Page 78 - 水利学报2021年第52卷第3期

粉质黏土含量 20%情况下，砂土（d =1.5mm）-粉质黏土混合物冲刷前后的试验现象如图 7 所示。
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试验现象表明冲刷前砂土颗粒和粉质黏土细颗粒胶结在一起，在水流作用下，砂土颗粒和粉质黏土
细颗粒几乎同时起动，此时混合土体起动时颗粒粒径大于砂土颗粒粒径。根据公式（3）（4）（5）可知，
颗粒粒径增大，浮重度和颗粒起动时的阻力增大，土体起动需要的水流流速和剪应力增大，所以砂
土混合物在 p =20%时的起动切应力大于 p =0%时的起动切应力。随着 p 的增大，颗粒之间的黏结力
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增加，颗粒起动时阻力逐渐增大，起动切应力逐渐增大。
粉质黏土含量 20%情况下，砾石（d =5.5mm）-粉质黏土混合物冲刷前后的试验现象如图 8 所示。
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试验结果显示，冲刷前粉质黏土细颗粒黏附在砾石表面或填充在砾石颗粒之间，当水流流速较小
时，砾石未起动，粉质黏土细颗粒被冲刷，细颗粒的冲刷引起混合土体孔隙比增大，同时被冲刷的
细颗粒进入水流中导致水变浑浊（图 8（b）的清晰度明显低于图 8（a）），可以认为水流密度增大，根据
公式（3）和（4）可知，水流密度增大，推动力和上举力不变的情况下，需要的水流流速变小，颗粒起
动需要的切应力变小。随着水流速的增大，混合土体中砾石颗粒以单颗粒的形式起动，其中会有少
量细颗粒黏附于砾石颗粒表面，砾石颗粒粒径远大于粉质黏土颗粒，少量黏附于砾石表面的细颗粒
［2］
质量可以忽略不计。研究发现，土体的起动切应力随孔隙比的增大而减小 。p =20%情况下，砾石
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（d =5.5 mm）-粉质黏土混合物的起动以砾石颗粒冲刷为主导，由于粉质黏土细颗粒的冲刷，混合土体
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的孔隙比增大、水流密度增大，导致砾石颗粒的起动切应力减小。当粉质黏土含量增大，砾石颗粒
与粉质黏土颗粒之间的黏结作用增强，混合土体以砾石颗粒与黏性颗粒组成的微团的形式起动，混
合土体起动时阻力增大，起动切应力增大。

图 8 粉质黏土含量 20%，砾石（d s=5.5mm）-粉质黏土混合物
3.3 临界黏性颗粒含量 目前临界黏性颗粒含量（p ）范围的确定主要通过观察试验现象定性给出。
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根据本文试验现象和冲刷速率试验结果，可以初步得到混合土体 G1、G2、G3 临界粉质黏土含量的范
围为：p >22.5%，p >20%，p >30%。Mitchener 等 ［12］ 研究发现，砂土混合物中黏性颗粒含量为 10%
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时，混合土体的起动切应力是砂土起动切应力的 2～5 倍，同时混合土体的冲刷速率较砂土明显减小。
基于 Mitchener 等 ［12］ 的研究，本文尝试提出进一步确定混合土体临界黏性颗粒含量的方法：如果
一定黏性颗粒含量（p ）条件下，混合土体的起动切应力是无黏性颗粒起动切应力的 2 倍及以上，同时
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混合土体的冲刷速率较小于 p 最大值情况下混合土体的冲刷速率明显降低，认为此时 p 即为临界黏
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性颗粒含量。
根据上述提出的方法，得到 G1、G2、G3 临界粉质黏土含量的范围为：22.5%～25%、30%～
32.5%、32.5%～35%。通过冲刷速率和起动切应力的取值确定的临界粉质黏土含量的范围包含在通
过试验观察得到的范围内，而且取值范围更精确。粉质黏土中粉粒含量为 59%，黏粒含量为 24%，
黏 性 颗 粒 含 量 为 83%。 由 此 可 知 G1、 G2、 G3 临 界 黏 性 颗 粒 含 量 范 围 分 别 为 ： 18.68%～20.75%、
24.90%～26.98%、26.98%～29.05%，临界黏粒含量范围分别为：5.4%～6%、7.2%～7.8%、7.8%～
［13］
8.4%，三种混合土体临界黏粒含量的取值范围在 Alvarez-Hernandez 通过试验结果给出的临界黏粒
含量范围（5%～15%）之内，这一结果表明，通过冲刷速率和起动切应力确定混合土体临界黏性颗粒
含量取值范围的方法是可行的。

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