扰动条件下细粉质砂土浆体流场PIV试验研究

袁延召， 许国辉， 张巍巍

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院， 青岛 266100; 2.中国冶金地质总局青岛地质勘查院， 青岛 266100)

随着社会与城市发展对土地的需求量增大[1]，沿海城市新增了较多的吹填造陆工程，其材料多为入海流域以及沿海地区大量淤积的细粉质砂土，流湖泊清淤工程发现由于河流沉积形成的含水量在60%左右的细粉质砂土会造成清淤船舶装载土体存在欠固结状态[2]，进而造成装载效率低下，并且针对多数港口以及邻近江河湖泊地区，由于周边土地价格昂贵，堆载空间匮乏，且细粉质泥沙用于吹填造陆工程时与级配良好的砂土相比，细粉质泥沙存在固结周期长、渗透性差、初期强度过低、易液化等工程问题[3-4]，所以针对细粉质沙土的快速沉积固结一直是相关工程的重要研究课题之一。

针细粉质土快速固结问题，目前应用较为广泛的处理措施为堆载预压法、真空预压法等传统的软土处理施工工艺，然而针对细粉质吹填土采用此类方法会出现加固设备入场难，加固周期长，淤积处理效率低等问题，然而刘志钦等[5]发现黄河三角洲地区的粉质沙土受到波浪扰动过程中土体液化呈现规律性颗粒分选，地层强度有效增强；王刚等[6]通过水槽实验发现，在波浪扰动下粉质土液化层在液化后中粒粒径逐渐增大，黏性颗粒减小，后期固结强度增大，密度增大趋势明显。因此贾婧雯等[7]根据粉质土吹填场地特性，引入物理扰动方式进行水槽实验发现粉质土在扰动后出现黏粒排除、渗透性能增强、承载力有效提升等现象。

目前针对粉质土体颗粒在人工扰动条件下的流场分布以及颗粒分选作用机制研究较少，而PIV(particle image velocimetry)是一种可以精确分析细粒颗粒流场的结构分布以及颗粒矢量图的分析设备系统，近年来广泛应用于工程与岩土工程的实验研究，通过PIV测试试验，可以对固态流场中漩涡涡流相对速度以及分布呈指数变化规律研究[8]，搅拌槽内的垂直于水平面上的颗粒速度场的分布规律[9]以及实验槽中流场随搅拌启动过程的径向，湍流动能方向等规律进行研究[10]。

因此现利用PIV系统对人工扰动下粉质土颗粒流场的形成过程进行记录与分析，并通过PIV系统分析模块预测流线趋势与受扰动作用下土颗粒形成流场结构特征[2]，为了弥补PIV高速摄影系统仅能测试颗粒的运动矢量，在模型箱中安置土压传感器与孔隙水压力传感器，验证粉质土颗粒的力场变化规律，并测定试验沉积稳定后的土体性能，综合分析高含水率下细粉质土在扰动条件下浆体内颗粒的分选机制以及流场分布结构。

1 试验方案

1.1 细粉质土基本特性

采用粉细砂与粉土作为浆体主要材料，粉细砂富含较多的石英晶体，能够在强光反射形成流场的示踪粒子，以贾静雯等[7]在粉细砂土浆体中做的扰动实验为基础，设定颗粒的级配为黄河三角洲地区粉细质土的级配配比如图1所示。

图1 初始级配Fig.1 Initial grading

1.2 PIV分析测定系统设定

PIV测定系统包括实时摄影的CCD(charge coupled device)工程摄像机，图像分析系统，示踪粒子轨迹预测系统等[11]，PIV测定系统通过对研究区域的两个时刻的流场的示踪粒子位置对比并进行示踪粒子的矢量运算[12]，分析连续的流场运动并测定颗粒的迁移规律。

PIV测定系统对细粉质土颗粒迁移的过程进行矢量化分析，得到整个流场在扰动过程中其水平、竖直、弯矩等图形参数[13]，并利用连续的颗粒的位置瞬时变化，进而分析每个颗粒每个方向的加速度a，流膜之间的颗粒分选速度以及扰动力的影响范围等情况，因此PIV高速颗粒分析技术能够有效地记录与分析粉土颗粒的迁移速度梯度v以及相应颗粒迁移的预测流线I[14]。

利用PIV测定系统的流场分析模块控制CCD相机50 ms时间间隔连续截取图片，能够有效地对流场变化过程中的示踪粒子粉细质砂粒的颗粒流向以及流场中颗粒的运动流线进行预测与拟合，但是由于PIV测试系统仅能针对颗粒流动的矢量进行记录，因此本文中结合在力学传感器对力场变化规律测试以及沉积稳定后取样分析土样的颗粒级配以及物理性能变化规律，综合分析扰动造成细粉质土中颗粒运动的相关规律。

1.3 试验步骤设置

制作试验浆体需要对材料进行烘干分选，按照图1所示级配进行试样配制，并根据黄河三角洲的粉细砂土的天然含水率为60%，利用搅拌机搅拌均匀，一并浇入600 mm×600 mm×600 mm模型箱。

模型箱的底部以及侧壁的中央位置上设置土压力传感器以及孔隙水压力传感器测定人工扰动时力场变化情况规律，并在模型箱的A面，利用强光打光后，在扰动开始时与PIV摄像系统同步打开，图片像素尺寸为1 920×1 080像素，而扫描高度为300 mm，则此组图片每毫米代表6.4个像素，记录浆体的流场所处状态，如图2所示。

图2 实验系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the test system

浆体装满模型箱后，静置12 h后在浆体中部设置直径为100 mm的滚轮由逆时针方向进行扰动试验，转轮的扰动速度由0到50 r/min的速度逐渐增大，最后稳定转速为50 r/min，扰动持续10 min后静置浆体。

扰动试验结束后，颗粒静置24 h后，利用五环刀粘贴为取土桶，取表、中、底三个层面的试样，对试样进行级配试验、塑液限试验以及压缩实验，分别测定扰动后重构土表层、中层、底层三层土(即距离底部500、300、100 mm处)的级配，塑液限以及压缩性能。

2 试验结果与分析

2.1 力场变化规律分析

利用土压力传感器以及孔隙水压力传感器，实时对扰动过程中的颗粒的压力值与孔隙水压力值进行记录与分析，由动态分析系统分析力场变化的相关数据如表1所示。

表1 土压力与孔压传感器数据分析表Table 1 Data analysis table of earth pressure and pore pressure sensor

由数据分析可知，扰动力作用下，通过分析土压力的变化，由于F扰动>G自重(F扰动为扰动力强度；G自重为土体自重压力)，而土压力的标准差的差距0.82 Pa，侧边的土压力差浮动较大，均方根值达498.17 Pa说明扰动力在侧边容易产生负压，造成颗粒F水平>F垂直(F水平为颗粒水平向压力；F垂直为颗粒垂直方向压力)，且在搅动过程中，土压力呈现偏度差，底部土压力与侧边的偏度为-0.55，说明扰动浆体颗粒之间的碰撞随扰动力变化，而当扰动开始后，颗粒流在扰动后存在土颗粒受力逐渐由G自重作用为主转变为F扰动为主。

通过孔隙水压力μ分析可知，μ侧边增长较快，扰动力的孔压的标准差的均值为0.054 8 Pa，但是其平均根差较为接近仅相差为21.4 Pa，但峰度差距为118 Pa，这也表明浆体在扰动的过程中，μ随着浆体的流动方向发生改变，水平方向的颗粒碰撞概率较大，造成μ侧边增大，而底部存在较厚的沉积土层，受到搅动的扰动较小[8]。因此颗粒间的孔隙水水压力在主循环流方向偏向径向方向进行移动，在接近浆体顶部自由面，颗粒间的孔压较大，而在底部浆体为约束较大的层面，孔压较侧面孔压的差距达21.9 Pa，底部的标准差仅为0.034 1 Pa，因此造成颗粒流向上移动且土体整体液化。

另外，综合分析扰动下力场的变化规律可知，在浆体接受扰动时，扰动力整体趋势偏于水平向上，浆体在扰动时μ侧边急剧增大，造成土体侧向有效应力下滑，颗粒受孔隙水压力影响侧向滑移向受力较小的上部自由面，为分析颗粒具体迁移情况则有必要对的浆体流场情况进行测定。

2.2 流场变化规律分析

由PIV系统的分析模块对记录结果分析得到流场流速梯度云图以及预测颗粒迁移流线图如图3所示，分析颗粒的扰动过程中的状态可知，从浆体装入箱体后静置稳定状态，搅动初始a时刻，流场在上升流体与临近自由面的交接区域形成小璇涡，颗粒v均=0.081 mm/s以及随着扰动力增强的时刻b，小璇涡随扰动力旋转扩展，在时刻c时紊流不断形成大量的小璇涡群区域，且部分小漩涡逐渐贯通，随着d时刻到f时刻，小漩涡逐渐贯通形成主漩涡，到流场稳定后的h时刻颗粒v均=0.149 mm/s，可见随着扰动力增大，，因此利用PIV流线分析以及速率梯度分析模块对流场的相应规律进行分析。

2.2.1 颗粒流线分布分析

如图3所示，PIV软件流线分析系统能够依据颗粒的位置变化分析颗粒在该流场中的流动趋势并在图中以白线标识，从图3(a)分析，浆体在箱体中静置后，颗粒基本处于静置状态，颗粒之间的流动较小，PIV对沉积后颗粒的预测流线较少且短，在颗粒处于沉积静置状态，由图3(b)在搅拌启动初期可知，颗粒在启动呈区域范围启动，并随着扰动增强，迁移区域逐步扩展，颗粒的流线随着扰动力逐渐增强形成流动簇且逐渐拉长，随着b时刻到g时刻，颗粒迁移启动区域由围绕小漩涡启动逐渐变为固定抛射区域，由图3(h)中可知，当转轮主循环的搅动稳定时，颗粒流线状态由紊乱状逐渐形成沿主漩涡方向形成稳定流线。

2.2.2 颗粒速度梯度分布分析

由PIV速度梯度分析图(图3)可知，PIV图像分析系统对颗粒流动的速度测定，并将相同的速度颗粒连线形成速度等势线，根据速度梯度分布图分析，可知颗粒的扰动呈现梯度特性，且随着扰动开始时，由启动区域形成的小漩涡速度梯度块随扰动方向逐步扩展整个箱体，随着扰动力增强，小漩涡逐渐贯通形成区域速度梯度块，区域速度梯度差由Δvmax=0.081 mm/s逐渐提升至0.186 mm/s；随着扰动增强，浆体形成若干个直径为2～10 mm的区域速度梯度块，多为上半区到水面自由面区域，并速度梯度块逐步扩展交汇，形成随扰动轮转动的主漩涡空腔，速度梯度由涡旋中心向外逐步降低，颗粒底部的速度梯度块较窄仅为0.122 mm/s。

图3 PIV流场分析图Fig.3 Flow field analysis diagram of PIV

2.2.3 稳定流场分析

图3(i)显示扰动条件下浆体形成稳定的主循环漩涡，引入流场的涡量(Ω)来反映流场的状况[15]，转轮由下向上方向形成主循环正涡量(当涡量旋转方向为逆时针时，涡量值为正，反之涡量值为负)，通过对流场维持稳定后的PIV速度梯度云图分析可知，扰动形成的主循环产生正涡旋造成颗粒由底部向上速度逐渐增强[8]，扰动方向到水面自由面时颗粒受扰动力逐渐减弱而重力影响提升，造成下降与上升的扰动流体交会形成约20 mm宽的负涡量速度梯度分布区，而槽底相对顶部区域涡量较小，甚至为0，形成的速度梯度区域仅为5 mm，这也极大地削弱了底部颗粒迁移速度与位移。因此细粉质土浆体随扰动力增大，稳定流场产生主漩涡，扰动方向到自由面之间由于重力流形成负涡旋区域，其负涡流区域为40 mm2，上部颗粒流速最大达到0.2 mm/s，宽度达到20 mm，而底部平均流速为0.02 mm/s分布，且流线表明颗粒由扰动力底部形成抛射区，自由面下方形成负涡旋区域，迁移终点在主漩涡后方形成沉积。

2.3 浆体扰动沉积后颗粒分布研究

2.3.1 颗粒级配垂直分布

根据表、中、底三层土在扰动后的级配分选结果，结合图3(i)与图4分析可知，颗粒在扰动力作用下存在流速差，上部流膜的颗粒悬浮漩涡较为集中，表层的Cu=0.95，表层的细颗粒富集量较大，而底层由于浆体受到约束较大，因此底部的扰动范围较为薄弱，底层由于扰动后，中层的Cu=6.1，深层的Cu=7.2，且底层的土级配缺少了0～0.05 mm的颗粒，表明泥浆中表、中层的粗颗粒在扰动条件下流速较快，最先进入底部沉积区，造成粗颗粒大量富集于底层。

图4 分层级配分布图Fig.4 Layering distribution diagram

2.3.2 塑液限垂直分布

针对每层土进行烘干处理后，测定其塑液限指数Ip曲线，垂直方向上的塑液限曲线(图5)是对浆体在扰动后沉积地层的黏粒含量的宏观表现，由表层Ip=0.43到底层Ip=0.05；因此可知上部的黏粒的含量较大，富水含量大，塑性指数较高，而底层的呈现粗颗粒性状，结合图5分析可知，中、底层黏粒含量较小，进而造成底层孔隙较大，黏聚力较小，在扰动过程中较细的颗粒由于黏性作用形成高密度黏稠质流体，细颗粒抛射入表层，形成黏聚效应进，黏聚形成土层而非流入下层粗颗粒的孔隙[16]，因此底层的塑液限较小。此现象也反应颗粒的流场结构形成过程中黏性是重要的因素之一。

图5 分层塑液限分布图Fig.5 Layered plastic liquid limit distribution diagram

2.3.3 压缩性垂直分布

土体压缩性能反应颗粒沉降后的孔隙度，不同层位的土样压缩实验结果如图6所示，针对土体在不同荷载下的固结变化规律分析，可以推断颗粒在扰动条件下形成不同土层的结构性。

图6 分层压缩性能分布图Fig.6 Layered compression performance distribution

由PIV实验可知上层的扰动层区域较大，造成土颗粒的结构重分布，而重塑的表层土层的压缩指数Cc=0.314，且由于受到重复流涡的扰动造成其土质较为松软，结构性较差，而中下部的土层压缩指数Cc=0.12，压缩指数较小，结构性较完整，受到的扰动最小，地层的压缩性能在高荷载作用下的沉降增量较小。

3 讨论

结合试验结果分析，假定细粉质土颗粒浆体为浓稠的颗粒流体，通过PIV实验结果可知，细粉质颗粒轨迹以浆体受扰动力中心点的径向方向呈现类似平抛运动，并依据孔压传感器可知颗粒浓度依据扰动力的强弱进行分布，结合第2.3节试验结果可知后期浆体形成以密度为主导的分层结构体系，而将这种由扰动力产生浆体分选的流体结构体系简称为流膜结构，颗粒随着扰动逐步形成高密度颗粒流进入下层沉积层，低密度颗粒流随着浆体进入上层的沉积层的流场结构体系。

如图7所示，轨迹1为粒径大、密度大的颗粒轨迹。其在扰动力作用下在启动层内部抛射最后沉积；轨迹2则为大部分细颗粒的扰动后的抛射轨迹，能够进入颗粒的悬浮区域，并根据颗粒上升力的作用进入上部的沉积层，而轨迹3则为粒径最细的颗粒，在相同动能条件下，抛射高度最高，直接进入上层的沉积区，进而溢出。

图7 颗粒流动模型Fig.7 Particle flow model

基于颗粒在剖面类似平抛运动，因此其临界分离点的沉降距离即为该粒径的分选分离点[17]，针对所分选的细颗粒的粒径以及迁移速度，可以将颗粒沿径向运动表示为

H=1/2ait2

(1)

L=vyt

(2)

式中：ai为颗粒的加速度；H为流膜的总厚度；L为水平方向的漩涡直径；vy为颗粒沿径向的运动速度。

根据细颗粒运动轨迹的终点即为颗粒流膜的悬浮区顶面，其加速度a为密度差造成的颗粒分选流动，因此根据运动加速度的公式有

(3)

(4)

式中：ρf、ρp为距离扰动处h处浆体以及原浆体的浓度，kg/m3；v颗粒沉降速率；μ为浆体黏度；G为重力加速度；dp为第i级配颗粒形成的单层流膜厚度。

由PIV测试可知，浆体在扰动过程中呈现层流流动，且悬浮区并非为仅在上部存在，在转轮下部存在较薄流膜，在转轮上半区的转轮向上扰动区域易产生负涡量的涡流，呈现上部速度梯度大，下部速度梯度小的现象，并通过沉积后的颗粒级配、塑液限、压缩模量的试验数据可知，细粉质土浆体涡流的颗粒分选符合流膜的理论特征，以密度为主导，颗粒在随着涡流抛射的过程造成不同颗粒之间进入不同的流膜中，进而以密度为主导形成细颗粒形成密度较低的颗粒流抛射入悬浮层的上层，而粗颗粒抛射入悬浮层的底层随着扰动停止后逐步形成底部粗颗粒沉积层，顶部为细颗粒沉积层。

因此结合试验测试结果，通过理论推导分析，将细粉质土浆作为浓稠颗粒流分析，浆体在扰动力的作用下呈现层流分选的现象，颗粒受到扰动后形成4个层流膜如图8所示，即为启动层、分选层、推移层、沉积层，由PIV测试图3(i)可知，扰动条件下颗粒迁移速度不同，进而造成不同膜之间的分界线以及层流速度不同，造成浆体中颗粒层间迁移[17]。

图8 浆体流膜迁移示意图Fig.8 Schematic diagram of slurry flow film migration

4 结论

(1)利用PIV系统以及压力传感器测定的扰动流场与力场分析可知，在扰动开始时，启动区域逐步形成小涡旋，侧向孔压产生负压，由上部重力主导的下沉重力流与下方形成的上升扰动流交会在左上方产生负涡量的迁移区域，造成上部分选区域宽，下半部的扰动涡型仍存在，但土压力占主导作用，颗粒迁移流线较短，分选区域较为薄弱。

(2)对扰动后沉积的土层进行上中下层取样分析发现，颗粒的迁移分选存在粒度差异迁移，上部颗粒细，中下部的颗粒级配较为接近，而下层土体的密度较大，压缩量低、塑液限较小，此现象反应颗粒在扰动过程中存在分层沉积，结合PIV观测流场结构分析可知，颗粒在扰动过程中由抛射作用形成不同密度层，并由密度差造成颗粒速度差，形成进一步分选。

(3)通过对扰动条件下颗粒迁移的试验与理论分析可知，浆体颗粒迁移轨迹为抛物状，且呈现密度主导作用下跨膜分选，依托试验结果建立扰动条件下浆体流膜分选分析模型，能够解释颗粒在扰动条件下的流场结构分布规律。