黏性原状土起动流速试验研究

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对泥沙起动流速公式的验证与分析

对泥沙起动流速公式的验证与分析作者：柯帅张凯来源：《卷宗》2018年第23期摘要：利用多组天然河流资料以及模型试验资料，运用相关系数法、最小距离法、集中系数法和偏离系数法对选取的5组具有代表性的公式进行验证和分析。

结果表明：虽然各检验方法的侧重点有所不同，但四种验证方法的结果都表明张红武、卜海磊公式在计算泥沙起动流速时精度更高、适用性更强；说明其更加适合计算天然河流的泥沙起动流速，可作为工程设计的参考。

关键词：天然河流；泥沙；起动流速；公式验证经过200多年的发展，国内外学者利用模型试验和现场观测得到了许多起动流速的公式[1]。

但是由于泥沙具有随机性和复杂性，泥沙起动流速如何确定到现在还没有完全解决，现有公式大多属于半经验、半理论公式。

并且由于各公式在推导的过程中存在考虑资料来源和理论基础的不同，公式的形式、适用范围以及精度也相差较大。

在工程实际中如何选择比较精确的起动流速的公式也是科研人员和工程师所关心的问题。

本文利用多组天然河流资料以及模型试验资料，对部分起动流速公式进行了验证与分析。

1 验证方法起动流速计算公式验证主要是比较起动流速实测值与计算值的接近程度，以及实测值点群与计算值点群分布是否相似。

目前常用的方法有经验判别法、关系数法、最小距离法、集中系数法、偏离系数法以及聚类分析法[2]，因不同判别方法的依据不同，为客观的对各公式进行验证，以表示实测样本集，以表示计算样本集，选取上述方法中的四种对起动流速公式进行验证。

1.1相关系数法相关系数法以两样本间的线性相关度作为评价指标。

本文采用夹角余弦相关系数：（1）其中为实测值与计算值的协方差，、分别表示实测值、计算值的方差。

相关系数R越大说明公式计算值与实测值相关性越好，即预测精度越高，反之，相关性越差。

1.2 最小距离法距离是聚类统计量的一种，它可以描述两样本间的相近程度，两样本间的距离越小表明越相近，当距离为0，则两样本完全相同。

本文使用常用的欧氏距离，鉴于本文中样本的变异范围较大，应使用Z标准化对样本集处理并得到新的样本集。

泥沙起动理论1

泥沙的临界起动(滑动)条件τc是如何推导的?
注意：此处的推导只适用于无粘性均匀沙床面沙粒开始滑动的条件
颗粒所受的上举力
FD = k (W '− FL )
摩擦系数总压力
颗粒所受的拖曳力
W’ 颗粒的水下重量
河流动力学基础 22
研究泥沙起动的方法
-
定量确定起动条件
-
起动的随机性
-
临界起动的切应力表达法
断面平均流速
理论上说，用τc表达临界起动条件更准确；但是，在很多时候用Uc更方便。
U
床面平均剪切应力
τ0
河流动力学基础
19
研究泥沙起动的方法
-
定量确定起动条件
-
起动的随机性
-
临界起动的切应力表达法
-
Shields曲线
临界起动条件是指最容易起动的颗粒即将起动
“上限” : 最难起动的那个颗粒将要起动了。 “下限” : 最容易起动的那个颗粒将要起动了。
起动和推移运动现象的观测
野外河流观测推移运动(所有的大颗粒和小颗粒都在运动)
河流动力学基础
10
研究泥沙起动的方法
-
定量确定起动条件
-
起动的随机性
-
临界起动的切应力表达法 -
Shields曲线
确定性分析:受力平衡法给出临界起动条件
一颗静止于床面上的泥沙，受重力、床面摩擦力和水流的作用力影响。当重力或摩擦力和水流的作用力达到平衡时，泥沙颗粒处于临界起动状态。
河流动力学基础
15
研究泥沙起动的方法
-
定量确定起动条件
-
起动的随机性
-
临界起动的切应力表达法 -

【国家自然科学基金】_起动流速_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801

1 1 1 1 1 1 1
2013年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
推荐指数 4 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
53 54 55 56 57 58 59
同心古流量古水位原状土试验单向流动边界公式验证
推荐指数 4 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

土方建设中,粘性土的特征及取样试验方法

土方建设中，粘性土的特征及取样试验方法粘性土分为粉质粘土和粘土一、粉质粘土定义：塑性指数大于10且小于或等于17的土应定名为粉质粘土，肉眼观察，细土中有砂粒，干时不坚硬，用锤可打为细土粒，湿时有塑性有粘结力，能搓成φ0.5-2mm的土条，长度较小，用手搓、捻感觉有少量细颗粒，稍有粘滞感觉。

二、粘土定义：塑性指数大于17的土定为粘土，肉眼观察较细腻，一般无砂粒，干时很坚硬，用锤可打成碎块，湿时塑性粘性大，土团压成饼时，边部不裂，能搓成φ=0.5mm的土条，长度不少于手掌，用手搓捻有滑润感觉，当水分较大时，极为粘手，感觉不到有颗粒长期存在。

三、描述内容：颜色、状态、包含物、光泽反应、摇震反应、结构及层理特征1、颜色：主色在后，次色在前。

2、状态：①坚硬：干而坚硬，很难掰成块。

②硬塑：用力捏先对裂成块后显柔性，手捏感觉干，不易变形，手按无指印。

③可塑：手捏似橡皮有柔性，手按有指印。

④软塑：手捏很软，易变形，土块掰时似橡皮，用力不大就能按成坑。

⑤流塑：土柱不能直立，自行变形。

3、包含物：贝壳、铁锰结核、高岭土姜结石等。

4、光泽反应：用封土力切开土块，视其光滑程度分为①切面粗造为无光泽。

②切面略粗造(稍光滑)为稍有光泽。

③切面光滑为有光泽。

5、摇震反应：试验对应将软塑~流动的小大块或土球，放在手掌中反复摇晃，并以另一手掌振击此手掌，土中自由思想水将渗出，球面呈现光泽。

用手指捏土球，放松后水又被吸入，光泽消失，根据土球渗水和吸水反应快慢可区分副反应为：①立即渗水及吸水者为反应迅速。

②渗水及耐热中等者为反应中等。

③渗水和吸水慢及不渗，不吸者为反应太慢或无反应。

4、韧性试验：将含水率略在于塑性的土块在手中揉捏均匀，然后在手掌之中搓成直径3mm的土条，再揉成土团，根据再次搓十二条的可能性，可分为：①能揉成土团，再搓成条，捏而不碎者为支撑力高②可再揉成团，捏而不碎者为韧性中等③勉强或不能再揉成团，稍捏或不捏即碎者为韧性差5、干强度：试验时将一小块土捏成小土团，风干后才用手指捏碎，根据用力微小区分为①很难或用力才能捏碎或掰断者为干强度高②熟稍用力即可捏碎或掰断者为干强度中等③易于捏碎和捻成粉未者为干强度低6、结构及层理特征：对同一土层中相间呈韵律沉积，当薄层与厚层较厚的厚度比大于1/3时，宜定为“互层”;厚度比为1/10~1/3时，宜定为“夹层”;厚度比小于1/10的土层，且多次出现时，宜定为“夹薄层”。

论泥沙起动流速

论泥沙起动流速窦国仁(南京水利科学研究院)摘要：本文是作者40年来研究泥沙起动公式的小结。

文中对颗粒间的粘结力、水的下压力和阻力等有关参数进行了修改。

通过瞬时作用流速，明确了三种起动状态间的关系，消除了起动切应力和起动流速间的不协调。

对导得的起动切应力公式和起动流速公式进行了较为全面的验证，说明公式较好地反映了粗、细颗粒泥沙和轻质沙的起动规律，为研究工程泥沙问题提供了实用公式。

关键词：泥沙；起动流速；临界切应力1 前言泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一，也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题。

早在19世纪就提出了泥沙起动的概念，20世纪初开始了系统的研究，至今仍在继续。

作者于40年前写了“论泥沙起动流速”一文，先后发表于《水利学报》和《中国科学》外文版[1]。

其后40年中，国内外许多学者对泥沙起动问题，特别是对细颗粒泥沙和轻质沙的起动问题进行了大量研究，取得了较为丰富的资料。

在此期间本文作者结合长江葛洲坝工程、三峡工程、黄骅港工程和长江口深水航道治理工程等泥沙问题的研究，也积累了一些资料，加深了对泥沙起动问题的认识，感到有必要对泥沙起动流速公式作进一步的修改和完善。

本文就是作者40年来研究泥沙起动规律的嗅。

限于篇幅，文中未对许多学者的重要成果进行介绍，也未涉及不均匀沙中的各种特殊问题。

2 作用于床面泥沙颗粒的力对于较粗颗粒的泥沙，都是以单颗粒形式起动；对于较细颗粒的泥沙，由于粘结力和水流脉动(“扫荡”)的影响，往往以数十个或数百个颗粒组成的群体形式起动，起动后仍以单颗粒形式在水流中运动，只是在床面上留下片状痕迹。

自由沉降于床面上的颗粒群体，在其起动时所受到的各种作用力均较单颗粒时按相应倍数增大，因而在讨论力或力矩的平衡时仍可按单颗粒处理。

泥沙颗粒并不是球体，颗粒愈细偏离愈大，但仍可按球体处理，对其所引起的偏差可在确定经验系数时给予间接考虑。

为泥沙颗粒所受的重力Fg(1)式中ρs和ρ为沙粒和水的密度，g为重力加速度，d为粒径，一般均指其中值粒径，即d=d50。

细颗粒原状土起动流速试验研究

细颗粒原状土起动流速试验研究周雅;马洪蛟;陈大可;刘诚睿;王娅娜【摘要】为了得到更为客观科学的泥沙基本活动规律，利用有压矩形管进行了细颗粒泥沙起动试验。

试验结果表明，管内水压力对细颗粒泥沙的起动有重要影响，水压力越大，管中泥沙起动断面平均流速和起动切应力越大。

根据有压矩形管的水流分布特性和水压特点，将矩形管中水流转换为普通明渠水流，转换得到的明渠中泥沙起动垂线平均流速与试验矩形管中泥沙起动断面平均流速基本相同，验证了利用有压矩形管进行细颗粒泥沙起动流速试验的可行性和代表性。

在试验矩形管与实际明渠的泥沙起动流速转换过程中，并未考虑不同水柱高度下曼宁糙率系数的变化，这方面还有待进一步研究。

%The incipient motion of fine sediment is testedin a pressured rectangular pipe with different water head. The results show that the water pressure greatly influences the incipient motion of fine sediment in that the incipient sectional mean velocity and the incipient shear stress increase with water pressure. The flow in rectangular pipe can be converted to the flow in ordinary open channel according to the characteristics of flow distribution and water pressure in rectangular pipe. The converted vertical average velocity in open channel is basically the same as incipient sectional mean velocity in rectangular pipe. The results have verified the feasibility and representativeness of the study on incipient motion of fine sediment in rectangular pipe. The change of Manning roughness coefficient under different water head has not been considered in the conversion process of incipient velocity of fine sedimentfrom rectangular pipe to open channel, so the laws in this area need to be further researched.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2016(047)016【总页数】4页(P92-94,98)【关键词】矩形管;泥沙起动;细颗粒;原状土【作者】周雅;马洪蛟;陈大可;刘诚睿;王娅娜【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098; 河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098; 河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098; 河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098; 河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098; 河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TV149随着我国海岸带资源的不断开发，越来越多的工程在施工过程中遇到与细颗粒泥沙起动特性有关的问题。

粘性土的动力特性实验及数值模拟

粘性土的动力特性实验及数值模拟戴文亭,陈星,张弘强吉林大学交通学院,长春 130025摘要:使用产自日本的DT C-306型多功能电液伺服动态三轴仪,对粉质粘土进行动三轴试验。

在试验提供的各种参数和数据的基础上,利用有限元程序A BA Q U S 建立动三轴试件的三维有限元模型,模拟在循环荷载作用下粉质粘土的动力变形特性;并通过与动三轴试验相关数据的大量对比分析,验证了模型的可靠性。

然后在建立的三维有限元模型的基础上,进一步用数值模拟的方法研究了土体动力变形与各影响因素间的关系,得出如下结论:初始弹性模量、阻尼系数、受荷形式对土的塑性变形影响最大,应力幅值、围压、频率、加荷周数次之,加载波形的影响最小,不同波形对塑性变形的影响取决于荷载最大值时历时的长短。

有限元数值模拟方法在一定程度上可以替代动三轴实验。

关键词:动三轴;循环荷载;动力特性;有限元法;数值模拟;粘性土中图分类号:P642.11 文献标识码:A 文章编号:1671-5888(2008)05-0831-06收稿日期:2008-03-07基金项目:国家/8630项目(2007A A11Z114)作者简介:戴文亭(1964)),男,江苏丰县人,副教授,博士,主要从事道路岩土工程方面的教学与研究工作,E -ma il:da-iw enting 64@163.co m 。

Experiment and Nu merical Simulation ofDynamic Behavior for Cohesive SoilsDAI Wen -ting,CH EN Xing ,ZH A NG H ong -qiangColleg e of Tr ansportation and Tr af f ic ,J ilin Univ er sity ,Ch angch un130025,ChinaAbstract:T he dy namic tr-i ax ial instr um ent of DT C -306m ade in Japan is used to make cy clic tr-i ax ial test o f silty clay under dy nam ical loading by lo ad control.On the basis o f various parameters and data offered fr om the test,utilizing comm on finite element procedur e ABAQUS to set up the three -d-i m ensio nal finite element mo del of the dy nam ic tr-i ax ial sam ple,the dynamical defor mation behavior o fsilty clay under cy clic load is simulated.T hr oug h a lot of co ntrast analy sis to the dynamic tr-i ax ial test relation data,the r eliability of the m odel is validated.Then based on the finished three -dim ensional f-i nite element m odel,the relationship betw een dy namic deform ation and the influence factors is re -searched,and the results are as follo w s:the first im po rtant influential factors of so il plastic defo rmatio n ar e initial elastic modulus,damping facto r and ty pe of cy clic load,then the m ag nitude of cyclic lo ad,sur -r ounding stress,frequency and the number of cyclic times,and the m inimum influential facto r is type o f load w av e.T he numerical sim ulation method of finite elem ent can substitute the dynamic tr-i ax ial test to a certain ex tent.Key words:dynam ic tr-i ax ial test;cyclic load;dynamical behav io r;finite elem ent method;numer-i cal sim ulation;viscosity soil第38卷第5期2008年9月吉林大学学报(地球科学版)Jour nal of Jilin U niver sity(Ea rth Science Editio n)Vo l.38 No.5Sep.20080引言随着我国经济建设和交通运输事业的发展,车流量、行车速度和载重量不断增加,特别是随着高速铁路建设,如京沪高速等在我国的大规模开展,循环施加的交通荷载[1-2]对路基受力变形特性的影响也越来越大[3-6];而我国东部沿海地区广泛分布着高含水量的粘性土,路基的沉降病害问题十分突出,如高速公路路面因路基下沉而致开裂。

细颗粒黏性原状土的冲刷特性试验研究

根据土体中值粒径试验可知，１ — ４号试样为粉沙试样，４～８号试样为细沙试样。各个土样的黏土含量与中值粒径大小见表１。为了研究泥沙起动状态判别对原状土冲刷率的影响，将泥沙起动状态分为两种：把“ 芯样表面出现许多小的局部破坏或
撕裂并伴随少量冲刷发生 ” Nhomakorabea 义为少量起动。将 “ 芯样表面出
出冲刷率与剩余水流切应力的线性公式，此外，洪大林］、田琦］、曹叔尤等认为冲刷率与相对剩余切应力成线性关系。与此同时，Ｍｅｈｔａ［，Ｐａｒｔｈｅｎｉａｄｅｓ［、雷文韬，孙志林引，李华国引，张强ｍ］，万兆惠 “ 等通
现许多小浅坑，土样近似普遍连续起动” 定义为普遍起动。逐
（１．河海大学港口海岸及近海工程学院海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京２１００９８；２．中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙４１００１４）
摘要：基于物理模型试验，根据实测的冲刷率和床面切应力来分析细颗粒黏性原状土的冲刷特性，考
过物理模型试验，认为细颗粒泥沙冲刷率与相对剩余切应力呈指数关系，且指数取值与泥沙和水流特性有关。其中，李华国认为冲刷率与相对剩余切应力呈平方关系，且淤泥粒径越小，冲刷系数越小；张强¨ 通过人工填筑黏土的冲刷试验认为冲刷率与相对剩余切应力成１．０６７次关系；万兆惠¨ 则认为对于粒径较粗的散颗粒泥沙，水压力增大不会引起其起动流速变化，即水压力的改变不会影响散粗泥沙的冲刷率源项公式参数。吴月勇在同一种起动状态和同一个水压力下，对１４组黏性原状土进行起动、冲刷试验，并拟合出冲刷率公式。尽管前人对黏性原状土的冲刷特性做了很多研究，但是水压力和泥沙临界起动状态不同对冲刷率与剩

波_流作用下粘性淤泥的起动试验研究_肖辉-2009

DOI:10.16239/ ki.0468-155x.2009.03.010泥沙研究　2009年6月Journal of Sediment Research第3期波、流作用下粘性淤泥的起动试验研究肖　辉,曹祖德,赵　群,韩鸿胜(交通部天津水运工程科学研究院工程泥沙交通行业重点实验室,天津　300456)摘要:结合浙江苍南电厂工程要求,在拟建航道处的试挖槽附近取样,对粘性淤泥的起动进行了室内水槽试验。

起动试验资料表明,在底床泥沙湿容重相同时,波流共同作用下或纯波浪作用下淤泥的起动流速明显小于纯水流作用下淤泥的起动流速,且起动流速随底床泥沙湿容重的增大而增大。

关键词:淤泥起动;湿容重;水槽试验中图分类号:TV142.1 文献标识码:A 文章编号:0468-155X(2009)03-0075-06我国淤泥质海岸分布较广,其细颗粒泥沙主要为粘土或粘土为主而夹杂少量粉沙,具有易被波浪、潮流动力因素掀动输移的特性,对海岸的防护、港口航道水深的维护等都有重大的影响[1]。

国内学者结合港口航道的回淤、河口清淤及水库冲刷的研究,对粘性淤泥的起动研究已取得较多的成果,并从理论上提出了包括粘性淤泥的起动公式,如窦国仁公式、唐存本公式和沙玉清公式等。

但在针对具体的实际工程时,仍需对现场泥样的起动特性进行相关的试验研究,以期更好的了解该工程区域泥沙的特性,便于工程应用。

本文即结合浙江苍南发电厂工程要求,对该工程海域的泥沙起动特性进行试验研究。

苍南电厂位于浙江省苍南县东北部,北侧为琵琶山岛和鳌江河口,南侧为平阳咀,东临东海,西南群山抱拦,厂址西北侧为拟建的江南围垦区。

该海域水动力条件强,且常受台风侵袭,在大浪作用下易使航道发生骤淤,影响船舶通航。

为解决该工程进港航道的骤淤问题,在工程拟建航道处的试挖槽附近选取泥样,泥样经颗分得中值粒径为0.0084mm,粘土含量大于40%,属淤泥质细粉砂,通过泥沙起动特性试验,对不同密实湿容重下的泥沙和不同水动力条件下的泥沙起动规律进行理论分析和研究。

黏性原状土起动流速试验研究

黏性原状土起动流速试验研究洪大林;缪国斌;申霞;谢瑞;姬昌辉【摘要】针对黏性原状土难以被水流起动、冲刷的特点,设计了专门的封闭矩形管道,使水流的平均流速完全满足黏性原状土起动、冲刷的要求.在水槽满足起动冲刷要求的前提下,采用粒子测速系统( PIV)对管道断面流速分布进行了测量,分析论证了管道的阻力规律,并比较了有压管道与开敞水槽试验结果.分析结果认为,在水流流速不是太大时,有压管道的阻力规律符合对数律.在通过试验取得垂线流速分布的情况下,可以利用对数流速分布公式计算摩阻流速,进而计算边界水流切应力,再根据谢才公式,可将起应力换算成相应河道的起动冲刷切应力.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2012(043)002【总页数】4页(P39-42)【关键词】黏性原状土起动;矩形管道;试验方法;摩阻流速【作者】洪大林;缪国斌;申霞;谢瑞;姬昌辉【作者单位】南京水利科学研究院,江苏南京210024;南水北调东线江苏水源有限责任公司,江苏南京210029;南京水利科学研究院,江苏南京210024;南京水利科学研究院,江苏南京210024;南京水利科学研究院,江苏南京210024【正文语种】中文【中图分类】TV14以前人们在研究泥沙起动问题时，一般都在开敞的明渠水槽中进行，与实际河道的自由表面是一致的，其流速分布也都符合相同的规律，因此实验室中获得的成果，可以方便地将其外推至大水深的情况。

但由于开敞水槽水流强度较弱，一般不能满足黏性原状土起动冲刷试验的要求，较好的方法是采用可以产生较大流速的封闭矩形管道，但这种方法本身也带来了一些新的问题，如管道内水流的流速分布问题，管道内压力对起动冲刷的影响问题，管道水力摩阻的计算方法问题等等。

这些问题不解决，就无法对试验资料进行分析，也就得不到相应的结果。

因此，本文在试验的基础上，分析研究了矩形管道内的流速分布、压力的影响、水力摩阻的计算方法等。

1 试验方法图1 矩形管道示意(单位:m)为了能产生较大的流速，选择封闭的矩形管道进行试验是比较可行的方法，J.L.Briaud(2001)等在进行土壤冲刷试验前，使用了一种简称为EFA的装置，试验时将所取的土样(松散的或黏性原状土)放置在矩形管道下方的圆柱形筒中，表层高出水槽表面1 mm，测量这1 mm的土层被冲刷的历时，即可得到冲刷率［1－2］。

实验三不同粒径泥沙起动流速

实验三不同粒径泥沙起动流速1 实验目的了解在一定坡度下，不同粒径泥沙的起动流速，为探讨水土流失规律、制定水土保持措施规划和设计提供理论依据。

2 实验材料准备及沙粒粒径组的粒径值计算将从野外采取的沙粒手工拣去石块，用标准土壤筛筛选得到一定粒径范围的分级沙粒，粒径组分别为1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm、0.25～0.50 mm、0.10～0.25 mm和0.074～0.10 mm计5个粒径组，筛分后每个粒径组的泥沙重量至少为5.0 kg。

当泥沙只有一个粒径组时,常采用沙粒的几何平均值作为其平均粒径值，沙粒几何平均值的计算式如下:D i＝√D u·D b式中: D I——某一粒径组的粒径平均值;D u——某一粒径组的粒径上限值;D b——某一粒径组的粒径下限值。

以上制备的每一粒径组的几何平均值如下表所示。

实验用沙粒的几何粒径值(mm)3 实验仪器及用品3.1 可变坡度泥沙起动流速实验装置一套，主体设备包括一个长2.0m、宽0.2m冲蚀槽和一个设置在其上方的溢流式可调节流量恒水位供水水箱（图3.1）。

3.2 普通秒表一块。

3.3 红、篮液体指示剂各400 ml。

3.4 测坡仪一个。

3.5 记录本、铅笔、橡皮、小刀、计算器等文具用品适量。

3.6 Y250型毕托管4套。

4 实验原理泥沙在水流冲击下的起动流速受到多种因素的影响，主要有泥沙的几何形状、泥沙粒径大小、地面坡度、泥沙所处边壁条件的粗糙状况、水流流量大小和其流速的高低等。

本实验为简化影响条件，选用特定形状的沙粒（花岗岩风化沙粒）和特定的边壁糙率条件（糙率为0.0020），通过改变沙粒粒径、地面坡度、水流流量和流速来探讨不同粒径沙粒在特定边壁条件和不同地面坡度下的起动流速。

5 地面坡度设计和沙粒起动的判别标准5.1 地面坡度设计地面坡度设计为5°、10°、15°、20°、25°和30°6种。

黏性泥石流对球型大颗粒启动的临界条件分析

黏性泥石流对球型大颗粒启动的临界条件分析汤碧辉;孙红月;胡杭辉;吴纲;翁杨【摘要】Debris flow is a devastating geological disaster due to the destructive power of large-sized particles. The large-sized particles have greater power than the liquid at the same volume and velocity. In order to investigate the starting mechanism of large-sized particles in viscous debris flow, a reasonable and simple calculation model is developed. The flow condition is the key factor of the debris flow outburst. Considering the random distribution of relative position between supporting and starting particles, the critical hydraulic condition of upstream is achieved by analyzing the particle forces under the impact of slurry. The forces include the lift force, drag force, effective gravity. The particles' moment equilibrium equation of staring condition is solved. The proposed formula of critical starting velocity is consistent with universal laws. The theoretical results by proposed formula are in good agreement with numerical simulation results of three typical cases made by CFD software FLUENT. The proposed formula has significance for preventing and controlling debris flow, especially in the calculation of the discharge in separation of water and solid.%泥石流是一种破坏力巨大的地质灾害,其破坏力主要来源于浆体中裹挟的大颗粒.相近速度情况下,相同体积的大颗粒比液相浆体拥有更大的冲击力.本文针对黏性泥石流沟内大颗粒的滚动启动,建立了合理并且较为简洁的计算模型.水流条件是泥石流爆发的关键因素,通过分析计算球型大颗粒在浆体冲击下受到的上举力、推移力、有效重力等,考虑支承颗粒和启动颗粒相对位置的随机分布问题,求解大颗粒临界启动时的力矩平衡方程,得到对应的上游来流临界条件.临界启动流速公式符合普适性规律,并且通过计算流体软件FLUENT对3个典型算例的数值模拟,得到的数值解与理论解吻合得较好.本文结论对黏性泥石流沟的防治工程设计,特别是水石分流中排水流量的计算具有一定借鉴意义.【期刊名称】《工程地质学报》【年(卷),期】2018(026)006【总页数】7页(P1631-1637)【关键词】黏性泥石流;大颗粒启动;临界条件;数值模拟【作者】汤碧辉;孙红月;胡杭辉;吴纲;翁杨【作者单位】浙江大学海洋学院,舟山 316021;浙江大学海洋学院,舟山 316021;浙江大学海洋学院,舟山 316021;浙江大学海洋学院,舟山 316021;浙江大学海洋学院,舟山 316021【正文语种】中文【中图分类】P642.230 引言泥石流拥有超强的冲击力，发生时来势迅猛，破坏力极强。

压实粘性土动态力学性能的SHPB试验

压实粘性土动态力学性能的SHPB试验刘俊新;陈忠富;徐伟芳;何鹏【摘要】Because of soils' low wave velocity and impedance and large deformation, it is unable to obtain their reliable and accurate dynamic stress-strain curves with a conventional SHPB(split Hopkinson pressure bar) experimental device. To investigate the compressive mechanic properties of compacted clays under strain rates varying from 600 to 2 500 s-1, compacted clay specimens were subjected to axial impact with different projectile speeds by using the improved SHPB with a diameter of 25 mm made of polycarbonate and a small pellet of vacuum seal cement as pulse shaper, and the validity of the experiment was discussed by considering the stress equilibrium and constant strain rate. The results show that the polycarbonate SHPB device can be used to the dynamic experiment of compacted clays, the dynamic stress and strain of a compacted clay are sensitive to strain rate, and the relationship between dynamic stress and strain rate may be expressed by an exponential function.%为解决因土体波阻抗及波速较低且变形较大,采用传统的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置不能准确获得土体的动态应力-应变曲线的问题,采用直径25 mm的聚碳酸脂SHPB 实验装置和真空封泥小球丸作为波形整形器,以不同的轴向速度撞击试件,测试试件在应变率600 ～2 500 s-1之间的动态力学性能,并通过应力平衡和常应变率分析对试验结果的有效性进行了讨论.结果表明:用聚碳酸脂SHPB装置对压实粘性土进行动态试验是可行的；土体的动态应力与应变具有显著的应变率效应,动态应力与应变率成指数关系.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2011(046)006【总页数】6页(P960-965)【关键词】聚碳酸脂;压实粘性土;波形整形技术;高应变率;动态力学性能【作者】刘俊新;陈忠富;徐伟芳;何鹏【作者单位】中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳621010;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TU411.8钻地武器，是指携带钻地弹头(侵彻战斗部)能够钻入地下目标深层后再引爆的精确制导武器.由于钻地武器钻入地下目标过程中或钻入目标内部后延时爆炸，都涉及到对目标组成部分在冲击荷载作用下的动力响应问题.这些目标主要由岩土介质和混凝土组成，包括压实粘土.因此，压实粘土在冲击荷载作用下的动力响应是防护工程和武器设计中一个相对热门的课题.目前，材料动载特性研究的理想设备主要是分离式Hopkinson压杆(SHPB).与硬质材料不同，对于软质材料，如土和塑料泡沫等，由于其波阻抗和波速较低，且变形较大，采用传统的SHPB实验装置已不能准确地获得可靠的动态应力-应变曲线.为确保这类材料SHPB实验结果的有效性和精度，从而得出正确的结论，必须对现有的SHPB实验装置进行改进.根据SHPB实验装置的原理以及应力波理论，解决这个问题通常有2种方法:一种是减小透射杆的横截面积或弹性模量，或者两者同时减小.例如胡时胜等利用铝杆，并采用灵敏度系数较高的半导体应变片代替电阻应变片测试泡沫铝的动态力学性能[1］;又如W.Chen等利用空心铝质透射杆测量低阻抗材料的应力-应变曲线[2］.另一种是直接选用与试件波阻抗相近的非金属材料(如尼龙、有机玻璃、聚碳酸酯(简称PC)等聚合物材料)作为透射杆[3］，以有效地增大透射波信号.如谢若泽等用PC 杆对泡沫铝合金的动态力学性能进行研究[4］.目前对于土体动态力学性能的研究主要集中在较低的应变率范围[5-9］，而较高应变率下土体动态力学性能的研究只有零星的报导.如Screwvala通过弹道摆法试验，发现土对加载应变率的依赖性，其应变率介于 15 ～ 23 s－1之间[10］;Young 和Japp通过双端口高速液压测试仪研究了应变率在1～20 s－1之间时土的应力-应变关系，结果显示动态强度与应变率的常用对数成线性关系[11］.我国学者皮爱如、李小雷等利用SHPB装置研究了土体的动态力学性能，结果表明土体具有明显的应变率效应[12-13］.本文中试验土样为西南红层泥岩粉碎土，采用特制钢质模具压制而成，用PC杆SHPB装置对压实粘性土(干密度 2.02 g/cm3，含水量 12.54%，压实度100%)进行了单轴压缩动态试验，并对试验结果的有效性进行了讨论，在此基础上对压实粘性土的动态压缩力学性能进行了研究，其成果对研究武器触地侵彻过程中弹头强度和刚度、炸药的安定性等问题以及战斗部入地后的爆炸破坏效应具有重要意义.1 SHPB实验装置1.1 实验系统及原理动态试验采用直径为φ25的聚碳酸脂SHPB装置，波导杆的弹性模量为2.379 GPa，密度为1.18 t/m3，弹性波波速为 1 420 m/s，弹性极限为50 MPa.子弹长0.3 m，波导杆杆长为 1.0 m.应变片贴于距离试件0.5 m处，每处对称贴2个应变片，桥路为1/4桥，取2个应变片的平均值作为计算值.除波导杆外，系统还包括空气炮发射机构、激光片光源测速系统和软回收装置等.采用一维应力假定和均匀性假定，利用测试得到的反射脉冲εr和透射脉冲εt，采用两波法(试件两端处于应力平衡状态)，由式(1)～(3)得到试件的应变率˙εs，应变εs和应力σs与时间的关系，进而得到材料在各应变率下的应力-应变关系:式中:c为压杆的弹性波速，m/s;ls为试件的初始长度，m;E为压杆的弹性模量，Pa;A为压杆的横截面积，m2;As为试件的横截面积，m2.1.2 波形整形由于压实粘性土的波速低且具有较大的变形能力，因此，为保证试件恒应变率变形、应力均匀以及增加脉冲宽度的需要，采用了脉冲整形技术.采用的整形方法与文献[4］相同，即用手戳成的真空封泥小球丸作为整形器，其大小为不影响入射波和反射波的分离，直径一般为2～3 mm.1.3 实验装置有效性的验证为保证SHPB实验装置的有效性，必须满足试件两端应力平衡和常应变率加载.同时考虑到PC杆为粘弹性杆，按文献[14］的方法对波形进行了修正，对修正后的典型试验曲线进行了应力平衡和常应变率分析(图1).从图1可见:修正后的试验曲线基本满足应力平衡和常应变率加载条件;透射波电压信号达到最大值后，随入射波和反射波的减小同步减小，而反射波电压信号并没有反向.根据SHPB实验装置的原理可知，反射波代表应变率的变化，透射波代表作用在试件两端应力的变化，说明在应变增大的同时，由于应变率减小，导致应力减小. 图1 试件典型曲线的应力平衡和常应变率分析(撞击速度15.1 m/s)Fig.1 Typical curves of stress equilibrium and constant rate analyses at a projectile velocity of 15.1 m/s2 试验结果及分析考虑到PC杆为粘弹性杆，按文献[14］的方法对透射波进行修正，图2为修正后的应力-应变曲线.图2 压实粘性土的动态应力-应变曲线Fig.2 Dynamic stress-strain curves of compacted clay under different strain rates从图2可知，压实粘性土的应力-应变曲线表现出明显的“四阶段”特征，即弹性段、屈服平台段、致密段以及由于应变率降低引起的卸载段.应力-应变曲线从弹性段到屈服平台段时，出现峰值跳跃现象，这是由于土体颗粒从静止状态转变为运动状态，颗粒之间的摩擦由静摩擦变为动摩擦(动摩擦因子小于静摩擦因子)，同时也需要克服颗粒之间的粘聚力.从图2还可以看到，随着应变率增大，压实粘性土的动态应力和可压缩变形均大大提高，说明随应变率的增大，应力强化效应不断增强.根据文献[15］，主要原因有:(1)在冲击荷载作用下，由于材料的惯性作用，限制了试件侧向应变的发展，并且限制作用随应变率的提高而增强.这种紧箍作用使试件近似处于被动围压状态，从而使其动态应力随应变率增大而增大.(2)土体由大量颗粒组成，颗粒之间的接触面为潜在破坏面，与准静态试验不同，在SHPB试验中，滑动面没有足够的时间沿与试件最大主应力作用面成45°+φ/2的弱面扩展.试件中产生运动、破坏的颗粒数目随应变率增大而增加，相应地能量需求也随之增大.由于冲击荷载作用的时间往往极短，试件没有足够的时间用于能量分配和耗散，根据冲量定理，试件只有通过提高应力的办法来平衡外部的冲量，因而动态应力将随应变率的增大而增大.(3)由于试件本身的压密作用，导致其摩擦角和粘聚力提高.(4)由于试件的动态强度随应变率的增大而增大，因此试件抵抗变形的能力也增强.此外，试件破坏需要一定的时间积累，而应变率越高，撞击速度越大，这也是导致动态变形能力随应变率增大的原因.为研究土体的应变率效应，对屈服应力、应变为10%，20%的应力和卸载前的峰值应力随应变率的变化进行了分析，结果见图3～5和表1.动态应力与应变率的关系用式 (4)拟合，可见，拟合参数随应变率的增大呈显出减小的趋势.图3 屈服应力随应变率的变化Fig.3 The yield stress of compacted clayvs.strain rate图4 应力与应变率关系的拟合曲线Fig.4 The fitting curves of stress and strain rate图5 卸载前峰值应力随应变率的变化Fig.5 The peak stress of compacted clay vs.strain rate before unloading图6 比能量吸收随应变率的变化Fig.6 Specific energy absorption of compacted clay vs.strain rate式中:σd为动态应力，MPa;为应变率，1/s;A为拟合参数，MPa;B为拟合参数，1/s.同时，采用比能量吸收(eea)来表征试件的变形性[16］.其物理意义是单位体积试件吸收的应力波能量的大小，可表示为:式中:eea为比能量吸收，J/cm3;t0和εi(t)分别为卸载前时刻和入射脉冲应变.从图6可知，能量吸收能力具有显著的应变率相关性——随应变率的提高，比能量吸收呈指数关系增大，拟合公式见式(6)，拟合参数见表1.式中:C为拟合参数，J/cm3;D为拟合参数，1/s.表1 拟合参数Tab.1 Fitting parameters in equations(4)and(6)3 结论利用改进的聚碳酸脂SHPB装置对压实粘性土的动态力学性能进行了试验研究，结果表明:(1)用聚碳酸脂SHPB装置对压实粘性土进行动态试验是可行的.(2)压实粘性土的动态应力-应变曲线从弹性段到屈服平台段时，出现峰值跳跃现象，这是由于土体的颗粒从静止状态转为运动状态，颗粒之间的摩擦由静摩擦变为动摩擦(动摩擦因子小于静摩擦因子)，同时也需要克服颗粒之间的粘聚力.(3)压实粘性土的动态应力与应变均表现出显著的应变率效应，动态应力随应变率增大呈指数关系增大，拟合参数随应变率增大呈现出减小的趋势.(4)压实粘性土的能量吸收能力具有显著的应变率相关性，随应变率增大而呈指数关系增大.传统的理论分析认为应力减小主要是由于:(1)应变减小导致卸载;(2)应变持续增大，使应力超过材料的强度，从而导致材料发生软化.而对应变率减小(并没有反向，意味着应变是持续增大的)而导致的应力卸载却未见相关报导，因此，与此相关的理论有待进一步完善.参考文献:【相关文献】[1]胡时胜，王悟，潘艺，等.泡沫材料的应变率效应[J］.爆炸与冲击，2003，23(1):13-18.HU Shisheng，WANG Wu，PAN Yi，et al.Strain rate effect on the properties of foam materials[J］.Explosion and Shock Waves，2003，23(1):13-18.[2]CHEN W， ZHANG B， FORRESTALMJ. Split Hopkinson bar techniques for low impedance materials[J］.Experimental Mechanics，1999，39(1):81-85.[3]ZHAO H，GRAY G，KLEPACZKO J R.On the use of a visco-elastic splitHopkinson pressure bar[J］.International JournalofImpactEngineering，1997，19(4):319-330. [4]谢若泽，卢子兴，陈成军，等.聚碳酸脂SHPB系统测量泡沫铝合金动态压缩性能力[J］.航空学报，2009，30(8):1435-1439.XIE Ruoze， LU Zixing， CHEN Chengjun， etal.Measurementofdynamic compressive behaviorof aluminum-alloy foams by polycarbonate SHPB system[J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2009，30(8):1435-1439.[5]OLSON R E，KANE H.Dynamic Shearing properties of compacted clay at high pressure[C］∥ Proceedings of the Sixth International Conference on Soi l Mechanics and Foundation Engineering.Montreal:University of Toronto Press，1965:328-332.[6]OLSON R E， PAROLA JF. Dynamicshearing properties of compacted clay[C］∥Proceedings of the InternationalSymposium on WavePropagation and Dynamic Properties of Earth Minerals.Albuquerque，NM:University of New Mexico Press，1967:173-182.[7]KOVACS W D，SEED H B，CHAN C K.Dynamic moduli and damping ratios for a soft clay[J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1971，97(1):59-75. [8]RICHARDSON A M，WHITMAN R V.Effect of a strain rate upon undrained shearresistance ofa saturated remolded fat clay[J］.Geotechnique，1963，13:310-324.[9]KONDNER R L.KRIZEK R J.Dynamic response of cohesive soils for earthquake considerations[C］∥Proceedings of the Third World Conference on Earthquake Engineering.New Zealand: National Committee on Earthquake Engineering Press，1965:96-104.[10]SCREWVALA F N，KHERA R P.Ballistic pendulums and dynamic testing of clays[J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，1979，105(8):927-938.[11]YOUNG R N，JAPP R D.A flow law for clays in dynamic compression[C］∥Proceedings of the International Symposium on Wave Propagation and Dynamic Properties of Earth Materials. Albuquerque， NM:University of New Mexico Press，1967:183-188.[12]皮爱如，沈兆武，王肖钧.土壤冲击特性的实验研究[J］.振动与冲击，2003，22(3):28-31.PI Airu，SHEN Zhaowu，WANG Xiaojun.Experimental study of impact characteristic ofsoil[J］.Journal of Vibration and Shock，2003，22(3):28-31.[13]李小雷，张振宇，卢芳云.土的动态性能实验研究[J］.实验技术与实验机，2006(2):22-25.LI Xiaolei，ZHANG Zhenyu，LU Fangyun.Study on the dynamic characteristic of asoil[J］.Test Technology and Machine，2006(2):22-25.[14]刘孝敏，胡时胜，陈智.粘弹性Hopkisnon压杆中波的衰减和弥散[J］.固体力学学报，2002，23(1):81-86.LIU Xiaomin，HU Shisheng，CHEN Zhi.The wave propagation attenuation and dispersion in a viscoelastic Hopkinson pressure bar[J］.Acta Mechanic Solida Sinica，2002，23(1):81-86.[15]刘军忠，许金余，吕晓聪，等.冲击压缩荷载下角闪岩的动态力学性能实验研究[J］.岩石力学与工程学报，2009，28(10):2113-2120.LIU Junzhong， XU Jinyu， LU Xiaocong， etal.Experimental study on dynamic mechanical properties of amphibolites under impact compressive loading[J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(10):2113-2120.[16]余同希，卢国兴.材料与结构的能量吸收:耐撞性、包装、安全防护[M］.北京:化学工业出版社，2006:209-212.。

长江泥沙起动流速公式探讨

４９．４
４９．０４６．７４．３
４９．１
｛３．２５１．４５．４
４８．９
４１．８５０．１８．１
床沙组成和粗化作用对泥沙起动的影响，在一定程度上可通过考虑粗颗粒的暴露作用技其对细颗粒的隐蔽作用，以及起动颗粒对不动颗粒的撞击作用对泥沙起动的影响来反映。非均匀沙的暴露作用和隐蔽作用是相伴出现的非均匀抄中，部分细颗粒被水流冲刷以后．对于粗颗粒由于四周失去帮衬，受到暴露作用；对于细颗粒，则由于四周有粗颗粒的环绕，受到隐蔽作用。许多试验结果表明，非均匀沙中较细颗粒的起动流速大于同粒径的均匀沙起
（Ｉｍ）粘性细颗粒泥沙的粘性作用试验研究表明，对于粘性细颗粒泥沙，粒径愈细，起动流速愈大。产生这种现象的原是颗粒闻粘结力的作用原状粘性土的粘结力十分复杂，以往研究较少，枝对基本沉实但未特殊固结的粘性细颗粒泥沙的粘结力提出数学表达式。新淤粘性抄的粘结力与沙粒之间的空隙厚度、沙粒在水平面上的投影、水的下压力、土的物理化学特性等许多因素有关。以往各家提出的粘结力表达式有很大不同（五）水流条件对泥沙起动的影响泥沙颗粒的起动．一方面取决于泥沙颗粒本身的特性．另一方面则取决于水流条件。影响泥抄起动的水流因素主要有近底水流结构（包括时均结构和紊动结构）、流速分布公式等作用在沙粒上的流速为瞬时作用流速．它是一个随机变量，服从正态分布。但是床面参差不齐的近底水流结构还不很清楚，因此，目前研究泥沙起动时．一般都忽略了水流的脉动作用和瞬时底速的随机分布，而采用时均底速来表示。实际上近底水流的紊动作用对泥沙起动有一定影响．试验结果显示．即使时均底速为零，仍有沙粒起动，这充分说明了水流脉动的影响。由于问题的复杂，时均底速还难以精确确定，一般都是将近底流速通过 ’定的流速分布公式转换成垂线平均流速。因此，选择合理的流速分布公式尤为重要。