Experimental study on influence of plasticizer on fluidity of convection- solidified silt
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摘要: 相比传统回填材料，可控性能流态固化回填料（Performance-controlled fluidized solidified backfill material，PCFS材料）具有高流态、自密实等特点，能够有效避免因压实不充分导致的工程问题，特别适用于狭窄区域的回填。以淤泥为原材料，水泥为固化材料制备强度、流动性和凝结时间等性能可控的PCFS材料，通过流动度试验探讨了不同初始条件对PCFS的流动性的影响规律，为提升PCFS的流动性能，选择了木钙、萘系、聚羧酸3类减水剂，对3类减水剂提升PCFS流动性的效果进行对比分析。试验结果表明：PCFS的流动度和初始含水率之间存在线性正相关关系；水泥的掺入会导致PCFS流动度明显降低，且主要发生在水泥掺量≤2%时。3类减水剂对PCFS流动度的提升幅度从大到小依次为聚羧酸＞萘系＞木钙，其中聚羧酸和木钙的掺入会引入气泡，萘系和木钙的“饱和掺量”分别为2%，4%。水泥掺量不同又会使得3类减水剂提升流动度的效果产生明显差异，水泥掺量的增大使得木钙的提升效果降低，对于聚羧酸的影响则较小，而对于萘系则表现出了“反常效应”。最后讨论了“饱和掺量”和“反常效应”的成因，并提出了初始含水率2wL、5%水泥掺量条件下PCFS的流动度表达公式。Abstract: Compared with the traditional backfill materials, the performance-controlled fluidized solidified (PCFS) backfill materials are characterized by high flow state and self-compaction, which can effectively avoid engineering problems caused by insufficient compaction, especially for backfill in narrow areas. Using silt as raw materials and cement as curing materials, the PCFS materials with controllable properties such as strength, fluidity and setting time are prepared. The influences of different initial conditions on the fluidity of the PCFS materials are discussed through the flow tests. In order to improve the flow performance of the PCFS materials, three water reducing agents, calcium lignosulfonate, naphthalene superplasticizer and polycarboxylate superplasticizer, are selected, and the effects of three water reducing agents on improving the flow of the PCFS materials are compared and analyzed. The results show that there is a positive linear correlation between the fluidity of the PCFS materials and the initial water content. The addition of cement will lead to a significant decrease in the fluidity of the PCFS materials, which mainly occurs when the cement content is less than 2%. The increasing range of fluidity of the PCFS materials by the three water-reducing agents is from large to small in the order of polycarboxylate superplasticizer > naphthalene superplasticizer > calcium lignosulfonate, wherein the incorporation of polycarboxylate superplasticizer and calcium lignosulfonate will introduce bubbles, and the "saturated content" of naphthalene superplasticizer and calcium lignosulfonate is 2% and 4%, respectively. Different cement contents will make the three kinds of water-reducing agent to improve the flow effects have a significant difference. The increase of cement content reduces the effects of the calcium lignosulfonate, has samll effects on the polycarboxylate superplasticizer, and shows " anomalous effects" on the naphthalene superplasticizer. Finally, the causes of "saturation content" and "anomalous effects" are discussed, and the expression formula for fluidity of the PCFS materials under the initial water content of 2wL and cement content of 5% is proposed.
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Keywords:
- silt /
- PCFS /
- plasticizer /
- fluidity /
- fluidity expression formula
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0. 引言
冰-岩碎屑流是一种在启动时携带或在运动时铲刮裹挟冰屑的特殊碎屑流，相较于一般碎屑流拥有更快的运动速度与更长的冲出距离，因而其发生往往具有巨大的致灾力[1]。近年来，随着岩土体性质受冻融循环及温度变化的影响日益显著以及青藏高原独特的地形地貌特征和发育的活动断裂带，在地震和冰川侵蚀作用下产生了大量的松散固体物质，为冰－岩碎屑流的发生提供了丰富的物源条件。例如2000年的西藏易贡崩滑体导致下游450 km范围内受灾[2-3]；位于雅鲁藏布江左岸的色东普沟自2014年起共发生8次冰-岩碎屑流事件，导致雅鲁藏布江4次大规模堵塞[4]。然而冰-岩碎屑流往往发生在人烟稀少的山区，精确识别和定位此类灾害具有重要的科学价值和实际防灾减灾需求。
近年来，对高寒山区的冰-岩碎屑流的研究逐渐吸引了众多学者的目光，研究大多侧重于冰-岩碎屑流的运动特征、堆积形态及动力学参数等，如杨情情等[5-6]基于2000年易贡滑坡的灾史资料和斜槽试验，分析了冰-岩碎屑流的运动特性并进一步揭示了其运动机理；李昆仲等[7]利用DAN3D软件对2018年色东普沟冰-岩碎屑流建立三维数值模型，通过反演得到了碎屑流的堆积特征、滑体运动速度和铲刮深度等动力特征参数；师璐璐等[8]则以云南玉龙雪山南坡一起较大规模的冰-岩碎屑流型高速远程滑坡为例，通过遥感影像和现场调查阐释了冰-岩碎屑流的成因机制和运动过程。尽管目前针对冰-岩碎屑流的研究已取得一些阶段性成果，但研究始终存在对灾害过程的直接观测数据不足的困扰。
随着环境地震学的发展，基于地震动信号对冰-岩碎屑流进行精准识别成为一种新兴的研究方向，灾害过程中激发的地震动信号能够直观反映冰-岩碎屑流在运动中的相关信息。此外，由Huang等[9-11]提出的Hilbert-Huang变换方法在分析和处理瞬态信号方面展现出了极大的优越性，如Fan等[12-13]则通过HHT方法对地震作用下含软弱夹层岩质边坡的震损过程进行了精准识别。HHT作为一种新兴的时频分析方法，是目前对冰岩崩灾害产生的地震动信号分析效果最好的技术手段。
对此，本研究共设计了5组大型斜槽试验来模拟不同工况下的冰-岩碎屑流运动过程，通过现场布设的动态信号采集仪实时获取地震动信号，基于HHT方法对比分析了5种工况下冰-岩碎屑流运动过程中激发的信号的频谱特征，对含冰率和冰所处位置与冰-岩碎屑流冲击力的相关性进行了论证，研究可为此类灾害的精准识别和远程监测提供技术参考。
1. 试验方案
1.1 试验装置
为探究坡度变化对冰－岩碎屑流冲击力的影响，试验中布设有两段式斜槽，加速段为38°，缓坡段为15°。斜槽横截面为等腰梯形，底宽50 cm，顶宽120 cm，腰长50 cm。斜槽右侧布设钢化玻璃，以便观察冰－岩碎屑流的滑动状态。在滑槽下方支架上布设3个传感器，采集频率为500 Hz。试验安排在11月下旬进行，试验时现场气温为10°左右，以阴天为主，较低的气温与较弱的光照尽可能地减小了冰块因外界因素而产生的损耗。具体试验装置如图 1所示。
1.2 试验材料
以西藏高原地区采集的土壤为样本，按筛分出的颗粒级配进行本试验所用材料的物料配比，配比参数见表 1。试验中采用粒径为1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的方形冰块，所用物料如图 2所示。
表 1 物料组成Table 1. Material compositions物质 冰 砾粒 砂粒 黏土 状态 粒径/mm 10~20 10~20 5~10 2~5 1~2 — 百分比/% / 54 49 32 9 10 质量/kg 1 25 40.35 16.92 11.19 3.00 3.54 混合 2 50 26.90 11.28 7.46 2.00 2.36 3 100 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4 25 40.35 16.92 11.19 3.00 3.54 冰在上 5 50 26.90 11.28 7.46 2.00 2.36 1.3 试验工况
本试验以含冰率和冰所在位置两个因素为变量，共设置5种工况（表 1），每次试验的物料总质量均为100 kg。受冰块融化及块体间相互摩擦的影响，试验结束后岩冰质量有所减小，耗损程度大致为2%~3%。试验过程如图 3所示。
2. 地震动信号频谱分析
试验共截取8 s的数据，对采集的原始地震动信号进行无限脉冲带通滤波，滤波范围为0.01~200 Hz，选择该滤波范围能够保留试验产生的绝大部分有效信号，且能在一定程度上降低噪音的干扰。以垂向地震动信号为例，经预处理后5种工况下的信号如图 4所示。
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图 4 5种工况下记录的冰岩崩激发的垂向地震动信号Figure 4. Vertical ground motion signals induced by ice-rock avalanches recorded under 5 conditions以信号振幅的突然增大和趋近于噪音为节点，可以大致划分出试验过程中冰-岩碎屑流激发的地震动信号的持续时程。从图 4可以看出，5种工况下的地震动信号特征基本一致，信号振幅均先在噪音基础上明显增大，以较为平稳的振动持续一段时间后再次突增至峰值状态，此时信号振幅为前期的2~3倍，此后信号开始逐渐衰减，振幅缓慢恢复至噪音水平。为便于各个工况间的对比分析，本研究将信号的整个持续时程划分成3个阶段：平稳期、峰值期和衰弱期，其中峰值期采用红色矩形框在图中标出。在信号平稳区冰-岩碎屑流处于加速下滑状态，与加速段滑槽发生摩擦碰撞从而激发明显的地震动信号。在物料由加速段进入缓坡段时，由于坡度改变，碎屑流对缓坡面造成巨大冲击，信号进入峰值区。当物料冲出滑槽末端与河岸发生冲击碰撞时，持续激发强烈的地震动信号。此后冰-岩碎屑流逐渐沿河道上下游堆积，信号不断衰减直至恢复噪音水平，试验停止。
通过图 4（a）~（c）对比发现，当冰土混合时，随着含冰率的增加，信号的整个持续时间不断减小，峰值区域更加集中，且信号振幅更大。这是由于冰与滑脱面间的摩擦系数明显比土与滑脱面的摩擦系数小，随着冰-岩碎屑流中冰含量的不断提高，滑体整体的摩擦系数将不断减小，冰-岩碎屑流会受到更大的下滑力，以更快的速度冲下滑槽，冲击状态更加倾向于整体运动而非被滑道拉长截留。在极端工况即含冰率100%的纯冰状态下，激发的信号峰值振幅显著高于其余四种工况，且激发信号的峰值区间最为集中，峰值不再缓慢减低，而是平稳维持在较高振幅一段时间后突然下降，这与纯冰的下滑速度更快且冰体难以被滑道截留拉长，以整体形态迅速撞击滑槽并散落堆积在河道中的情况相符。
通过图 4（a），（d）和图 4（b），（e）两组对照试验，可以看出冰在土体上层时冰岩崩激发的地震动信号的持续时间均略大于冰土混合时的工况，且工况4和工况5的信号峰值区间更长而振幅更低。造成这一现象的原因是当冰在上层时，冰-岩混合物开始下滑时与滑道间的摩擦基本由下层土体承担，由于土体摩擦系数较大，在下滑过程中冰-岩混合物速度较低且滑动形态被逐渐拉长，位于上层的冰体先于土体冲击缓坡段，下层土体再陆续到达缓坡段并发生碰撞，在试验结束后仍有小部分土体残留在滑道中。
在从信号的时域角度进行初步分析后，采用Huang等[9-11]提出的HHT方法进一步对地震动信号进行处理，得到的Hilbert时频谱如图 5所示。由于工况3的振幅较为特殊，仅对其余4种工况的时频谱在时间轴上进行积分，获得的Hilbert边际谱如图 6所示。
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图 5 不同工况下冰岩崩激发的垂向地震动信号Hilbert时频谱Figure 5. Hilbert-spectra of vertical ground motion signals excited by rock-ice avalanches recorded under different working conditions![]()
图 6 不同工况下的Hilbert边际谱Figure 6. Hilbert marginal spectra under different working conditions4种工况下冰-岩碎屑流产生的地震动信号的频谱特征基本一致，信号频率主要分布在0.06~45 Hz范围内，以低频振动为主，峰值均出现在0.8~0.9 Hz，高频成分集中出现在信号的峰值期，即冰-岩碎屑流与缓坡段及河道两岸发生强烈冲击碰撞时期。
3. 结论
本文通过开展5次模型试验，基于地震动信号分析了高寒山区冰-岩碎屑流在不同工况下的运动特性，得到如下结论：
（1）信号的整个持续时程可划分为3个阶段：平稳期、峰值期和衰弱期，随着含冰率的增加以及冰与滑脱面的接触面积增大，信号的持续时间不断减小，峰值区域更加集中，且信号振幅更大。
（2）冰-岩碎屑流激发的地震动信号以低频为主，信号频率主要分布在0.06~45 Hz，峰值出现在0.8~0.9 Hz，高频成分集中出现在冰-岩碎屑流与缓坡段及河道两岸发生强烈冲击碰撞时期。
（3）基于连续波形数据可以较为准确地识别冰-岩碎屑流运动过程中的一些动态信息，研究可为此类灾害的远程监测和灾后救援工作提供参考，也可为后续冰-岩碎屑流的动力学特征参数反演奠定基础。
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图 3 不同含水率下PCFS流动度的试验照片
Figure 3. Test photos of fluidity of PCFS under different water contents
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图 4 原泥和PCFS流动度与初始含水率的关系
Figure 4. Relationship between fluidity of silt and PCFS and initial water content
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图 5 不同水泥掺量下PCFS流动性的试验照片
Figure 5. Test photos of fluidity of PCFS under different cement content
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图 6 PCFS流动度与水泥掺量的关系
Figure 6. Relationship between fluidity of PCFS and cement content
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图 8 木钙减水剂对PCFS流动度的影响
Figure 8. Influences of calcium lignosulfonate on fluidity of PCFS
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图 9 萘系减水剂对PCFS流动度的影响
Figure 9. Influences of naphthalene superplasticizer on fluidity of PCFS
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图 10 聚羧酸减水剂对PCFS流动度的影响
Figure 10. Influences of polycarboxylate superplasticizer on fluidity of PCFS
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图 11 PCFS试验过程照片（掺入聚羧酸）
Figure 11. Photos of test process of PCFS (adding polycarboxylate superplasticizer)
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图 12 三类减水剂对PCFS流动度的提升效果
Figure 12. Improvement effects of three types of water-reducing agents on fluidity of PCFS
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图 13 2wL、5%水泥初始条件下的拟合曲线
Figure 13. Fitting curves under initial water content of 2wL and cement content of 5%
表 1 试验用淤泥主要物理性质指标
Table 1 Main physical property indexes of test silt
w/
%Gs 黏粒含量/% wL/
%wP/
%IP/
%有机质含量/% 80.5 2.72 27.9 56.2 20.7 35.5 0.75 
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表 2 淤泥初始含水率和水泥掺量设计
Table 2 Design of initial water content of silt and cement content
初始含水率 水泥掺量/% 2.0wL 0 1 2 5 10 15 2.5wL 0 1 2 5 10 15 3.0wL 0 1 2 5 10 15 4.0wL 0 1 2 5 10 15 注：水泥掺量为占淤泥总质量的百分数。
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表 3 减水剂种类及其掺量设计
Table 3 Types and dosage design of water reducing agents
减水剂名称 掺量设置/% 木钙减水剂 0，1，2，3，4 萘系减水剂 0，0.5，1，1.5，2，3 聚羧酸减水剂 0，0.2，0.4，0.5，0.6，0.8，1 注：减水剂掺量为占淤泥总质量的百分数。
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表 4 PCFS流动度-含水率的线性关系拟合结果
Table 4 Fitting results of linear relationship between fluidity and water content of PCFS
水泥掺量/% 式（1） a b R2 1 138.5 -152.8 0.999 2 138.5 -186.2 0.993 5 138.5 -194.0 0.992 10 138.5 -198.5 0.993 15 138.5 -199.3 0.993
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表 5 PCFS流动度与水泥掺量关系拟合结果
Table 5 Fitting results of relationship between fluidity of PCFS and cement content
初始含水率 式（2） D0 A R2 2.0wL 97.7 128.0 0.997 2.5wL 149.0 188.6 0.999 3.0wL 215.7 189.1 0.998 4.0wL 371.5 111.0 0.997
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