1）以及拋物線的對稱軸為pc=1得出a=-1、b=2、c=0，式（6）的具體表達式為：

正態(tài)分布是一個在數(shù)學、物理及工程等領(lǐng)域都非常重要的概率分布。水流對土體的沖刷具有隨機性，正態(tài)分布廣泛應(yīng)用于土體沖刷特性的研究。正態(tài)分布的期望值μ決定了正態(tài)曲線的位置，標準差σ決定了分布的幅度。采用圖10中所示的概率密度函數(shù)表示Dc2與ds的關(guān)系：

式中：σ=2ds50/dc50，其中ds50代表砂土和礫石分界線的顆粒粒徑，取值2 mm，dc50表示粉粒和黏粒分界線的顆粒粒徑，取值0.004 mm。

將式（7）和（8）相加得pc和ds影響下混合土體沖刷黏性度Dc的表達式：

由式（9）計算的Dc取值可以大于1，根據(jù)定義，Dc取值范圍為［0，1］，所以需要對式（9）進行優(yōu)化，采用如下的表達式：

圖9 沖刷黏性度與黏粒含量的關(guān)系

圖10 沖刷黏性度與無黏性顆粒粒徑的關(guān)系

式中系數(shù)A的取值根據(jù)混合土體沖刷試驗數(shù)據(jù)確定。

4.2 參數(shù)標定由沖刷黏性度的定義可知，不同種類混合土體，在臨界黏粒含量范圍內(nèi)，Dc的取值范圍應(yīng)該相同，基于這一原則，經(jīng)過不斷的嘗試，確定A=1/9，將A的取值帶入公式（10）得沖刷黏性度的完整表達式：

根據(jù)式（11）計算得到三種混合土體臨界黏粒含量范圍內(nèi)對應(yīng)的Dc范圍分別為：0.189～0.199、0.174～0.185、0.170～0.181，計算結(jié)果表明，三種混合土體臨界黏粒含量范圍對應(yīng)Dc的范圍均在0.17～0.20之間，該計算結(jié)果符合Dc的定義，認為式（11）為混合土體沖刷黏性度的計算表達式。

為了驗證公式（11）的準確性，采用Panagiotopoulos 等［28］的試驗數(shù)據(jù)計算沖刷黏性度Dc的取值范圍，計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比。Panagiotopoulos等［28］對兩種砂土-黏性土混合物P1、P2進行了沖刷特性試驗研究。試驗所用無黏性土是中值粒徑為0.1525 mm 和0.215 mm 的均勻石英砂，黏性土為天然河口粉質(zhì)黏土沉積物，黏性土的中值粒徑為0.0032 mm，黏性土中黏粒含量為20%，試驗結(jié)果顯示當黏粒含量超過6%時，混合土體沖刷速率明顯降低，由此可知Panagiotopoulos 等［28］試驗得到的臨界黏粒含量小于6%。

表3 Panagiotopoulos等［28］測試混合土體的沖刷黏性度計算結(jié)果

應(yīng)用式（11）計算Panagiotopoulos 等［28］試驗中不同黏性土含量情況下混合土體的沖刷黏性度Dc，計算結(jié)果如表3所示。由本文三種混合土體試驗結(jié)果可知，臨界黏粒含量范圍對應(yīng)的沖刷黏性度取值范圍為0.17～0.20，該范圍內(nèi)對應(yīng)的混合土體P1、P2的臨界黏粒含量范圍為4%～6%，該計算結(jié)果與Panagiotopoulos等［28］的試驗結(jié)果相吻合，由此證明了本文提出的混合土體沖刷黏性度計算公式的準確性。

5 結(jié)論

本文針對三種重塑粗粒土-粉質(zhì)黏土混合物，開展了不同粉質(zhì)黏土含量情況下的沖刷特性試驗，分析了三種混合土體的沖刷行為及沖刷速率、起動切應(yīng)力的變化規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

（1）黏性顆粒含量小于50%的情況下，砂土-粉質(zhì)黏土混合物和礫石-粉質(zhì)黏土混合物的沖刷速率均隨黏性顆粒含量的增大單調(diào)遞減，在粉質(zhì)黏土含量為25%、30%、35%時，三種混合土體G1、G2、G3的沖刷速率顯著降低。混合土體中粗粒土粒徑越大，混合土體沖刷速率顯著降低時的黏性顆粒含量越大。

（2）混合土體的起動切應(yīng)力與粗粒土粒徑大小有關(guān)，黏性顆粒含量一定的情況下，混合土體中粗粒土粒徑越大起動切應(yīng)力越大；粗粒土粒徑不同，隨黏性顆粒含量的變化，混合土體起動切應(yīng)力的變化規(guī)律不同。隨粉質(zhì)黏土含量的增大，砂土-粉質(zhì)黏土混合物的起動切應(yīng)力呈單調(diào)遞增的變化趨勢；礫石-粉質(zhì)黏土混合物的起動切應(yīng)力隨粉質(zhì)黏土含量的增大先減小后增大。

（3）隨黏性顆粒含量的增加，混合土體的沖刷特性由無黏性變?yōu)轲ば?，這一轉(zhuǎn)變對應(yīng)的黏性顆粒含量為臨界黏性顆粒含量。通過分析試驗結(jié)果，考慮沖刷速率和起動切應(yīng)力的變化特點，得到三種混合土體G1、G2、G3 的臨界黏性顆粒含量范圍分別是18.68%～20.75%、24.90%～26.98%、26.98%～29.05%。

（4）針對混合土體具有的無黏性沖刷行為和黏性沖刷行為，提出沖刷黏性度的概念，用以衡量混合土體具有黏性沖刷行為的程度，混合土體的黏性沖刷行為越明顯，沖刷黏性度取值越大?？紤]粗粒土顆粒粒徑及黏粒含量的影響，給出沖刷黏性度的計算表達式，基于本文三種混合土體沖刷試驗結(jié)果，確定了參數(shù)的取值，根據(jù)已有的其他試驗數(shù)據(jù)驗證了沖刷黏性度表達式的準確性。由三種粗粒土-粉質(zhì)黏土混合物的試驗數(shù)據(jù)得出，臨界黏粒含量取值范圍對應(yīng)的沖刷黏性度的取值范圍為0.17～0.20。