擾動(dòng)條件下細(xì)粉質(zhì)砂土漿體流場(chǎng)PIV試驗(yàn)研究

袁延召， 許國(guó)輝， 張巍巍

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 青島 266100; 2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局青島地質(zhì)勘查院， 青島 266100)

隨著社會(huì)與城市發(fā)展對(duì)土地的需求量增大[1]，沿海城市新增了較多的吹填造陸工程，其材料多為入海流域以及沿海地區(qū)大量淤積的細(xì)粉質(zhì)砂土，流湖泊清淤工程發(fā)現(xiàn)由于河流沉積形成的含水量在60%左右的細(xì)粉質(zhì)砂土?xí)斐汕逵俅把b載土體存在欠固結(jié)狀態(tài)[2]，進(jìn)而造成裝載效率低下，并且針對(duì)多數(shù)港口以及鄰近江河湖泊地區(qū)，由于周邊土地價(jià)格昂貴，堆載空間匱乏，且細(xì)粉質(zhì)泥沙用于吹填造陸工程時(shí)與級(jí)配良好的砂土相比，細(xì)粉質(zhì)泥沙存在固結(jié)周期長(zhǎng)、滲透性差、初期強(qiáng)度過低、易液化等工程問題[3-4]，所以針對(duì)細(xì)粉質(zhì)沙土的快速沉積固結(jié)一直是相關(guān)工程的重要研究課題之一。

針細(xì)粉質(zhì)土快速固結(jié)問題，目前應(yīng)用較為廣泛的處理措施為堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法等傳統(tǒng)的軟土處理施工工藝，然而針對(duì)細(xì)粉質(zhì)吹填土采用此類方法會(huì)出現(xiàn)加固設(shè)備入場(chǎng)難，加固周期長(zhǎng)，淤積處理效率低等問題，然而劉志欽等[5]發(fā)現(xiàn)黃河三角洲地區(qū)的粉質(zhì)沙土受到波浪擾動(dòng)過程中土體液化呈現(xiàn)規(guī)律性顆粒分選，地層強(qiáng)度有效增強(qiáng)；王剛等[6]通過水槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在波浪擾動(dòng)下粉質(zhì)土液化層在液化后中粒粒徑逐漸增大，黏性顆粒減小，后期固結(jié)強(qiáng)度增大，密度增大趨勢(shì)明顯。因此賈婧雯等[7]根據(jù)粉質(zhì)土吹填場(chǎng)地特性，引入物理擾動(dòng)方式進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉質(zhì)土在擾動(dòng)后出現(xiàn)黏粒排除、滲透性能增強(qiáng)、承載力有效提升等現(xiàn)象。

目前針對(duì)粉質(zhì)土體顆粒在人工擾動(dòng)條件下的流場(chǎng)分布以及顆粒分選作用機(jī)制研究較少，而PIV(particle image velocimetry)是一種可以精確分析細(xì)粒顆粒流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)分布以及顆粒矢量圖的分析設(shè)備系統(tǒng)，近年來廣泛應(yīng)用于工程與巖土工程的實(shí)驗(yàn)研究，通過PIV測(cè)試試驗(yàn)，可以對(duì)固態(tài)流場(chǎng)中漩渦渦流相對(duì)速度以及分布呈指數(shù)變化規(guī)律研究[8]，攪拌槽內(nèi)的垂直于水平面上的顆粒速度場(chǎng)的分布規(guī)律[9]以及實(shí)驗(yàn)槽中流場(chǎng)隨攪拌啟動(dòng)過程的徑向，湍流動(dòng)能方向等規(guī)律進(jìn)行研究[10]。

因此現(xiàn)利用PIV系統(tǒng)對(duì)人工擾動(dòng)下粉質(zhì)土顆粒流場(chǎng)的形成過程進(jìn)行記錄與分析，并通過PIV系統(tǒng)分析模塊預(yù)測(cè)流線趨勢(shì)與受擾動(dòng)作用下土顆粒形成流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征[2]，為了彌補(bǔ)PIV高速攝影系統(tǒng)僅能測(cè)試顆粒的運(yùn)動(dòng)矢量，在模型箱中安置土壓傳感器與孔隙水壓力傳感器，驗(yàn)證粉質(zhì)土顆粒的力場(chǎng)變化規(guī)律，并測(cè)定試驗(yàn)沉積穩(wěn)定后的土體性能，綜合分析高含水率下細(xì)粉質(zhì)土在擾動(dòng)條件下漿體內(nèi)顆粒的分選機(jī)制以及流場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 細(xì)粉質(zhì)土基本特性

采用粉細(xì)砂與粉土作為漿體主要材料，粉細(xì)砂富含較多的石英晶體，能夠在強(qiáng)光反射形成流場(chǎng)的示蹤粒子，以賈靜雯等[7]在粉細(xì)砂土漿體中做的擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)定顆粒的級(jí)配為黃河三角洲地區(qū)粉細(xì)質(zhì)土的級(jí)配配比如圖1所示。

圖1 初始級(jí)配Fig.1 Initial grading

1.2 PIV分析測(cè)定系統(tǒng)設(shè)定

PIV測(cè)定系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)攝影的CCD(charge coupled device)工程攝像機(jī)，圖像分析系統(tǒng)，示蹤粒子軌跡預(yù)測(cè)系統(tǒng)等[11]，PIV測(cè)定系統(tǒng)通過對(duì)研究區(qū)域的兩個(gè)時(shí)刻的流場(chǎng)的示蹤粒子位置對(duì)比并進(jìn)行示蹤粒子的矢量運(yùn)算[12]，分析連續(xù)的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)并測(cè)定顆粒的遷移規(guī)律。

PIV測(cè)定系統(tǒng)對(duì)細(xì)粉質(zhì)土顆粒遷移的過程進(jìn)行矢量化分析，得到整個(gè)流場(chǎng)在擾動(dòng)過程中其水平、豎直、彎矩等圖形參數(shù)[13]，并利用連續(xù)的顆粒的位置瞬時(shí)變化，進(jìn)而分析每個(gè)顆粒每個(gè)方向的加速度a，流膜之間的顆粒分選速度以及擾動(dòng)力的影響范圍等情況，因此PIV高速顆粒分析技術(shù)能夠有效地記錄與分析粉土顆粒的遷移速度梯度v以及相應(yīng)顆粒遷移的預(yù)測(cè)流線I[14]。

利用PIV測(cè)定系統(tǒng)的流場(chǎng)分析模塊控制CCD相機(jī)50 ms時(shí)間間隔連續(xù)截取圖片，能夠有效地對(duì)流場(chǎng)變化過程中的示蹤粒子粉細(xì)質(zhì)砂粒的顆粒流向以及流場(chǎng)中顆粒的運(yùn)動(dòng)流線進(jìn)行預(yù)測(cè)與擬合，但是由于PIV測(cè)試系統(tǒng)僅能針對(duì)顆粒流動(dòng)的矢量進(jìn)行記錄，因此本文中結(jié)合在力學(xué)傳感器對(duì)力場(chǎng)變化規(guī)律測(cè)試以及沉積穩(wěn)定后取樣分析土樣的顆粒級(jí)配以及物理性能變化規(guī)律，綜合分析擾動(dòng)造成細(xì)粉質(zhì)土中顆粒運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)律。

1.3 試驗(yàn)步驟設(shè)置

制作試驗(yàn)漿體需要對(duì)材料進(jìn)行烘干分選，按照?qǐng)D1所示級(jí)配進(jìn)行試樣配制，并根據(jù)黃河三角洲的粉細(xì)砂土的天然含水率為60%，利用攪拌機(jī)攪拌均勻，一并澆入600 mm×600 mm×600 mm模型箱。

模型箱的底部以及側(cè)壁的中央位置上設(shè)置土壓力傳感器以及孔隙水壓力傳感器測(cè)定人工擾動(dòng)時(shí)力場(chǎng)變化情況規(guī)律，并在模型箱的A面，利用強(qiáng)光打光后，在擾動(dòng)開始時(shí)與PIV攝像系統(tǒng)同步打開，圖片像素尺寸為1 920×1 080像素，而掃描高度為300 mm，則此組圖片每毫米代表6.4個(gè)像素，記錄漿體的流場(chǎng)所處狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test system

漿體裝滿模型箱后，靜置12 h后在漿體中部設(shè)置直徑為100 mm的滾輪由逆時(shí)針方向進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)輪的擾動(dòng)速度由0到50 r/min的速度逐漸增大，最后穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為50 r/min，擾動(dòng)持續(xù)10 min后靜置漿體。

擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，顆粒靜置24 h后，利用五環(huán)刀粘貼為取土桶，取表、中、底三個(gè)層面的試樣，對(duì)試樣進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)、塑液限試驗(yàn)以及壓縮實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定擾動(dòng)后重構(gòu)土表層、中層、底層三層土(即距離底部500、300、100 mm處)的級(jí)配，塑液限以及壓縮性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力場(chǎng)變化規(guī)律分析

利用土壓力傳感器以及孔隙水壓力傳感器，實(shí)時(shí)對(duì)擾動(dòng)過程中的顆粒的壓力值與孔隙水壓力值進(jìn)行記錄與分析，由動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)分析力場(chǎng)變化的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 土壓力與孔壓傳感器數(shù)據(jù)分析表Table 1 Data analysis table of earth pressure and pore pressure sensor

由數(shù)據(jù)分析可知，擾動(dòng)力作用下，通過分析土壓力的變化，由于F擾動(dòng)>G自重(F擾動(dòng)為擾動(dòng)力強(qiáng)度；G自重為土體自重壓力)，而土壓力的標(biāo)準(zhǔn)差的差距0.82 Pa，側(cè)邊的土壓力差浮動(dòng)較大，均方根值達(dá)498.17 Pa說明擾動(dòng)力在側(cè)邊容易產(chǎn)生負(fù)壓，造成顆粒F水平>F垂直(F水平為顆粒水平向壓力；F垂直為顆粒垂直方向壓力)，且在攪動(dòng)過程中，土壓力呈現(xiàn)偏度差，底部土壓力與側(cè)邊的偏度為-0.55，說明擾動(dòng)漿體顆粒之間的碰撞隨擾動(dòng)力變化，而當(dāng)擾動(dòng)開始后，顆粒流在擾動(dòng)后存在土顆粒受力逐漸由G自重作用為主轉(zhuǎn)變?yōu)镕擾動(dòng)為主。

通過孔隙水壓力μ分析可知，μ側(cè)邊增長(zhǎng)較快，擾動(dòng)力的孔壓的標(biāo)準(zhǔn)差的均值為0.054 8 Pa，但是其平均根差較為接近僅相差為21.4 Pa，但峰度差距為118 Pa，這也表明漿體在擾動(dòng)的過程中，μ隨著漿體的流動(dòng)方向發(fā)生改變，水平方向的顆粒碰撞概率較大，造成μ側(cè)邊增大，而底部存在較厚的沉積土層，受到攪動(dòng)的擾動(dòng)較小[8]。因此顆粒間的孔隙水水壓力在主循環(huán)流方向偏向徑向方向進(jìn)行移動(dòng)，在接近漿體頂部自由面，顆粒間的孔壓較大，而在底部漿體為約束較大的層面，孔壓較側(cè)面孔壓的差距達(dá)21.9 Pa，底部的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.034 1 Pa，因此造成顆粒流向上移動(dòng)且土體整體液化。

另外，綜合分析擾動(dòng)下力場(chǎng)的變化規(guī)律可知，在漿體接受擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)力整體趨勢(shì)偏于水平向上，漿體在擾動(dòng)時(shí)μ側(cè)邊急劇增大，造成土體側(cè)向有效應(yīng)力下滑，顆粒受孔隙水壓力影響側(cè)向滑移向受力較小的上部自由面，為分析顆粒具體遷移情況則有必要對(duì)的漿體流場(chǎng)情況進(jìn)行測(cè)定。

2.2 流場(chǎng)變化規(guī)律分析

由PIV系統(tǒng)的分析模塊對(duì)記錄結(jié)果分析得到流場(chǎng)流速梯度云圖以及預(yù)測(cè)顆粒遷移流線圖如圖3所示，分析顆粒的擾動(dòng)過程中的狀態(tài)可知，從漿體裝入箱體后靜置穩(wěn)定狀態(tài)，攪動(dòng)初始a時(shí)刻，流場(chǎng)在上升流體與臨近自由面的交接區(qū)域形成小璇渦，顆粒v均=0.081 mm/s以及隨著擾動(dòng)力增強(qiáng)的時(shí)刻b，小璇渦隨擾動(dòng)力旋轉(zhuǎn)擴(kuò)展，在時(shí)刻c時(shí)紊流不斷形成大量的小璇渦群區(qū)域，且部分小漩渦逐漸貫通，隨著d時(shí)刻到f時(shí)刻，小漩渦逐漸貫通形成主漩渦，到流場(chǎng)穩(wěn)定后的h時(shí)刻顆粒v均=0.149 mm/s，可見隨著擾動(dòng)力增大，，因此利用PIV流線分析以及速率梯度分析模塊對(duì)流場(chǎng)的相應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析。

2.2.1 顆粒流線分布分析

如圖3所示，PIV軟件流線分析系統(tǒng)能夠依據(jù)顆粒的位置變化分析顆粒在該流場(chǎng)中的流動(dòng)趨勢(shì)并在圖中以白線標(biāo)識(shí)，從圖3(a)分析，漿體在箱體中靜置后，顆粒基本處于靜置狀態(tài)，顆粒之間的流動(dòng)較小，PIV對(duì)沉積后顆粒的預(yù)測(cè)流線較少且短，在顆粒處于沉積靜置狀態(tài)，由圖3(b)在攪拌啟動(dòng)初期可知，顆粒在啟動(dòng)呈區(qū)域范圍啟動(dòng)，并隨著擾動(dòng)增強(qiáng)，遷移區(qū)域逐步擴(kuò)展，顆粒的流線隨著擾動(dòng)力逐漸增強(qiáng)形成流動(dòng)簇且逐漸拉長(zhǎng)，隨著b時(shí)刻到g時(shí)刻，顆粒遷移啟動(dòng)區(qū)域由圍繞小漩渦啟動(dòng)逐漸變?yōu)楣潭⊕伾鋮^(qū)域，由圖3(h)中可知，當(dāng)轉(zhuǎn)輪主循環(huán)的攪動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，顆粒流線狀態(tài)由紊亂狀逐漸形成沿主漩渦方向形成穩(wěn)定流線。

2.2.2 顆粒速度梯度分布分析

由PIV速度梯度分析圖(圖3)可知，PIV圖像分析系統(tǒng)對(duì)顆粒流動(dòng)的速度測(cè)定，并將相同的速度顆粒連線形成速度等勢(shì)線，根據(jù)速度梯度分布圖分析，可知顆粒的擾動(dòng)呈現(xiàn)梯度特性，且隨著擾動(dòng)開始時(shí)，由啟動(dòng)區(qū)域形成的小漩渦速度梯度塊隨擾動(dòng)方向逐步擴(kuò)展整個(gè)箱體，隨著擾動(dòng)力增強(qiáng)，小漩渦逐漸貫通形成區(qū)域速度梯度塊，區(qū)域速度梯度差由Δvmax=0.081 mm/s逐漸提升至0.186 mm/s；隨著擾動(dòng)增強(qiáng)，漿體形成若干個(gè)直徑為2～10 mm的區(qū)域速度梯度塊，多為上半?yún)^(qū)到水面自由面區(qū)域，并速度梯度塊逐步擴(kuò)展交匯，形成隨擾動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的主漩渦空腔，速度梯度由渦旋中心向外逐步降低，顆粒底部的速度梯度塊較窄僅為0.122 mm/s。

圖3 PIV流場(chǎng)分析圖Fig.3 Flow field analysis diagram of PIV

2.2.3 穩(wěn)定流場(chǎng)分析

圖3(i)顯示擾動(dòng)條件下漿體形成穩(wěn)定的主循環(huán)漩渦，引入流場(chǎng)的渦量(Ω)來反映流場(chǎng)的狀況[15]，轉(zhuǎn)輪由下向上方向形成主循環(huán)正渦量(當(dāng)渦量旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)，渦量值為正，反之渦量值為負(fù))，通過對(duì)流場(chǎng)維持穩(wěn)定后的PIV速度梯度云圖分析可知，擾動(dòng)形成的主循環(huán)產(chǎn)生正渦旋造成顆粒由底部向上速度逐漸增強(qiáng)[8]，擾動(dòng)方向到水面自由面時(shí)顆粒受擾動(dòng)力逐漸減弱而重力影響提升，造成下降與上升的擾動(dòng)流體交會(huì)形成約20 mm寬的負(fù)渦量速度梯度分布區(qū)，而槽底相對(duì)頂部區(qū)域渦量較小，甚至為0，形成的速度梯度區(qū)域僅為5 mm，這也極大地削弱了底部顆粒遷移速度與位移。因此細(xì)粉質(zhì)土漿體隨擾動(dòng)力增大，穩(wěn)定流場(chǎng)產(chǎn)生主漩渦，擾動(dòng)方向到自由面之間由于重力流形成負(fù)渦旋區(qū)域，其負(fù)渦流區(qū)域?yàn)?0 mm2，上部顆粒流速最大達(dá)到0.2 mm/s，寬度達(dá)到20 mm，而底部平均流速為0.02 mm/s分布，且流線表明顆粒由擾動(dòng)力底部形成拋射區(qū)，自由面下方形成負(fù)渦旋區(qū)域，遷移終點(diǎn)在主漩渦后方形成沉積。

2.3 漿體擾動(dòng)沉積后顆粒分布研究

2.3.1 顆粒級(jí)配垂直分布

根據(jù)表、中、底三層土在擾動(dòng)后的級(jí)配分選結(jié)果，結(jié)合圖3(i)與圖4分析可知，顆粒在擾動(dòng)力作用下存在流速差，上部流膜的顆粒懸浮漩渦較為集中，表層的Cu=0.95，表層的細(xì)顆粒富集量較大，而底層由于漿體受到約束較大，因此底部的擾動(dòng)范圍較為薄弱，底層由于擾動(dòng)后，中層的Cu=6.1，深層的Cu=7.2，且底層的土級(jí)配缺少了0～0.05 mm的顆粒，表明泥漿中表、中層的粗顆粒在擾動(dòng)條件下流速較快，最先進(jìn)入底部沉積區(qū)，造成粗顆粒大量富集于底層。

圖4 分層級(jí)配分布圖Fig.4 Layering distribution diagram

2.3.2 塑液限垂直分布

針對(duì)每層土進(jìn)行烘干處理后，測(cè)定其塑液限指數(shù)Ip曲線，垂直方向上的塑液限曲線(圖5)是對(duì)漿體在擾動(dòng)后沉積地層的黏粒含量的宏觀表現(xiàn)，由表層Ip=0.43到底層Ip=0.05；因此可知上部的黏粒的含量較大，富水含量大，塑性指數(shù)較高，而底層的呈現(xiàn)粗顆粒性狀，結(jié)合圖5分析可知，中、底層黏粒含量較小，進(jìn)而造成底層孔隙較大，黏聚力較小，在擾動(dòng)過程中較細(xì)的顆粒由于黏性作用形成高密度黏稠質(zhì)流體，細(xì)顆粒拋射入表層，形成黏聚效應(yīng)進(jìn)，黏聚形成土層而非流入下層粗顆粒的孔隙[16]，因此底層的塑液限較小。此現(xiàn)象也反應(yīng)顆粒的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)形成過程中黏性是重要的因素之一。

圖5 分層塑液限分布圖Fig.5 Layered plastic liquid limit distribution diagram

2.3.3 壓縮性垂直分布

土體壓縮性能反應(yīng)顆粒沉降后的孔隙度，不同層位的土樣壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，針對(duì)土體在不同荷載下的固結(jié)變化規(guī)律分析，可以推斷顆粒在擾動(dòng)條件下形成不同土層的結(jié)構(gòu)性。

圖6 分層壓縮性能分布圖Fig.6 Layered compression performance distribution

由PIV實(shí)驗(yàn)可知上層的擾動(dòng)層區(qū)域較大，造成土顆粒的結(jié)構(gòu)重分布，而重塑的表層土層的壓縮指數(shù)Cc=0.314，且由于受到重復(fù)流渦的擾動(dòng)造成其土質(zhì)較為松軟，結(jié)構(gòu)性較差，而中下部的土層壓縮指數(shù)Cc=0.12，壓縮指數(shù)較小，結(jié)構(gòu)性較完整，受到的擾動(dòng)最小，地層的壓縮性能在高荷載作用下的沉降增量較小。

3 討論

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，假定細(xì)粉質(zhì)土顆粒漿體為濃稠的顆粒流體，通過PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，細(xì)粉質(zhì)顆粒軌跡以漿體受擾動(dòng)力中心點(diǎn)的徑向方向呈現(xiàn)類似平拋運(yùn)動(dòng)，并依據(jù)孔壓傳感器可知顆粒濃度依據(jù)擾動(dòng)力的強(qiáng)弱進(jìn)行分布，結(jié)合第2.3節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知后期漿體形成以密度為主導(dǎo)的分層結(jié)構(gòu)體系，而將這種由擾動(dòng)力產(chǎn)生漿體分選的流體結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)稱為流膜結(jié)構(gòu)，顆粒隨著擾動(dòng)逐步形成高密度顆粒流進(jìn)入下層沉積層，低密度顆粒流隨著漿體進(jìn)入上層的沉積層的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)體系。

如圖7所示，軌跡1為粒徑大、密度大的顆粒軌跡。其在擾動(dòng)力作用下在啟動(dòng)層內(nèi)部拋射最后沉積；軌跡2則為大部分細(xì)顆粒的擾動(dòng)后的拋射軌跡，能夠進(jìn)入顆粒的懸浮區(qū)域，并根據(jù)顆粒上升力的作用進(jìn)入上部的沉積層，而軌跡3則為粒徑最細(xì)的顆粒，在相同動(dòng)能條件下，拋射高度最高，直接進(jìn)入上層的沉積區(qū)，進(jìn)而溢出。

圖7 顆粒流動(dòng)模型Fig.7 Particle flow model

基于顆粒在剖面類似平拋運(yùn)動(dòng)，因此其臨界分離點(diǎn)的沉降距離即為該粒徑的分選分離點(diǎn)[17]，針對(duì)所分選的細(xì)顆粒的粒徑以及遷移速度，可以將顆粒沿徑向運(yùn)動(dòng)表示為

H=1/2ait2

(1)

L=vyt

(2)

式中：ai為顆粒的加速度；H為流膜的總厚度；L為水平方向的漩渦直徑；vy為顆粒沿徑向的運(yùn)動(dòng)速度。

根據(jù)細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的終點(diǎn)即為顆粒流膜的懸浮區(qū)頂面，其加速度a為密度差造成的顆粒分選流動(dòng)，因此根據(jù)運(yùn)動(dòng)加速度的公式有

(3)

(4)

式中：ρf、ρp為距離擾動(dòng)處h處漿體以及原漿體的濃度，kg/m3；v顆粒沉降速率；μ為漿體黏度；G為重力加速度；dp為第i級(jí)配顆粒形成的單層流膜厚度。

由PIV測(cè)試可知，漿體在擾動(dòng)過程中呈現(xiàn)層流流動(dòng)，且懸浮區(qū)并非為僅在上部存在，在轉(zhuǎn)輪下部存在較薄流膜，在轉(zhuǎn)輪上半?yún)^(qū)的轉(zhuǎn)輪向上擾動(dòng)區(qū)域易產(chǎn)生負(fù)渦量的渦流，呈現(xiàn)上部速度梯度大，下部速度梯度小的現(xiàn)象，并通過沉積后的顆粒級(jí)配、塑液限、壓縮模量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，細(xì)粉質(zhì)土漿體渦流的顆粒分選符合流膜的理論特征，以密度為主導(dǎo)，顆粒在隨著渦流拋射的過程造成不同顆粒之間進(jìn)入不同的流膜中，進(jìn)而以密度為主導(dǎo)形成細(xì)顆粒形成密度較低的顆粒流拋射入懸浮層的上層，而粗顆粒拋射入懸浮層的底層隨著擾動(dòng)停止后逐步形成底部粗顆粒沉積層，頂部為細(xì)顆粒沉積層。

因此結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，通過理論推導(dǎo)分析，將細(xì)粉質(zhì)土漿作為濃稠顆粒流分析，漿體在擾動(dòng)力的作用下呈現(xiàn)層流分選的現(xiàn)象，顆粒受到擾動(dòng)后形成4個(gè)層流膜如圖8所示，即為啟動(dòng)層、分選層、推移層、沉積層，由PIV測(cè)試圖3(i)可知，擾動(dòng)條件下顆粒遷移速度不同，進(jìn)而造成不同膜之間的分界線以及層流速度不同，造成漿體中顆粒層間遷移[17]。

圖8 漿體流膜遷移示意圖Fig.8 Schematic diagram of slurry flow film migration

4 結(jié)論

(1)利用PIV系統(tǒng)以及壓力傳感器測(cè)定的擾動(dòng)流場(chǎng)與力場(chǎng)分析可知，在擾動(dòng)開始時(shí)，啟動(dòng)區(qū)域逐步形成小渦旋，側(cè)向孔壓產(chǎn)生負(fù)壓，由上部重力主導(dǎo)的下沉重力流與下方形成的上升擾動(dòng)流交會(huì)在左上方產(chǎn)生負(fù)渦量的遷移區(qū)域，造成上部分選區(qū)域?qū)?，下半部的擾動(dòng)渦型仍存在，但土壓力占主導(dǎo)作用，顆粒遷移流線較短，分選區(qū)域較為薄弱。

(2)對(duì)擾動(dòng)后沉積的土層進(jìn)行上中下層取樣分析發(fā)現(xiàn)，顆粒的遷移分選存在粒度差異遷移，上部顆粒細(xì)，中下部的顆粒級(jí)配較為接近，而下層土體的密度較大，壓縮量低、塑液限較小，此現(xiàn)象反應(yīng)顆粒在擾動(dòng)過程中存在分層沉積，結(jié)合PIV觀測(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析可知，顆粒在擾動(dòng)過程中由拋射作用形成不同密度層，并由密度差造成顆粒速度差，形成進(jìn)一步分選。

(3)通過對(duì)擾動(dòng)條件下顆粒遷移的試驗(yàn)與理論分析可知，漿體顆粒遷移軌跡為拋物狀，且呈現(xiàn)密度主導(dǎo)作用下跨膜分選，依托試驗(yàn)結(jié)果建立擾動(dòng)條件下漿體流膜分選分析模型，能夠解釋顆粒在擾動(dòng)條件下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。