泥石流体屈服应力与黏土矿物关系的试验研究

17卷第21期2017年7月 1671 —1815(2017)21-0202-06

科学技术与工程

Science Technology and Engineering

Vol. 17 No. 21 Jul. 2017 © 2017 Sci. Tech. Engrg.

泥石流体屈服应力与黏土矿物

关系的试验研究

(成都理工大学工程技术学院资源勘查与土木工程系地质工程教研室1 ,乐山614000;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室2,成都610059)

摘

要

泥石流体的屈服应力是泥石流体抗剪强度的一个重要指标，但到目前为止对泥石流体屈服应力和黏土矿物的关系研究

马煤1余斌2 *

还不完善。通过简易泥石流排导槽装置，选取蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭土4种常见的黏粒矿物为研究变量，以泥石流体屈服 应力为研究目标，依次改变泥石流体中泥沙颗粒体积浓度、黏粒矿物成分及百分含量得出：①同等条件下，不同黏土成分对屈服 应力的影响不同，蒙脱石影响最强，伊利石次之，绿泥石、高岭土最弱;②单一黏土矿物条件下，屈服应力与黏土矿物关系呈正向 指数关系;③混合黏土矿物条件下，屈服应力与黏粒矿物的关系与单一黏土矿物条件下关系一致，但变化速率比单一黏土矿物 小;④通过国内外学者资料验证本文泥石流屈服应力与黏土矿物的关系，具有一定的准确性和可用性。关键词泥石流

中图法分类号

屈服应力 黏粒矿物 固体体积浓度

P642.23 X43;

文献标志码

A

百分含量的研究也很少。近年来对泥石流体屈服应

力的研究取得了一些新的进展，含有粗颗粒的泥石 流体屈服应力常通过堆积扇上泥石流体的容重、堆 积厚度和堆积坡度等参数通过公式

泥石流体屈服应力在一定程度上代表泥石流体 本身的黏性强弱，是描述其黏性剪切特征的重要参

数。泥石流体的屈服应力与泥沙颗粒体积浓度、黏 土矿物成分和黏粒百分含量有关，其中泥沙颗粒体 积浓度的影响最强，黏土矿物成分居中，黏粒百分含 量的影响最小，且具有较好的指数相关性[&6]。目 前学者对流体屈服应力的研究主要体现在:①通过 高岭土、塑料粉、不同黏土液体模拟流体黏性泥浆，得出极限剪切力与体积浓度变化规律[7_15] 随着固体体积浓度增加，迅速增大;②考虑

[M]r = pgfcin 0

X

T

T

C:T

间接获得，并发现泥石流屈服应力并非只与泥沙固 体体积浓度有关，与组成固体的黏粒矿物成份和黏 粒百分含量也密切相关[3’5’6’21_23]，在研究黏粒百分 含量在泥石流体中的作用虽有了一定进展，但他们 所采用的黏粒仅限于一种黏粒成分，而实际泥石流 体中包含多种黏粒成分，缺少对黏粒的成分和混合 黏粒影响泥石流体屈服应力的研究。现主要以试验 方式探讨单一和混合黏粒矿物成分、黏粒百分含量、 固体体积浓度与泥石流的屈服应力关系。

体积浓度和级配对屈服应力的影响，先后研究得出 多个体积浓度与屈服应力关系[16_19]。但是这些研

究主要集中在研究浆体的屈服应力，对泥石流体的 研究很少，主要因为泥石流体的颗粒组成中有很多 粗颗粒般的黏度计实验条件无法完成含有粗颗 粒的屈服应力实验。其次对黏土矿物成份以及黏土

，一

1

m

试验概述

2016年12月12日收到

(41372366),

四川省教育厅基金（16ZB0407)和

成都理工大学工程技术学院青年科学基金（C122016020)资助 第一作者简介:马煜（1984—），男，陕西杨陵人，硕士，讲师。研究

国家自然科学基金

方向：岩土工程和地质灾害防治。E-mail:

mayu.〇〇8@ hotmail.com。

试验利用小型泥石流排导槽简易装置进行，装

置主要由储料箱、排导槽组成。排导槽有效长1.0 ,宽0.2 ,高0.3 ,水槽底部做适当加糙处理， 加糖厚度〇. 〇〇3 ;储料箱可以存放泥石流体并可

m

m

m

以一次性使泥石流流入排导槽（图1)。

试验采用具有代表性的蒙脱石、伊利石、绿泥 石、高岭土等4种黏土矿物为研究变量，采用射 线衍射法

2

*通信作者简介:余:

试验研究[J] •

斌（

1966—），男，四川成都人，博士，教授。研

yubin〇8@ cdut.cn。

究方向：泥石流灾害与防治。E-mail:

科学技术与工程，

(XRD )，分析其衍射图谱获得黏土的成分

mm

mm

X

引用格式马煜，余斌.泥石流体屈服应力与黏土矿物关系的

2017, 17(21) : 202—207

2017, 17

Ma Yu, Yu Bin. The influence of clay minerals and yield stress of debris flow by experiments[ J]. Science Technology and Engineering,

及含量，结果见表1。试验中泥石流体的固体物质

主要是黏粒矿物（粒径小于〇. 05 )、细砂、粗砂 以及少量小于10 的砾石,其中黏粒矿物、细砂 和粗砂占泥石流体固体物质的质量百分含量不低于

(21) ： 202—207

21期马煜，等:泥石流体屈服应力与黏土矿物关系的试验研究203

90%。实验的3个控制变量:泥沙颗粒体积浓度、黏 土矿物成份、黏粒的质量百分含量。由于泥石流体

和浆体性质的不同，可以用黏度计测量浆体的屈服 应力，但由于泥石流体中的粗颗粒的存在，一

方面对

其屈服应力影响比较大，另一方面粗颗粒可能破坏 黏度计，任何黏度计不可能测量较大的粗颗粒（mm

本 试验中粗颗粒粒径最大10 )的屈服应力，因此用 实验槽堆积实验通过T

=

0间接地获取泥石

流的屈服应力成为唯一可行的办法。

Table 1 表1Mineral component of clays

黏土矿物的相关参数

成分

%

/

腾冲高岭土

(400 成都蒙脱石

目）

(400 峨眉伊利石

目）

(800 辽宁绿泥石

目）

蒙脱石—702(800 目）伊利石4

49—高岭土824绿泥石5—

379石英

122162262长石

353方解石

—9白云石

——9滑石

—

—

—11

注:DMAx-3C衍射仪测试误差范围为± 10%

2

实验结果分析

2.1单一黏粒矿物对泥石流体屈服应力的影响

图2(a)〜图2(e

)为不同泥沙颗粒体积浓度下

黏粒含量与泥石流体屈服应力的关系图。屈服应力 与黏粒含量呈正向相关性，这与文献[3，22，24 ]相 吻合。文献[3,24]认为：在相同泥沙体积浓度下， 黏粒黏性、黏粒矿物与泥石流体的屈服应力成正向 相关性。文献[22]通过野外堆积板实验得出屈服 应力随着黏粒含量的增大而增加的关系。从图2可 知，在泥沙颗粒体积浓度一定时，黏粒含量相同的情 况下，获得屈服应力的大小的关系是:蒙脱石 > 伊利 石 > 绿泥石（高岭土），绿泥石强度低于蒙脱石和伊 利石，但和高岭土强弱关系不是很明显，这与文献

0.20

(c) 00.453

P

0.10

0.20

P

(d) 00.510

30〇i

240­180­120

60-

0■

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

P(e) 00.588

图2

不同体积浓度下屈服应力随黏粒百分含量关系图

Fig. 2 Relationship between yield stress and clay percentage for different volumetric concentration

[25]结论基本一致，这是因为相同条件下，不同黏

204

科学技术与工程

17卷

粒矿物的结构强度紧密程度不同的。蒙脱石的结构 最紧密，强度也最大，伊利石次之，而绿泥石和高岭 土形成的网络结构最稀疏，ad

结构强度最小[2€。

图3()〜图3()为不同黏粒含量下固体体积

浓度与泥石流体屈服应力的关系图。由图可知:① 屈服应力与泥沙颗粒体积浓度呈正指数关系，这与 文献[7—15]观点基本一致。②在黏粒含量、体积

(a) P=0.05(b) P

=0.10

图

3不同黏粒百分含量下屈服应力与体积浓度关系图

Fig. 3 Relationship between yield stress and volumetric

concentration for different clay percentage

浓度相同条件下，屈服应力的强度表现关系为:蒙脱 石 > 伊利石 > 绿泥石 > 高岭土。③随着黏粒含量 的增加，屈服应力与体积浓度的相关变化速率增大。

由图2、图3可知，在泥石流体屈服应力相同 时，所需要的黏粒含量蒙脱石最少，伊利石居中，绿 泥石和高岭土最多。为了应用的方便，设定一个有 效黏粒含量P

。有效黏粒含量本文定义为:为了获得 几乎相同屈服应力时所需黏粒含量与基准黏土含量 的关系。图4以高岭土为基准黏土，在获取近似相 同的泥石流体屈服应力时需要其他黏粒矿物含量与 高岭土含量的关系，

1.80-□

B

…〇……0…….□………•………•D.

〇

K/Ch

1.40­

△□…….A□

1.20

△

A

△.....厶

AK/I

1w

.……Q......□

L/M

.00-

…...……...…….…八 ^8

..…八0.800.3

0.40.5

0.6

图

4高岭土和其他黏粒含量的百分含量关系 Fig. 4 Percentageratio of the kaolin to other clay type for the same volumetric concentration and

almost the same yield stress

图4可知，绿泥石和高岭土含量基本一致，伊利 石含量大致是高岭土含量的1. 3倍，而蒙脱石含量 最多，约是局岭土含量的1. 7倍。

按照前述关系可得到下列关系式：高岭土 = K;绿泥石P

P。= Ch;伊利石P

P

。= 1.3%家脱石= 1.

有效黏粒含量P

。的引入避免了不同黏粒的性 质问题，无论哪种黏粒，通过式（1)都可以转换为

〇2.2单一黏粒矿物屈服应力与体积浓度、黏粒含量

综合关系式

综合图2、图3、图4中相关关系得出泥石流体 屈服应力的综合关系式：r

= C0C2e22P〇cT

PaPa(1)式（1)中，为泥石流体屈服应力，; C

。为系数，

, C0 = 30 (C ^ 〇.47),C0 = 30e5(c'a47) (C > 0.47) ;C为泥石流体固体体积浓度;P。为黏粒的有

效黏粒含量。不同的黏粒矿物的有效含量可按照式(1)计算。通过对比式（1)计算值和实验值（见图 5)，计算值和实验值相关性较好。

21期马煜，等:泥石流体屈服应力与黏土矿物关系的试验研究205

图

5实验值和公式计算值对比

Fig. 5 Comparison of calculated yield stress and experimental yield stress for materials with one clay

图5中，M-C

为以蒙脱石为主要黏粒的泥石流

体体积浓度；I-C为以伊利石为主要黏粒的泥石流 体体积浓度;K-C为以高岭土为主要黏粒的泥石流 体体积浓度;Ch-C为以绿泥石为主要黏粒的泥石流

体体积浓度。

2.3混合黏粒矿物泥石流体屈服应力与体积浓度、 黏粒含量的关系

黏粒矿物的成分组合和母岩岩性和地层环境有 很大关系，所以在泥石流堆积物中细颗粒的黏粒成 份实际不是单一黏粒矿物，而是多种黏土矿物混合 存在的。因此研究混合黏土矿物和泥石流屈服应力 的关系更接近实际的应用。为了研究方便，以C

=

0.453的泥石流体来研究混合黏土矿物（黏粒矿物 按1:1混合)对泥石流体的屈服应力影响。

由图6可知，混合黏土矿物情况下，屈服应力与 黏粒含量呈指数关系，与单一黏土矿物情况下的关 系一致，但混合矿物的屈服应力与黏粒含量关系的 变化速率比单一矿物时的变化速率要小，为了使在 混合黏粒时屈服应力随黏粒含量增长趋势和在单一 黏粒时屈服应力随黏粒增长趋势一致，综合考虑，现 取0.7作为减少系数。为了应用方便，仍采用式(2)计算混合黏粒矿物的泥石流体屈服应力。但同 种条件下，混合黏粒的泥石流体屈服应力实验值要 比式(2)计算的泥石流体屈服应力值要小，此时采 用0.7作为修正系数（图7)。

由图7知，当黏粒的有效黏粒含量<0.20 时，混合黏土矿物的屈服应力实验值、按式（1)计算 值、取〇. 7修正系数修正值趋势线较统一且均可按 照式（1)计算。文献[24]指出泥石流体中的黏粒重 量百分含量4%〜10%之间变化，但也受泥石流源 地岩性和岩石风化程度控制。可见实验中有效含量

<0.20已涵盖野外泥石流体实际黏土含量，故式(1)对于野外泥石流体的计算是准确的。当有效黏

粒含量>〇. 20时，混合黏土矿物的屈服应力实验 值、按式（1)计算值、取0.7修正系数修正值趋势线 开始发生变化:式（1)计算值大于实验值，采用了 0.7修正系数后，虽接近了实验值，但还有一定偏 差;另有效黏粒含量>0.20的黏粒含量已超过野 外泥石流体黏粒含量，故研究有效黏粒含量P

。> 0. 20对本文研究无意义，可做后续研究。

图

6 C=0.453的泥石流体屈服应力

与黏粒含量关系图

Fig. 6 Relationship between yield stress and equivalent

percentage for single and mixed clay types ： C = 0. 453

图

7

混合黏粒的泥石流体屈服应力与 Fig. 7 Relationship 有效黏粒含between yield 量关系图

stress and

equivalent percentage for mixed clay types

3

验证

为了验证屈服应力与体积浓度、黏粒含量关系

的可靠性和适用性，Marr通过收集国内外泥石流实验的 资料，选取等实验[5]、Coussot

等实验[22]，火烧

沟[21]中数据作为验证数据，见图8。

Marr等实验数

据的验证性较好，一方面说明本文理论公式的正确 性，另一方面说明Marr

等实验所采用的黏粒黏性和

本文的黏粒黏性大致一样;

Coussot等实验的数据在

206

科学技术与工程

17卷

固体体积浓度较大时（c

> 0. 575时）数据的验证性 较好，体积浓度较小时，式（2)的计算值偏小，这可 能是体积浓度较小时，实验误差等原因引起的。火 烧沟数据的验证和Coussot P实验数据的验证一致， 在固体体积浓度较大时，验证性较好。图8中，■和 ▲为文献[5]中实验的不确定值，高岭土有效含量 按文中式（1)计算，斑脱土有效含量取7倍;文献 [22]中堆积板实验，最后一组实验结果与野外计算 基本一致，据此用式（2)反算得黏粒有效含量取0. 181;文献[21 ]，取有效含量0. 194。

图8相关文献数据和室内实验公式计算值对比

Fig. 8 Comparison of the calculated yield stress with

experimental data from other studies

4

结论

泥石流体屈服应力的研究是泥石流学科中的一

项基础研究，特别是与黏粒矿物成分及含量的研究， 属于偏微观，往往易被研究者所忽视，从而造成该研 究领域的空白。本文从定量上分析并得出了以下 结论。

(1) 同等条件下，对泥石流体屈服应力的影响 程度按照从强到弱的顺序依次为:蒙脱石、伊利石、

绿泥石、高岭土。(2) 单一矿物和混合矿物的泥石流体，石流体 屈服应力与矿物成分、黏粒含量的关系一致，但变化

速率比单一黏土矿物小。

(3) 为了应用方便，设定一个有效黏粒含(P

Q)，并得出不同矿物黏粒含量和有效黏粒含量之 P间的关系:高岭土 P

A

=/\\;绿泥PM

石A

=。;伊利石 0 = 1.3I;蒙脱石 = 1.7。

(4) 通过单一矿物和混合矿物成分和含量实验

研QC

究获得了屈服应力的综合关系式：

t = 、22%。此公式适用于单一黏粒和混合黏粒的

泥石流体。

(5) 通过国内外学者资料验证本文泥石流屈服

应力与黏土矿物的关系，具有一*定的准确性和可 用性。

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The Influence of Clay Minerals and Yield Stress of Debris Flow by Experiments

MA Yu, YU Bin*

2

(The Engineering and Technical College of Chengdu University of Technology ,Leshan 614000, P. R. China；

The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection , Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, P. R. China)

1

Abstract] The yield stress of a debris flow is one of the most important parameters, but there is no better method for clay minerals with the yield stress. The effect of four types of clay minerals ( montmorillonite, illite, chlorite, and kaolin) on the yield stress of mixtures were investigated in aquantitative way. Laboratory experiments were carried out with single and mixed clay mineral types, various volumetric concentrations, and percentages of clay mineral content. By comparing with the results of the laboratory experiment, the following results were obtained. Composition and content of clay mineral and yield stress of debris flow has a very close relationship ： for the same clay content and same volumetric concentration, a decreasing effect was found, respectively, of montmorillonite > illite > chlorite > kaolinite on the yield stress of the flow mixture, whereas the effect of chlorite was equal to that of kaolin. An equation is proposed to calculate the yield stress of debris flows as a function of the volumetric concentration andequivalent clay mineral percentage. The formula is applicable for the calculation of yield stress of single clay and mixed clay type minerals indebris flows.[Key words ] debris flow yield stress clay minerals volumetric concentration

[