含氣細粒土孔壓與應(yīng)變關(guān)系的三軸試驗研究

陳歡愛 景峰衛(wèi) 劉召旺 陳凱飛 蔣耀晨

(1.浙江交工集團股份有限公司,杭州 310051;2.浙江工業(yè)大學土木工程學院,杭州 310023)

淺層氣在沿海地區(qū)和河流湖泊三角洲等地較為常見,[1]一般分布于海底下1 000 m范圍內(nèi)或地下10～100 m深度處,[2]其中氣體多為土體中有機物在各種生化作用下產(chǎn)生的生物氣,包括甲烷、二氧化碳和硫化氫等,通常以游離氣泡、氣囊和氣帶等形式存在于淺層土中。含氣土中氣泡孔隙壓力較大,其孔壓變化與飽和土有明顯區(qū)別,對工程施工影響很大,容易引起一些工程事故。目前,我國許多城市已在大規(guī)模地開發(fā)建設(shè)地下空間,同時對海洋的發(fā)展也在逐步進行,如修建地鐵、隧道、基坑、海上風機和人工島等。然而,由于開發(fā)利用地下空間或在海上建設(shè)相關(guān)設(shè)施時,會遇到許多問題。以下含氣土均討論小尺寸離散氣泡在土體中存在的情況。韓珠峰等基于沸石的微孔吸附特性模擬制作海底含氣軟黏土,結(jié)果表明沸石摻量與氣體置換量呈線性關(guān)系,含氣土中含氣量可有吸附沸石比例控制。[3]Hong等利用電子顯微鏡掃描然后利用多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù)制作室內(nèi)重塑含氣土;通過不同反壓下的固結(jié)不排水三軸試驗發(fā)現(xiàn)含氣土在高反壓下的歸一化孔壓比低反壓大,且在不同反壓下的臨界破壞線(CSL)斜率相同。[4-5]文獻[6-7]根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力原理指出：當含氣砂土中氣體發(fā)生聚集時,孔壓迅速增加,土體有效應(yīng)力減小,最終導(dǎo)致液化失穩(wěn)。韓珠峰發(fā)現(xiàn)含氣土中含氣量越大,含氣砂床的孔壓消散越慢,超孔隙水壓幅值則越小。[8]

存在封閉氣泡的特殊微觀結(jié)構(gòu)對土體力學響應(yīng),尤其是孔壓發(fā)展會產(chǎn)生不容忽視的影響。在涉及含氣土的工程設(shè)計和工程施工中,若繼續(xù)使用以往飽和土的相關(guān)參數(shù)和經(jīng)驗,將使設(shè)計不夠準確,造成不利影響。目前,通過二氧化碳析出法對含氣粗粒土或砂土的研究較多,針對滲透性較差的細粒含氣土相關(guān)研究還較少,因此,采用了多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù)制作細粒含氣土,通過不同圍壓下的固結(jié)不排水三軸試驗研究含氣特性對土體力學響應(yīng)的影響。

1 制樣方法和試驗概況

含氣原狀土不易獲取,試驗采用重塑含氣土。采用重塑土制樣方法則可盡量避免取樣、運輸環(huán)節(jié)對土體的擾動和損傷,且重塑土具有良好的均勻性和可重復(fù)性。

采用多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù),通過沸石吸附氮氣,將氮氣注入到高嶺土飽和泥漿中,形成含細粒氣泡的含氣土。[4]含氣土中常見氣體為甲烷、二氧化碳和硫化氫等,但以上氣體易燃易爆,出于安全考慮,選擇氮氣代替,且氮氣的溶解度與甲烷接近,氮氣性質(zhì)穩(wěn)定,不會與水發(fā)生反應(yīng),同時,氮氣分子可被沸石微孔吸附,故選擇氮氣作為試驗氣體。根據(jù)韓珠峰等的研究[3],含氣土中含氣量可由吸附沸石比例控制,所以試驗通過控制沸石比例來控制含氣土中含氣量。為研究不同含氣量對土體孔壓變化的影響,選用三種含氣量。在飽和土樣中,不含氮氣沸石質(zhì)量占總干顆粒質(zhì)量的15%,為研究不同含氣量對土體性質(zhì)的影響,制作三種不同含氣量的含氣土,保持沸石總量不變,由沸石吸附氮氣的比例控制,吸附氮氣的沸石質(zhì)量比例分別為0%,10%和15%,對應(yīng)含氣土的飽和度分別在98.80%～99.90%,91.40%～93.78%,86.26%～87.84%。試驗所制含氣土飽和度在85%～100%。[5]試驗選用馬來西亞高嶺土。采取的重塑土制作方法為泥漿分級加壓固結(jié)法,其物理指標見表1。圖1為制備重塑含氣土的相關(guān)材料及過程。含氣土的制作過程：先將沸石放入烘箱中以105 ℃烘干1 d,然后把烘干的沸石在-0.1 MPa下抽真空7～8 h,去除沸石微孔中的原有氣體,然后將抽完真空的沸石粉放入加壓桶中,充入氮氣,在20 kPa下保持24 h,同時制作高嶺土飽和泥漿,按1.2倍液限的含水量制作泥漿,然后放入真空桶中攪拌、抽真空7～8 h,最后將吸附氮氣的沸石與飽和高嶺土泥漿均勻混合,放入桶中進行一維固結(jié)加載,經(jīng)10→30→50→100 kPa的加載后,保持壓力4 d不變,以待土樣完成主固結(jié)。

表1 馬來西亞高嶺土基本物理特性指標Table 1 Basic physical property indexes of Malaysian kaolin

表2 試驗方案Table 2 Test schemes

a—沸石;b—馬來西亞高嶺土;c—配制飽和泥漿;d—加壓固結(jié)。圖1 含氣土制備Fig.1 Preparation for aerated soil

圖2為制備的含氣土切面,圖3為含氣高嶺土單個氣泡結(jié)構(gòu)微觀示意。

圖3 單個氣泡示意Fig.3 A schematic diagram of a single bubble in soil

試驗所采用的試驗裝置為GDS電機伺服控制的動態(tài)三軸液壓控制測試系統(tǒng),能夠通過軸向靜力加載對試樣進行剪切,剪切過程采用等應(yīng)變速率控制,剪切速率為0.05 mm/min。

試驗方案：試驗包括9個固結(jié)不排水三軸試驗;在9個試驗中,均采用300 kPa的反壓,對每一種含氣量的含氣土分別進行有效圍壓為100,200,300 kPa的三軸固結(jié)不排水剪切試驗。

2 含氣量對孔壓和應(yīng)變關(guān)系的影響

圖4為是三種不同含氣量的含氣土在相同的反壓(300 kPa)和不同的有效圍壓下的孔壓發(fā)展曲線?？梢姡嚎讐合仁翘幱谝粋€迅速累積的過程,大部分試樣在豎向應(yīng)變達到5%時孔壓到達峰值;之后孔壓曲線逐漸穩(wěn)定,觀察孔壓終值可發(fā)現(xiàn)含氣土孔壓大于飽和土孔壓,且含氣量越大,即含氮氣沸石所占比例越大,則由于剪切產(chǎn)生的孔壓越大,在含氮氣沸石所占比例為15%時,如試樣有效圍壓為300 kPa,孔壓終值比對照的飽和土樣高了9%左右。

圖4 有效圍壓為100,200,300 kPa下不同飽和度含氣土的孔壓Fig.4 Pore pressure of aerated soil with different saturation under effectively confined pressures of 100,200 and 300 kPa

圖5為軸向應(yīng)變達到5%之前的孔壓曲線。可見：在同一有效圍壓下的不排水剪切過程,飽和土樣的孔壓增速大于含氣土孔壓的增速,且孔壓的增速受到含氣量的影響,含氣量越大,孔壓增速則越平緩。已知土體中氣泡對孔壓的影響方式有兩種[9-10]：1)在低反壓下,氣泡維持原有的形態(tài),四周被孔隙水充滿,體積縮小,但是土樣收縮小;2)在高反壓下,氣泡產(chǎn)生不連續(xù)面的劈裂破壞,土樣收縮性大。試驗采用較高應(yīng)力水平的300 kPa反壓,氣泡在剪切過程中的破壞形式可能是上述形式的第二種。因此在軸向應(yīng)變達到5%之后含氣土樣孔壓大于飽和土樣的原因可能是由于土體內(nèi)部氣泡的崩塌所致。

圖5 軸向應(yīng)變?yōu)?%前,有效圍壓為100,200,300 kPa時不同飽和度含氣土的孔壓Fig.5 Pore pressures of aerated soil with different saturation dagrees under effectively confined pressures of 100,200 and 300 kPa before a axial strain of 5%

圖6為三種不同含氣量的含氣土在三個不同有效圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,從中可以看到：在應(yīng)變控制的剪切過程中,隨著應(yīng)變逐漸增大,土體的偏應(yīng)力水平在逐漸提高,在應(yīng)變達到大約15%時,土體的偏應(yīng)力達到最大值(即抗剪強度),此時土樣破壞。在同樣的有效圍壓下,同一時刻含氣量較多的土樣偏應(yīng)力較小。如有效圍壓為100 kPa時,由含氮氣沸石比例的增加,A0-100、A10-100和A15-100三種不同含氣量的含氣土抗剪強度依次為127.23,115.2,99.6 kPa,含氣土A10-100抗剪強度比飽和土A0-100的抗剪強度小9.46%,含氣土A15-100比飽和土A0-100的抗剪強度小21.72%。

圖6 有效圍壓為100,200,300 kPa下不同飽和度含氣土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of aerated soil with different saturations under effectively confined pressures of 100,200 and 300 kPa

由實測得到的各孔壓,可得到各試驗的有效應(yīng)力路徑,如圖7所示,盡管含氣量的多少對土體孔壓發(fā)展及抗剪強度均有不容忽視的影響,但不同含氣量的土體其臨界狀態(tài)線(CSL)的斜率M值十分接近,可認為是一個常數(shù)M=1.25(有效內(nèi)摩擦角φ′=27.36°)。

圖7 有效圍壓為100,200,300 kPa下不同飽和度含氣土的應(yīng)力路徑Fig.7 Stress paths of aerated soil with different saturations under effectively confined pressures of 100,200 and 300 kPa

圖8為三種不同含氮氣沸石比例的含氣土的有效應(yīng)力路徑的應(yīng)變等值線。應(yīng)變等值線分別取1%、3%、5%、8%、10%,在有效平均主應(yīng)力-廣義剪應(yīng)力平面中標寫在不同試驗對應(yīng)的有效應(yīng)力路徑之上。圖中不同圍壓下有效應(yīng)力路徑上的應(yīng)變等值線可視作直線,且其斜率隨著應(yīng)變的增加逐漸增大,緩緩向臨界狀態(tài)線靠近,最終斜率與臨界狀態(tài)線一樣為1.25;且隨著應(yīng)變的發(fā)展,不同應(yīng)變等值線之間距離越來越接近,說明隨著應(yīng)變的增大,土體的強度變化值越來越小,這與圖6的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系規(guī)律一致。對比不同含氣量土體的應(yīng)力-應(yīng)變等值線,隨著含氮氣沸石比例增加,即含氣量的增大,土樣的應(yīng)變等值線均處于更低且更偏左的位置,即在達到相同的應(yīng)變下,含氣土中產(chǎn)生的孔壓更大,對應(yīng)的發(fā)揮抗剪強度更小,且該規(guī)律對不同圍壓下的試驗結(jié)果均成立。

圖8 三種不同含氣量含氣土的應(yīng)變等值線Fig.8 Strain isolines of three kinds of aerated soil with different contents of gas

3 結(jié)束語

含氣土中不同的含氣量會對土體的孔壓發(fā)展產(chǎn)生顯著影響。在300 kPa的反壓下,含氣土的孔壓在軸向應(yīng)變達到5%之前為飽和土孔壓發(fā)展速度大于含氣土,而在軸向應(yīng)變達到5%之后,含氣土的孔壓大于飽和土的孔壓,且在孔壓達到穩(wěn)定之后,比飽和土樣高了9%左右。該現(xiàn)象可能與土體內(nèi)部氣泡的崩塌方式與土顆粒的移動有關(guān)。在不同的含氣量下,臨界狀態(tài)線的斜率M值是一個常數(shù),M=1.25。不同圍壓下有效應(yīng)力路徑上的應(yīng)變等值線可視作直線,且其斜率隨著應(yīng)變的增加逐漸增大,最終等于M=1.25。隨含氣量的增大,土樣的應(yīng)變等值線均處于更低且更偏左的位置,即在達到相同的應(yīng)變下,含氣土中產(chǎn)生的孔壓更大,對應(yīng)的發(fā)揮抗剪強度更小,即含氣土的抗剪強度與含氣量呈負相關(guān),且該規(guī)律對不同圍壓下的試驗結(jié)果均成立。